JP7711515B2 - Gas Sensors - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor.
試料中に存在する物質を高感度かつ高選択的に検出する技術に関する研究開発が精力的に行われている。そのような技術が実現すれば、空気中の有害ガスのモニタリングによる建物の換気管理や、腐敗ガス量の定量による食品の鮮度管理、呼気中の疾病マーカー検出による疾病の早期発見、ごく微量の毒ガス検出によるテロや化学兵器攻撃の未然防止といった分野で役に立つと考えられる。これらの用途を志向した場合、ppbオーダー、より好ましくはpptオーダーの高感度検出技術が必要であるが、未だ実現できているものは無い。 Research and development into technology that can detect substances present in samples with high sensitivity and selectivity is being actively conducted. If such technology were realized, it would be useful in fields such as managing building ventilation by monitoring harmful gases in the air, managing food freshness by quantifying the amount of putrefactive gases, early detection of disease by detecting disease markers in breath, and preventing terrorist attacks and chemical weapon attacks by detecting minute amounts of toxic gases. For these applications, a highly sensitive detection technology on the order of ppb, or more preferably on the order of ppt, is required, but none has been realized yet.
高感度かつ高選択検出技術として、検出対象物質と選択的に相互作用する形状や静電ポテンシャル分布を有する認識分子をナノカーボン材料表面へ固定化した材料を用いたセンサが検討されている(例えば、特許文献1参照)。ナノ材料、特にナノカーボン材料は大きな比表面積を有することから、極微量のターゲット物質によっても電子物性が大きく変わると考えられ、高感度検出技術に適している。ナノカーボン材料が有する高い検出能力を更に高める技術として、検出部において、カーボンナノチューブと金属酸化物粒子との複合材料を用いる技術が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 As a highly sensitive and selective detection technology, a sensor using a material in which recognition molecules, which have a shape and electrostatic potential distribution that selectively interact with the substance to be detected, are immobilized on the surface of a nanocarbon material is being considered (see, for example, Patent Document 1). Nanomaterials, particularly nanocarbon materials, have a large specific surface area, and it is believed that their electronic properties change significantly even with extremely small amounts of target substance, making them suitable for highly sensitive detection technology. As a technology to further enhance the high detection ability of nanocarbon materials, a technology has been reported in which a composite material of carbon nanotubes and metal oxide particles is used in the detection section (see, for example, Non-Patent Document 1).
ナノカーボン材料を用いたガスセンサは、検出対象物質がナノカーボン材料表面に付着することによる接触抵抗変化やキャリア注入によって起こる抵抗値変化に基づいて検出対象物質を検出する。そのため室温でも使用可能であり、検出に高温を必要とする既存の金属酸化物を用いたガスセンサよりも優れている。 Gas sensors using nanocarbon materials detect target substances based on changes in contact resistance caused by the adhesion of the target substance to the nanocarbon material surface and changes in resistance caused by carrier injection. As a result, they can be used at room temperature, and are superior to existing gas sensors using metal oxides that require high temperatures for detection.
また、検出選択性を付与する技術としては他に、検出対象物質と相互作用する感ガス体としてカチオン性ポリマーを含む層と酸化グラフェン層とを積層させることによって検出選択性を付与する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Another technique proposed for imparting detection selectivity is to laminate a layer containing a cationic polymer as a gas sensor that interacts with the substance to be detected and a graphene oxide layer (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載のような、ターゲット認識分子を固定化したナノカーボンを用いた検出技術では、ナノカーボン材料上の認識分子の機能を安定的に維持することが難しいことや、ナノカーボン材料上へ認識分子を高密度で固定化することが難しいために、対象物質との結合量が増えない。そのために、選択性の代償として感度低下を招いてしまうこと、量産化に不向きであること、などの課題があった。 However, in detection technology using nanocarbon with immobilized target recognition molecules, as described in Patent Document 1, it is difficult to stably maintain the function of the recognition molecules on the nanocarbon material, and it is difficult to immobilize the recognition molecules on the nanocarbon material at high density, so the amount of binding with the target substance does not increase. As a result, there are issues such as a decrease in sensitivity in exchange for selectivity and unsuitability for mass production.
また、特許文献2に記載のような、感ガス体ポリマーを含む層とナノカーボン材料層とを積層させる技術では、検出対象物質と選択的に相互作用する感ガス体と、抵抗値変化による検出を担うナノカーボン材料との間で直接的な電荷授受が無いために、検出感度、検出選択性いずれに対しても限定的な効果しか得られていなかった。 In addition, in the technology described in Patent Document 2, in which a layer containing a gas-sensitive polymer and a nanocarbon material layer are laminated, there is no direct charge transfer between the gas-sensitive material that selectively interacts with the substance to be detected and the nanocarbon material that detects the substance by changing the resistance value, so that only limited effects were obtained in terms of both detection sensitivity and detection selectivity.
さらに、非特許文献1に記載のように、ナノカーボン材料を用いたセンサを室温において用いて検出対象物質を検出した場合、検出対象物質の吸脱着反応に時間を要する。そのため、検出対象物質を検出器へ導入してから検出し終わるまでの応答速度や、検出後の復帰速度が遅いという課題も有していた。 Furthermore, as described in Non-Patent Document 1, when a sensor using a nanocarbon material is used at room temperature to detect a target substance, the adsorption and desorption reaction of the target substance takes time. Therefore, there is also the problem of a slow response speed from when the target substance is introduced into the detector until detection is completed, and a slow recovery speed after detection.
本発明は、これらの課題を工業的生産に適した手段によって解決し、高い検出感度を有しつつ、検出選択性と室温検出における応答速度に優れたガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention aims to solve these problems by means suitable for industrial production, and to provide a gas sensor that has high detection sensitivity, excellent detection selectivity, and excellent response speed for room temperature detection.
すなわち本発明は、基板と、第1電極と、第2電極と、前記第1電極および前記第2電極に接し、ナノカーボン材料を含有する抵抗体と、前記抵抗体と接し、高分子材料と金属酸化物および/または金属硫化物とを含有する層(以下「コート層」と称する)と、を有するガスセンサである。 That is, the present invention is a gas sensor having a substrate, a first electrode, a second electrode, a resistor containing a nanocarbon material in contact with the first electrode and the second electrode, and a layer (hereinafter referred to as a "coat layer") containing a polymer material and a metal oxide and/or a metal sulfide in contact with the resistor.
本発明によれば、単に高感度であるのみでなく、ガス種に対する選択性と応答速度にも優れるガスセンサを、再現性良く作製する手段で提供できる。 The present invention provides a method for reproducibly producing a gas sensor that is not only highly sensitive but also has excellent selectivity and response speed for each gas type.
以下、本発明に係るガスセンサの好適な実施の形態を詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、目的や用途に応じて種々に変更して実施することができる。 The following describes in detail a preferred embodiment of the gas sensor according to the present invention. However, the present invention is not limited to the following embodiment, and can be modified in various ways depending on the purpose and application.
本発明の実施の形態に係るガスセンサは、基板と、第1電極と、第2電極と、第1電極および第2電極に接し、ナノカーボン材料を含有する抵抗体と、抵抗体と接し、高分子材料と金属酸化物および/または金属硫化物とを含有する層(以下、本明細書中では便宜的に「コート層」と呼ぶ)と、を有するガスセンサである。 The gas sensor according to the embodiment of the present invention is a gas sensor having a substrate, a first electrode, a second electrode, a resistor containing a nanocarbon material in contact with the first electrode and the second electrode, and a layer containing a polymer material and a metal oxide and/or a metal sulfide in contact with the resistor (hereinafter referred to as a "coat layer" for convenience in this specification).
ガスセンサとは、特定の化学物質の存在を検出する一種の化学センサであり、被検体が気体のもののことを指す。常温・常圧においてその最安定な相が気相でないような物質であっても、通常は一定の蒸気圧を有しており、気体試料中に含まれている。この場合、気体試料中の当該物質の量は微量であることがある。本発明の実施の形態に係るガスセンサは、そのような微量の物質も検出対象とすることができる。 A gas sensor is a type of chemical sensor that detects the presence of a specific chemical substance when the test specimen is a gas. Even if the most stable phase of a substance is not a gas phase at room temperature and pressure, it usually has a certain vapor pressure and is contained in a gas sample. In this case, the amount of the substance in the gas sample may be very small. The gas sensor according to the embodiment of the present invention can detect even such small amounts of substances.
検出対象物質の検出は、第1電極と第2電極の間に一定の電圧を印加し、そこへ検出対象物質を暴露した時に両電極間に流れる電流値の変化によって行ってもよいし、第1電極と第2電極の間に一定の電流を流し続け、そこへ検出対象物質を暴露した時の印加電圧の変化によって行ってもよい。また、これらの電圧-電流の値から抵抗値を算出し、その変化によって対象物質の検出を行ってもよい。 The detection of the target substance may be performed by applying a constant voltage between the first and second electrodes and observing the change in the current flowing between the two electrodes when the target substance is exposed to the voltage, or by continuously flowing a constant current between the first and second electrodes and observing the change in the applied voltage when the target substance is exposed to the current. The target substance may also be detected by calculating the resistance value from these voltage-current values and observing the change in the resistance value.
<コート層>
コート層は、金属酸化物および/または金属硫化物を含有することにより、これと接する抵抗体の特性を改質する。このメカニズムについてはまだ不明な点も存在するが、金属酸化物および/または金属硫化物によって抵抗体中のキャリア密度および価電子帯/伝導帯の構造が変調を受けるためであると考えられる。
<Coat layer>
The coating layer contains metal oxides and/or metal sulfides, and thereby modifies the characteristics of the resistor in contact with it. Although the mechanism by which this occurs is still unclear, it is believed that the metal oxides and/or metal sulfides modulate the carrier density and the valence band/conduction band structure in the resistor.
このような効果をもたらす金属酸化物/金属硫化物の例として、以下のものが挙げられる。
金属酸化物:
酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化カルシウム、酸化銀、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化ストロンチウム、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム。
金属硫化物:
硫化亜鉛、硫化インジウム、硫化カドミウム、硫化銀、硫化タングステン、硫化ビスマス、硫化モリブデン。
Examples of metal oxides/sulfides that provide such effects include the following:
Metal oxides:
Zinc oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, indium oxide, gallium oxide, calcium oxide, silver oxide, zirconium oxide, tin oxide, strontium oxide, cerium oxide, tungsten oxide, tantalum oxide, titanium oxide, niobium oxide, hafnium oxide, magnesium oxide.
Metal sulfide:
Zinc sulfide, indium sulfide, cadmium sulfide, silver sulfide, tungsten sulfide, bismuth sulfide, molybdenum sulfide.
これらの中でも、ナノカーボン材料と有効に電子的な相互作用をしやすい、半導体特性を示すものが好ましい。さらにその中でも、酸化亜鉛、硫化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化セリウム、酸化タングステンおよび酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、高分子材料との相溶性の観点から、酸化スズおよび酸化チタンが特に好ましい。酸化スズは、SnOでも、SnO2でも、これらの混合組成のものでもよいが、SnO2の方がより半導体的であるため、より好ましい。 Among these, those that exhibit semiconductor properties and are likely to effectively interact electronically with nanocarbon materials are preferred.Furthermore, among these, at least one selected from the group consisting of zinc oxide, zinc sulfide, zirconium oxide, tin oxide, cerium oxide, tungsten oxide, and titanium oxide is preferred, and from the viewpoint of compatibility with polymer materials, tin oxide and titanium oxide are particularly preferred.The tin oxide may be SnO, SnO2 , or a mixture thereof, but SnO2 is more preferred because it is more semiconductive.
コート層を形成する方法としては、高分子材料と金属酸化物および/または金属硫化物とを含有する溶液または分散液を塗布・乾燥する方法や、高分子材料のモノマーやプレポリマーと金属酸化物および/または金属硫化物とを含有する融液、溶液または分散液を塗布し、モノマーやプレポリマーを重合し高分子材料とする方法などが挙げられる。 Methods for forming the coating layer include applying and drying a solution or dispersion containing a polymeric material and a metal oxide and/or metal sulfide, and applying a melt, solution or dispersion containing a monomer or prepolymer of the polymeric material and a metal oxide and/or metal sulfide, and polymerizing the monomer or prepolymer to form a polymeric material.
抵抗体の特性を効果的に改質するために、コート層中の金属酸化物および/または金属硫化物の少なくとも一部が、抵抗体と接していることが好ましい。金属酸化物および/または金属硫化物によって、抵抗体に含まれるナノカーボン材料の特性が改質されたことは、抵抗体の仕事関数の変化として観測することができる。仕事関数は、ガスセンサ中の抵抗体とコート層が存在する領域を斜めに切断し、その切片に対して大気中光電子分光測定を実施することにより測定することができる。 In order to effectively modify the characteristics of the resistor, it is preferable that at least a portion of the metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer is in contact with the resistor. The modification of the characteristics of the nanocarbon material contained in the resistor by the metal oxide and/or metal sulfide can be observed as a change in the work function of the resistor. The work function can be measured by obliquely cutting the region in the gas sensor where the resistor and coating layer are present and performing photoelectron spectroscopy measurement in air on the cut piece.
金属酸化物および/または金属硫化物と抵抗体との接触を安定的かつ効率的に形成させるために、コート層中で金属酸化物および/または金属硫化物は偏って存在しない方が好ましい。このようなコート層中での金属酸化物および/または金属硫化物の偏りを防ぐために、コート層中の高分子材料と金属酸化物および/または金属硫化物との間で結合が形成されていることが好ましい。典型的には高分子材料の比重よりも金属酸化物および/または金属硫化物の比重の方が大きいため、コート層形成段階で金属酸化物および/または金属硫化物が重力の方向へ偏りやすい。両者が結合によって分子レベルで繋ぎ留められていれば、このようなことは起こらない。 In order to stably and efficiently form contact between the metal oxide and/or metal sulfide and the resistor, it is preferable that the metal oxide and/or metal sulfide are not unevenly distributed in the coating layer. In order to prevent such uneven distribution of the metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer, it is preferable that bonds are formed between the polymer material in the coating layer and the metal oxide and/or metal sulfide. Typically, the specific gravity of the metal oxide and/or metal sulfide is greater than the specific gravity of the polymer material, so the metal oxide and/or metal sulfide tends to be unevenly distributed in the direction of gravity during the coating layer formation stage. This does not occur if the two are held together at the molecular level by bonds.
十分な選択性および応答速度向上の効果を得る観点から、コート層中における金属酸化物および/または金属硫化物の量は多い方が好ましい。一方で、コート層の耐クラック性を担保するためには、その量は多すぎない方がよい。これらの効果の兼ね合いから、コート層中における金属酸化物および/または金属硫化物の体積分率は、10vol%以上、60vol%以下であることが好ましく、23vol%以上、59vol%以下がより好ましく、30vol%以上、58vol%以下がさらに好ましく、37vol%以上、58vol%以下がさらにより好ましく、45vol%以上、55vol%以下が特に好ましい。 From the viewpoint of obtaining sufficient selectivity and the effect of improving response speed, it is preferable that the amount of metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer is large. On the other hand, in order to ensure the crack resistance of the coating layer, the amount should not be too large. In consideration of the balance between these effects, the volume fraction of metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer is preferably 10 vol% or more and 60 vol% or less, more preferably 23 vol% or more and 59 vol% or less, even more preferably 30 vol% or more and 58 vol% or less, even more preferably 37 vol% or more and 58 vol% or less, and particularly preferably 45 vol% or more and 55 vol% or less.
コート層中における金属酸化物および/または金属硫化物の体積分率Xvは以下のようにして求めることができる。すなわち、コート層の体積および重量からコート層の密度ρcを求め、金属酸化物および/または金属硫化物単独の密度ρmと、金属酸化物および/または金属硫化物を含まない高分子材料単独の密度ρpから、下記の式より求めることができる。ただし、Xvを百分率表示する場合は100×Xvvol%となる。 The volume fraction Xv of the metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer can be calculated as follows: the density ρc of the coating layer is calculated from the volume and weight of the coating layer, and the density ρm of the metal oxide and/or metal sulfide alone and the density ρp of the polymer material alone not containing the metal oxide and/or metal sulfide are calculated from the following formula: However, when Xv is expressed as a percentage, it is 100× Xv vol%.
コート層中の金属酸化物および/または金属硫化物は、粒子状の形状を有することが好ましい。金属酸化物および/または金属硫化物の電子特性が十分に発揮されるためには、上記粒子の数平均粒子径が大きい方が好ましい。一方、均一なコート層を再現性よく形成し、かつ金属酸化物および/または金属硫化物の比表面積を大きくし、大きな効果を得るためには、上記粒子の数平均粒子径が小さい方が好ましい。これらの効果の兼ね合いから、金属酸化物および/または金属硫化物の数平均粒子径は、1nm以上、500nm以下が好ましく、5nm以上、100nm以下がより好ましく、10nm以上、70nm以下がさらに好ましく、15nm以上、60nm以下が特に好ましい。 The metal oxide and/or metal sulfide in the coating layer preferably has a particulate shape. In order for the electronic properties of the metal oxide and/or metal sulfide to be fully exhibited, it is preferable that the number average particle diameter of the particles is large. On the other hand, in order to form a uniform coating layer with good reproducibility, increase the specific surface area of the metal oxide and/or metal sulfide, and obtain a large effect, it is preferable that the number average particle diameter of the particles is small. In consideration of these effects, the number average particle diameter of the metal oxide and/or metal sulfide is preferably 1 nm or more and 500 nm or less, more preferably 5 nm or more and 100 nm or less, even more preferably 10 nm or more and 70 nm or less, and particularly preferably 15 nm or more and 60 nm or less.
次に、抵抗体とコート層の配置について説明する。本発明の実施の形態に係るガスセンサの構造例について、その模式断面図を図1~図3に示す。 Next, the arrangement of the resistor and coating layer will be described. Schematic cross-sectional views of examples of the structure of a gas sensor according to an embodiment of the present invention are shown in Figures 1 to 3.
図1に示すガスセンサ10では、基板5の上にコート層4を有し、その上に第1電極2aおよび第2電極2bを有する。そして、第1電極2aと第2電極2bの間の領域に、両電極に接するように抵抗体3が存在する。Vは電圧計を表し、第1電極と第2電極との間の電圧を測定する。Aは電流計を表し、第1電極と第2電極との間を流れる電流を測定する。また、第1電極、第2電極を含む回路には電圧を調整可能な電源も接続されている。本発明の実施の形態に係るガスセンサを用いて検出対象物質を検出する方法としては、抵抗体を検出対象物質に暴露した際の、抵抗体の電圧値や電流値の変化によって検出してもよいし、それらの値から抵抗体の抵抗値やインピーダンスを算出し、その変化によって検出してもよい。 The gas sensor 10 shown in FIG. 1 has a coating layer 4 on a substrate 5, and a first electrode 2a and a second electrode 2b on the coating layer 4. A resistor 3 is present in the region between the first electrode 2a and the second electrode 2b so as to contact both electrodes. V represents a voltmeter, which measures the voltage between the first electrode and the second electrode. A represents an ammeter, which measures the current flowing between the first electrode and the second electrode. A power source capable of adjusting the voltage is also connected to the circuit including the first electrode and the second electrode. The method of detecting the detection target substance using the gas sensor according to the embodiment of the present invention may be detection based on the change in the voltage value or current value of the resistor when the resistor is exposed to the detection target substance, or detection based on the change in the resistance value or impedance of the resistor calculated from these values.
図2に示すガスセンサ20では、基板5の上に第1電極2aおよび第2電極2bを有する。そして、第1電極2aと第2電極2bの間の領域に、両電極に接するように抵抗体3が存在する。コート層4は、第1電極2a、第2電極2bおよび抵抗体3を覆うように形成される。すなわち、図1に示すガスセンサ10と比べると、コート層4が存在する場所が異なっている。その他の構成は図1に示すガスセンサ10と同様である。 The gas sensor 20 shown in FIG. 2 has a first electrode 2a and a second electrode 2b on a substrate 5. A resistor 3 is present in the region between the first electrode 2a and the second electrode 2b so as to contact both electrodes. A coating layer 4 is formed so as to cover the first electrode 2a, the second electrode 2b, and the resistor 3. In other words, compared to the gas sensor 10 shown in FIG. 1, the location of the coating layer 4 is different. The rest of the configuration is the same as that of the gas sensor 10 shown in FIG. 1.
図3に示すガスセンサ30は、コート層を2層有するものである。すなわち、図1に示すガスセンサ10と同様、基板5の上にコート層4bを有し、その上に第1電極2aおよび第2電極2bを有する。そして、第1電極2aと第2電極2bの間の領域に、両電極に接するように抵抗体3が存在する。さらに、コート層4aが、第1電極2a、第2電極2bおよび抵抗体3を覆うように形成される。その他の構成は図1に示すガスセンサ10と同様である。 The gas sensor 30 shown in FIG. 3 has two coating layers. That is, like the gas sensor 10 shown in FIG. 1, it has a coating layer 4b on the substrate 5, and a first electrode 2a and a second electrode 2b on top of that. Then, in the region between the first electrode 2a and the second electrode 2b, a resistor 3 is present so as to contact both electrodes. Furthermore, a coating layer 4a is formed so as to cover the first electrode 2a, the second electrode 2b, and the resistor 3. The rest of the configuration is the same as the gas sensor 10 shown in FIG. 1.
本発明の実施の形態に係るガスセンサはいずれの構造をとっても良いが、基板によって予期せず抵抗体の電気的特性が変化してしまうことを避けるため、図1や図3に示したような、コート層が、基板と抵抗体との間に存在することが好ましく、製造の容易さやばらつき要因を減らす観点から、図1に示したような、コート層を1層のみ含有し、該コート層が、基板と抵抗体との間に存在することがより好ましい。図1に示した構造は、コート層が抵抗体へのガス分子の吸着を阻害しないという観点からも好ましい。 The gas sensor according to the embodiment of the present invention may have any structure, but in order to prevent the electrical characteristics of the resistor from being unexpectedly changed by the substrate, it is preferable that a coating layer is present between the substrate and the resistor as shown in Figures 1 and 3, and from the viewpoint of ease of manufacture and reducing factors of variation, it is more preferable that the gas sensor contains only one coating layer as shown in Figure 1, and that this coating layer is present between the substrate and the resistor. The structure shown in Figure 1 is also preferable from the viewpoint that the coating layer does not inhibit the adsorption of gas molecules to the resistor.
また、図2に示した構成は、基板とナノカーボン材料との密着性が良好な場合に好ましい構成である。 The configuration shown in Figure 2 is also preferred when the adhesion between the substrate and the nanocarbon material is good.
抵抗体が複数のナノカーボン材料分子を含有する構成である場合は、特許文献1に開示されたような、個々のナノワイヤが被覆を有する形態よりも、図1~3に示した構成の方が、ナノカーボン材料どうしの直接の接触があり、良好な導電経路形成効率が得られるため、好ましい。 When the resistor contains multiple nanocarbon material molecules, the configuration shown in Figures 1 to 3 is preferable to the configuration in which each nanowire has a coating, as disclosed in Patent Document 1, because the nanocarbon materials are in direct contact with each other, resulting in good efficiency in forming conductive paths.
コート層と抵抗体との界面は平滑であってもよいし、どちらかの層に凹凸が存在することでどちらか一方の層がもう一方の層へ貫入したような形態や、相互に貫入した形態であってもよい。 The interface between the coating layer and the resistor may be smooth, or may have irregularities in either layer such that one layer penetrates into the other, or the two layers may penetrate each other.
コート層の厚さは、10nm以上、1000nm以下であることが好ましく、25nm以上、750nm以下がより好ましく、50nm以上、500nm以下が特に好ましい。この範囲の厚さにすることにより、均一な薄膜形成が容易になり、コート層に接する抵抗体の製造時のばらつき、すなわち抵抗特性のばらつきが低減する。コート層の厚さは、光干渉式膜厚測定装置により、基板上の面内10点以上を測定し、その算術平均から求めることができる。 The thickness of the coating layer is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 25 nm or more and 750 nm or less, and particularly preferably 50 nm or more and 500 nm or less. By making the thickness within this range, it becomes easier to form a uniform thin film, and the variation during manufacturing of the resistor in contact with the coating layer, i.e., the variation in the resistance characteristics, is reduced. The thickness of the coating layer can be determined by measuring 10 or more points on the surface of the substrate using an optical interference film thickness measuring device and taking the arithmetic average of the measurements.
<高分子材料>
コート層は、その強度を担保するため高分子材料を含有する。抵抗体以外の部分に電流が流れると検出対象物質の検出結果が正しく得られにくいため、用いる高分子材料は、絶縁性が高いものが好ましい。また、高分子材料は熱硬化性樹脂であってもよいし、熱可塑性樹脂であってもよい。そのような高分子材料としては、以下のようなものが例示できる。
<Polymer materials>
The coating layer contains a polymer material to ensure its strength. If a current flows through any part other than the resistor, it is difficult to obtain a correct detection result of the detection target substance, so it is preferable that the polymer material used has high insulating properties. In addition, the polymer material may be a thermosetting resin or a thermoplastic resin. Examples of such polymer materials include the following.
ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル;
ポリイミド;
ポリアミドイミド;
ポリアミド6、ポリアミド6,6、ポリアミド12、ポリアミド11などのポリアミド;
ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;
ポリビニルアルコール、ポリビニルエーテル、ポリビニルブチラール、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニルなどのビニル樹脂;
エポキシ樹脂;
キシレン樹脂;
アラミド樹脂;
ポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー(環状ポリオレフィン)、それらを変性したポリマーや、ポリ塩化ビニル、ポリスチレンなどをオレフィン変性したポリマー、などのオレフィン樹脂;
ポリイミドシリコーン;
ポリウレタン(ウレタン樹脂);
ポリウレア;
ポリシロキサン;
ポリ(p-キシレン)(パリレン);
メラミン樹脂;
フェノール樹脂;
ポリエーテル;
ポリメチルメタクリレート、ポリアクリル酸などのアクリル樹脂;
及びこれらの共重合体である。
Polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate;
Polyimide;
Polyamideimide;
Polyamides such as polyamide 6, polyamide 6,6, polyamide 12, and polyamide 11;
Fluororesins such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, and polychlorotrifluoroethylene;
Vinyl resins such as polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, and polyvinyl chloride;
Epoxy resin;
Xylene resin;
Aramid resin;
Olefin resins such as polyethylene, polypropylene, cycloolefin polymers (cyclic polyolefins), modified polymers thereof, olefin-modified polymers of polyvinyl chloride, polystyrene, etc.;
Polyimide silicone;
Polyurethane (urethane resin);
Polyurea;
Polysiloxane;
Poly(p-xylylene) (parylene);
Melamine resin;
Phenolic resin;
Polyether;
acrylic resins such as polymethyl methacrylate and polyacrylic acid;
and copolymers thereof.
これらの中でも、金属酸化物および/または金属硫化物を保持する能力が高いために本発明の効果を得やすく、かつ層形成が容易で強度も高いという観点から、コート層中の高分子材料は、ポリシロキサン化合物であることが好ましい。 Among these, it is preferable that the polymer material in the coating layer is a polysiloxane compound, because it has a high ability to retain metal oxides and/or metal sulfides, making it easier to obtain the effects of the present invention, and because the layer is easy to form and has high strength.
<ナノカーボン材料>
ナノカーボン材料としては、フラーレン、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と呼ぶ)、グラフェン、カーボンナノホーンなどがあり、それぞれについて以下に述べる。本発明においては、ナノカーボン材料どうしを組み合わせて用いてもよい。組み合わせの例として、CNTの内側にフラーレンが内包された、ピーポッドが挙げられる。
<Nanocarbon materials>
Nanocarbon materials include fullerene, carbon nanotube (hereinafter referred to as "CNT"), graphene, carbon nanohorn, etc., each of which will be described below. In the present invention, nanocarbon materials may be used in combination with each other. An example of a combination is peapod, in which fullerene is encapsulated inside CNT.
フラーレンは、炭素原子どうしがsp2混成軌道間相互作用によって結合している、多面体構造をした化合物である。多面体は、五員環と六員環とから構成される。多面体を構成する炭素数としては、60、70、74、76、78などがある。フラーレンは1分子で用いても良いし、複数のフラーレン分子が集合したフラーレンナノウィスカーや、フラーレンナノウィスカーが中空構造を形成したフラーレンナノファイバーの形態で用いても良い。 Fullerene is a compound with a polyhedral structure in which carbon atoms are bonded to each other by sp2 hybrid orbital interactions. The polyhedron is composed of five-membered rings and six-membered rings. The number of carbon atoms constituting the polyhedron is 60, 70, 74, 76, 78, etc. Fullerene may be used as a single molecule, or in the form of a fullerene nanowhisker in which a plurality of fullerene molecules are assembled, or a fullerene nanofiber in which fullerene nanowhiskers form a hollow structure.
グラフェンは、グラフェン・シートとも呼ばれ、理想的には全ての炭素原子どうしがsp2混成軌道間相互作用で結合し、六角形格子構造をとっている。グラフェンが多数積層されると、グラファイトとなる。グラフェンは、バンドギャップが存在しない特殊な半導体である。炭素の層を数原子層まで重ねたものも含めてグラフェンと呼ばれる。本発明で用いられるグラフェンは、炭素の層が10原子層以下であることが好ましく、3原子層以下であることがより好ましく、単原子層であることが特に好ましい。 Graphene is also called a graphene sheet, and ideally, all carbon atoms are bonded to each other through sp2 hybrid orbital interactions to form a hexagonal lattice structure. When many graphenes are stacked, they become graphite. Graphene is a special semiconductor that does not have a band gap. Graphene includes layers of carbon stacked up to several atomic layers. The graphene used in the present invention preferably has a carbon layer of 10 atomic layers or less, more preferably 3 atomic layers or less, and particularly preferably a monoatomic layer.
グラフェンの合成方法は、特に限定されないが、例えば機械剥離法、化学剥離法、炭化ケイ素加熱法、または熱化学気相成長法などが挙げられる。 The method for synthesizing graphene is not particularly limited, but examples include mechanical exfoliation, chemical exfoliation, silicon carbide heating, and thermal chemical vapor deposition.
グラフェンが基板上に存在することは、簡易的に光学顕微鏡によって確認することができる。光学顕微鏡による観察は簡便な方法ではあるが、注意深く観察することで、単層、2層、3層のグラフェンを見分けることも可能である。より詳細な分析にはラマン分光法が用いられる。 The presence of graphene on a substrate can be easily confirmed using an optical microscope. Although observation using an optical microscope is a simple method, careful observation makes it possible to distinguish between single-layer, double-layer, and triple-layer graphene. For more detailed analysis, Raman spectroscopy is used.
カーボンナノホーンは、グラフェンを円錐形に丸めた構造をしている。カーボンナノホーンは、室温下、アルゴンガス雰囲気中で、グラファイトに二酸化炭素レーザーを照射することで合成することができる。カーボンナノホーンの直径は、2nm以上5nm以下程度のものが好ましい。カーボンナノホーンは、分離工程を施さない場合は集合体を形成している。本発明では、集合体のまま用いてもよいし、一つ一つを分離して用いてもよい。 Carbon nanohorns have a structure in which graphene is rolled into a cone shape. Carbon nanohorns can be synthesized by irradiating graphite with a carbon dioxide laser in an argon gas atmosphere at room temperature. The diameter of the carbon nanohorn is preferably about 2 nm or more and 5 nm or less. Carbon nanohorns form aggregates unless a separation process is performed. In the present invention, the aggregates may be used as they are, or the individual nanohorns may be separated and used.
CNTとしては、1枚の炭素膜(グラフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNT、2枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNT、複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTなどが挙げられる。CNTは、アーク放電法、化学気相成長法(CVD法)、レーザー・アブレーション法等により得ることができる。 CNTs include single-walled CNTs, in which one carbon film (graphene sheet) is wound into a cylindrical shape, double-walled CNTs, in which two graphene sheets are wound concentrically, and multi-walled CNTs, in which multiple graphene sheets are wound concentrically. CNTs can be obtained by arc discharge, chemical vapor deposition (CVD), laser ablation, etc.
本発明の実施形態によるガスセンサの抵抗体に含まれるナノカーボン材料としては、上記の例が挙げられるが、生産タクトの観点、および物質吸着によって大きな抵抗変化を引き起こす電子構造を有することから、CNTが特に好ましい。CNTの中でも、検出対象物質の吸着による抵抗変化によって検出する原理のため、すべてのCNTに検出対象物質が接近できる方が好ましい。すなわち、単層CNTを用いることが好ましい。 The above-mentioned examples are given as examples of nanocarbon materials contained in the resistor of the gas sensor according to the embodiment of the present invention, but CNTs are particularly preferred from the viewpoint of production takt and because they have an electronic structure that causes a large change in resistance due to the adsorption of a substance. Among CNTs, it is preferable that the target substance can be accessible to all CNTs, since the principle of detection is based on the change in resistance due to the adsorption of the target substance. In other words, it is preferable to use single-walled CNTs.
単層CNTの中でも、炭素膜の巻き方により、金属的性質を示すCNTと半導体的性質を示すCNTが存在する。本発明に係るガスセンサの一形態として、検出対象物質の吸着による抵抗体の抵抗変化で検出するものが考えられる。この場合、抵抗体はより半導体的性質を有している方が検出シグナル強度は大きくなり、好ましい。 Among single-walled CNTs, there are CNTs that exhibit metallic properties and CNTs that exhibit semiconducting properties, depending on how the carbon film is wound. One form of gas sensor according to the present invention is one that detects the change in resistance of a resistor due to the adsorption of the substance to be detected. In this case, it is preferable for the resistor to have more semiconducting properties, as this will increase the detection signal strength.
ガスセンサの生産性を考慮した場合、単一のCNTを電極間に配置または成長させる方法よりも、CNTの分散液や懸濁液を第1電極と第2電極の間の領域に塗布や電気泳動により配置する方法の方が好ましい。この場合は電極間に複数のCNTが存在することになり、半導体型CNTの割合が高い方が好ましい。すなわち、抵抗体が複数の単層CNTを含有し、該複数の単層CNTのうち、80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上のものが半導体型単層CNTであることが好ましい。 When considering the productivity of the gas sensor, a method in which a dispersion or suspension of CNTs is applied or electrophoretically arranged in the region between the first and second electrodes is more preferable than a method in which a single CNT is arranged or grown between the electrodes. In this case, multiple CNTs will be present between the electrodes, and it is preferable that the proportion of semiconducting CNTs is high. In other words, it is preferable that the resistor contains multiple single-walled CNTs, and that 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more of the multiple single-walled CNTs are semiconducting single-walled CNTs.
半導体型が80%以上のCNTを得る方法としては、既知の方法を用いることができる。例えば、密度勾配剤の共存下で超遠心する方法、特定の化合物を選択的に半導体型もしくは金属型CNTの表面に付着させ、溶解性の差を利用して分離する方法、電気的性質の差を利用し電気泳動等により分離する方法などが挙げられる。本発明における半導体型CNTの含有率は、ラマンスペクトルにおいて、金属型CNTのピーク面積と半導体型CNTのピーク面積との比から算出される値である。 Methods for obtaining CNT with 80% or more semiconducting content can be achieved by known methods. Examples include ultracentrifugation in the presence of a density gradient agent, selectively attaching a specific compound to the surface of semiconducting or metallic CNT and separating them by utilizing the difference in solubility, and electrophoresis or other methods that utilize the difference in electrical properties. The content of semiconducting CNT in the present invention is a value calculated from the ratio of the peak area of metallic CNT to the peak area of semiconducting CNT in the Raman spectrum.
また、複数本からなるCNTを抵抗体に用いる場合には、その密度もガスセンサの検出シグナル強度に影響を与える。抵抗体の抵抗値が測定可能な範囲であれば、どのような密度でも構わない。測定時の機器誤差抑制の観点から、抵抗値は大き過ぎない方がよいため、CNT密度はある程度大きい方が良い。一方で、CNTが密に充填されていると、CNT集合体内部はガス検出に関与しにくくなるため、CNT密度はある程度小さい方が良い。これらの効果の兼ね合いから、CNT密度は、40本/μm2以上、500本/μm2以下が好ましい。 In addition, when a plurality of CNTs are used as a resistor, the density also affects the detection signal strength of the gas sensor. Any density is acceptable as long as the resistance value of the resistor is within a measurable range. From the viewpoint of suppressing instrumental errors during measurement, it is better for the resistance value not to be too large, so it is better for the CNT density to be somewhat large. On the other hand, if the CNTs are densely packed, the inside of the CNT aggregate is less likely to be involved in gas detection, so it is better for the CNT density to be somewhat small. In consideration of the balance between these effects, the CNT density is preferably 40/μm2 or more and 500/μm2 or less .
CNT密度は以下のようにして求める。すなわち、抵抗体中の任意の10μm四方の領域を、原子間力顕微鏡(AFM)によって観察し、得られた画像中に存在するCNTの本数を数えることによって算出する。 The CNT density is calculated as follows: An arbitrary 10 μm square area in the resistor is observed with an atomic force microscope (AFM), and the number of CNTs present in the obtained image is counted.
本発明において、CNTの長さは、適用されるセンサにおける、第1電極と第2電極との間の距離よりも短いことが好ましい。具体的には、CNTの平均長さは、電極間距離によるが、好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下である。CNTの平均長さとは、ランダムに選択した20本のCNTの長さの平均値を言う。CNT平均長さの測定方法としては、AFM、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡等(TEM)で得た画像の中から、20本のCNTをランダムに選択し、それらの長さの平均値を得る方法が挙げられる。 In the present invention, the length of the CNT is preferably shorter than the distance between the first and second electrodes in the sensor to which it is applied. Specifically, the average length of the CNT depends on the distance between the electrodes, but is preferably 2 μm or less, more preferably 1 μm or less. The average length of the CNT refers to the average value of the lengths of 20 randomly selected CNTs. One method for measuring the average CNT length is to randomly select 20 CNTs from images obtained by AFM, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), etc., and obtain the average length.
一般に市販されているCNTは長さに分布があり、電極間距離よりも長いCNTが含まれることがあるため、CNTを電極間距離よりも短くする工程を加えることが好ましい。例えば、硝酸、硫酸などによる酸処理、超音波処理、または凍結粉砕法などにより短繊維状にカットする方法が有効である。またフィルターによる分離を併用することは、純度を向上させる点でさらに好ましい。 Generally, commercially available CNTs have a distribution in length and may contain CNTs longer than the distance between the electrodes, so it is preferable to add a process to make the CNTs shorter than the distance between the electrodes. For example, methods such as acid treatment with nitric acid or sulfuric acid, ultrasonic treatment, or cutting into short fibers using a freeze-pulverization method are effective. In addition, it is even more preferable to use separation using a filter in order to improve purity.
また、CNTの直径は特に限定されないが、0.5nm以上100nm以下が好ましく、より好ましくは1nm以上50nm以下である。 The diameter of the CNTs is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 50 nm or less.
<共役系重合体>
本発明の実施形態に係るガスセンサにおいては、抵抗体が、ナノカーボン材料に加えてさらに共役系重合体を含有することが好ましい。これは、共役系重合体によってナノカーボン材料間やナノカーボン材料と電極との電気的接触を補強するためである。例えば、CNTの場合、各CNTは円筒形をしているため、CNT間の接触は極めて小さな領域となる。CNTは高い導電性を有するため、小さな接触領域でもCNT間の電荷キャリアの受け渡しは十分行うことができるが、接触点付近に共役系重合体を配置し、それに電荷キャリアの受け渡しを補助させる方がより好ましい。
<Conjugated Polymer>
In the gas sensor according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the resistor further contains a conjugated polymer in addition to the nanocarbon material. This is because the conjugated polymer reinforces the electrical contact between the nanocarbon materials and between the nanocarbon material and the electrode. For example, in the case of CNTs, each CNT is cylindrical, so the contact between the CNTs is an extremely small area. Since CNTs have high electrical conductivity, charge carriers can be sufficiently transferred between CNTs even in a small contact area, but it is more preferable to place a conjugated polymer near the contact point and have it assist in the transfer of charge carriers.
共役系重合体とは、モノマーユニット内において、またはモノマーユニット内および隣接するモノマーユニット間において、原子間の多重結合の共役系が連なっている重合体のことである。 A conjugated polymer is a polymer in which a conjugated system of multiple bonds between atoms is connected within a monomer unit, or within a monomer unit and between adjacent monomer units.
共役系重合体としては、ポリチオフェン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリ-p-フェニレン系重合体、ポリ-p-フェニレンビニレン系重合体などが挙げられるが、特に限定されない。上述した重合体は単一のモノマーユニットが並んだものが好ましく用いられるが、異なるモノマーユニットをブロック共重合したもの、ランダム共重合したもの、グラフト共重合したものも用いられる。 Examples of conjugated polymers include, but are not limited to, polythiophene-based polymers, polypyrrole-based polymers, polyaniline-based polymers, polyacetylene-based polymers, poly-p-phenylene-based polymers, and poly-p-phenylenevinylene-based polymers. The above-mentioned polymers are preferably those in which a single monomer unit is arranged, but those in which different monomer units are block copolymerized, random copolymerized, or graft copolymerized can also be used.
上述した重合体の中でも、共役系の電子軌道が大きく、半導体成分との相互作用が大きくなる観点から、繰り返し単位中に硫黄原子を含む複素環が存在する共役系重合体が好ましい。その中でも、半導体成分への付着が強固であり、電子伝導補助効果の高いため、繰り返し単位中にチオフェン環構造を有する共役系重合体が特に好ましい。 Among the above-mentioned polymers, conjugated polymers having a heterocycle containing a sulfur atom in the repeating unit are preferred, from the viewpoint of the large electron orbital of the conjugated system and the strong interaction with the semiconductor component. Among them, conjugated polymers having a thiophene ring structure in the repeating unit are particularly preferred, since they have strong adhesion to the semiconductor component and a high electron conduction auxiliary effect.
共役系重合体の好ましい分子量は、数平均分子量で800以上100000以下である。また、上述した重合体は必ずしも高分子量である必要はなく、直鎖状共役系からなるオリゴマーであってもよい。 The preferred molecular weight of the conjugated polymer is 800 or more and 100,000 or less in number average molecular weight. In addition, the above-mentioned polymer does not necessarily have to have a high molecular weight, and may be an oligomer consisting of a linear conjugated system.
本発明で用いられる共役系重合体は、公知の方法により合成することができる。モノマーを合成するには、例えば、チオフェンと、カルボキシ基を末端に有するアルキル基を導入したチオフェン誘導体とをカップリングする方法が挙げられる。その具体例として、ハロゲン化したチオフェン誘導体と、チオフェンボロン酸またはチオフェンボロン酸エステルとを、パラジウム触媒下でカップリングする方法、ハロゲン化したチオフェン誘導体と、チオフェングリニャール試薬とを、ニッケルまたはパラジウム触媒下でカップリングする方法などが挙げられる。このようなモノマーを用いて重合反応を行うことによって、側鎖としてカルボキシ基を末端に有するアルキル鎖を導入したポリチオフェン系重合体が得られる。また、チオフェン以外の共役系ユニットとチオフェンとを同様の方法でカップリングさせたものをモノマーユニットとすることもできる。そのようにして得られたモノマーユニットの末端に重合性置換基を導入し、パラジウム触媒やニッケル触媒下で重合を進行させることで、チオフェン以外の共役系ユニットを含む共役系重合体を得ることができる。 The conjugated polymer used in the present invention can be synthesized by a known method. For example, a method of coupling thiophene with a thiophene derivative having an alkyl group at the end of the carboxyl group can be used to synthesize a monomer. Specific examples of such a method include a method of coupling a halogenated thiophene derivative with thiophene boronic acid or thiophene boronic acid ester under a palladium catalyst, and a method of coupling a halogenated thiophene derivative with a thiophene Grignard reagent under a nickel or palladium catalyst. By carrying out a polymerization reaction using such a monomer, a polythiophene polymer having an alkyl chain at the end of the carboxyl group as a side chain can be obtained. In addition, a monomer unit can be obtained by coupling a conjugated unit other than thiophene with thiophene in a similar manner. A polymerizable substituent can be introduced at the end of the monomer unit obtained in this way, and polymerization can be carried out under a palladium catalyst or nickel catalyst to obtain a conjugated polymer containing a conjugated unit other than thiophene.
本発明で用いられる共役系重合体からは、合成過程で使用した原料や副生成物などの不純物を除去することが好ましい。その方法として、例えば、シリカゲルカラムグラフィー法、ソックスレー抽出法、濾過法、イオン交換法、キレート法などを用いることができる。これらの方法を2種以上組み合わせてもよい。 It is preferable to remove impurities such as raw materials and by-products used in the synthesis process from the conjugated polymer used in the present invention. For example, silica gel columnography, Soxhlet extraction, filtration, ion exchange, and chelate methods can be used for this purpose. Two or more of these methods may be combined.
電荷キャリアの受け渡しを補助する目的から、共役系重合体はナノカーボン材料の少なくとも一部に付着していることが好ましく、ナノカーボン材料がCNTやカーボンナノホーンの場合、それらの側壁に付着していることがより好ましい。共役系重合体がナノカーボン材料に付着していることを確認する手段としては、反射スペクトルを測定し、ナノカーボン単独のスペクトルから変化していることを確認する方法がある。フラーレン、CNT、カーボンナノホーンといった、細い形状のナノカーボン材料ならば、AFMによって、ナノカーボン材料に共役系重合体が付着している様子を直接観測することもできる。 For the purpose of assisting the transfer of charge carriers, it is preferable that the conjugated polymer is attached to at least a part of the nanocarbon material, and if the nanocarbon material is CNT or carbon nanohorn, it is more preferable that it is attached to the sidewall. One method for confirming that the conjugated polymer is attached to the nanocarbon material is to measure the reflection spectrum and confirm that it has changed from the spectrum of the nanocarbon alone. For nanocarbon materials with thin shapes such as fullerenes, CNTs, and carbon nanohorns, it is also possible to directly observe the state in which the conjugated polymer is attached to the nanocarbon material using an AFM.
ここで言う「付着」とは、異種の物質が互いに接触し、分子間相互作用によって容易に離れなくなることを指す。このような分子間相互作用としては、疎水性相互作用、π-π電子相互作用、カチオン-π相互作用、複数の静電相互作用、または複数の水素結合などが挙げられる。 The term "attachment" here refers to dissimilar substances coming into contact with each other and not easily separating due to intermolecular interactions. Examples of such intermolecular interactions include hydrophobic interactions, π-π electron interactions, cation-π interactions, multiple electrostatic interactions, or multiple hydrogen bonds.
<基板>
基板に用いられる材料としては、特に制限はなく、例えば、シリコンウエハ、ガラス、アルミナ焼結体等の無機材料、脂肪族ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリシロキサン、ポリビニルフェノール、ポリアラミド等の有機材料、または無機材料粉末と有機材料の混合物等が挙げられる。これらの材料は単独で用いてもよく、これらのうちの複数の材料を積層または混合して用いてもよい。
<Substrate>
The material used for the substrate is not particularly limited, and examples thereof include inorganic materials such as silicon wafers, glass, and sintered alumina, organic materials such as aliphatic polyesters, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyparaxylene, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polysiloxane, polyvinylphenol, and polyaramid, and mixtures of inorganic material powders and organic materials. These materials may be used alone, or a plurality of these materials may be laminated or mixed for use.
本発明の実施の形態に掛かるガスセンサにおいては、繰り返しガス検出をするために、基板にヒーターが備え付けられていることが好ましい。ガス検出後にヒーターによってガスセンサを加熱することで、吸着したガス分子を脱着することができる。すなわち、ガスセンサを再生(クリーニング)し、繰り返し使用することができる。用いるヒーターは、特に限定されないが、小型で低消費電力なMicro Electro Mechanical Systems(MEMS)ヒーターが好ましい。 In the gas sensor according to the embodiment of the present invention, it is preferable that a heater is provided on the substrate in order to perform repeated gas detection. By heating the gas sensor with the heater after gas detection, the adsorbed gas molecules can be desorbed. In other words, the gas sensor can be regenerated (cleaned) and used repeatedly. The heater used is not particularly limited, but a small, low-power Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) heater is preferable.
<電極>
第1電極および第2電極に用いられる材料としては、例えば、酸化錫、酸化インジウム、酸化錫インジウム(ITO)などの導電性金属酸化物;白金、金、銀、銅、鉄、錫、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、パラジウム、モリブデンなどの金属やこれらの合金;ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質;ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸との錯体などの有機導電性物質;CNT、グラフェンなどのナノカーボン材料;導電性カーボンブラックなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。第1電極および第2電極においては、これらの材料を単独で用いてもよいし、これらのうち複数の材料を積層または混合して用いてもよい。
<Electrode>
Examples of materials used for the first electrode and the second electrode include, but are not limited to, conductive metal oxides such as tin oxide, indium oxide, and indium tin oxide (ITO); metals such as platinum, gold, silver, copper, iron, tin, zinc, aluminum, indium, chromium, lithium, sodium, potassium, cesium, calcium, magnesium, palladium, and molybdenum, and alloys thereof; inorganic conductive substances such as copper iodide and copper sulfide; organic conductive substances such as polythiophene, polypyrrole, polyaniline, and a complex of polyethylenedioxythiophene and polystyrenesulfonic acid; nanocarbon materials such as CNT and graphene; and conductive carbon black. In the first electrode and the second electrode, these materials may be used alone, or a plurality of these materials may be stacked or mixed.
本発明に係るガスセンサにおける電極として用いる場合、腐食性ガスなどに対する安定性の観点から、金、銀、白金、パラジウム、有機導電性物質、およびナノカーボン材料から選ばれることが好ましい。 When used as an electrode in the gas sensor according to the present invention, it is preferable to select from gold, silver, platinum, palladium, organic conductive substances, and nanocarbon materials from the viewpoint of stability against corrosive gases, etc.
第1電極および第2電極の幅、厚み、間隔、および配置は、任意に設計できる。各電極の幅は、1μm以上1mm以下が好ましく、各電極の厚みは、1nm以上1μm以下が好ましい。第1電極と第2電極との間隔は、1μm以上、10mm以下が好ましい。各電極の平面形状は矩形に限定されるものではなく、曲線が含まれていても、櫛形などになっていてもよい。また、各電極の幅、厚みは同一でなくてもよい。 The width, thickness, spacing, and arrangement of the first and second electrodes can be designed as desired. The width of each electrode is preferably 1 μm or more and 1 mm or less, and the thickness of each electrode is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. The spacing between the first and second electrodes is preferably 1 μm or more and 10 mm or less. The planar shape of each electrode is not limited to a rectangle, and may include curves or be comb-shaped. In addition, the width and thickness of each electrode do not have to be the same.
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例になんら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.
用いた化合物のうち略語を使用したものについて、以下に示す。
MeSi:メチルトリメトキシシラン
SucSi:3-トリメトキシシリルプロピルコハク酸無水物
NapSi:1-ナフチルトリメトキシシラン
DAA:ジアセトンアルコール(別名:4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン)
PGMEA:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート。
Among the compounds used, the abbreviations are shown below.
MeSi: Methyltrimethoxysilane SucSi: 3-trimethoxysilylpropylsuccinic anhydride NapSi: 1-naphthyltrimethoxysilane DAA: Diacetone alcohol (also known as 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone)
PGMEA: propylene glycol monomethyl ether acetate.
実施例1
(1)抵抗体に使用するCNTの分散液の調製
ポリ-3-ヘキシルチオフェン(P3HT、Sigma-Aldrich社製、レジオレギュラー、数平均分子量(Mn):13000)0.10gをクロロホルム5mLの入ったフラスコの中に加え、超音波洗浄機(井内盛栄堂(株)製US-2、出力120W)中で超音波撹拌することによりP3HTのクロロホルム溶液を得た。次いでこの溶液を、メタノール20mLと0.1規定塩酸10mLの混合溶液の中に0.5mLずつ滴下して、再沈殿を行った。固体になったP3HTを0.1μm孔径のメンブレンフィルター(PTFE社製:4フッ化エチレン)によって濾別捕集し、メタノールでよくすすいだ後、真空乾燥により溶媒を除去した。さらにもう一度溶解と再沈殿を行い、90mgの再沈殿P3HTを得た。
Example 1
(1) Preparation of a dispersion of CNT to be used in a resistor 0.10 g of poly-3-hexylthiophene (P3HT, manufactured by Sigma-Aldrich, regioregular, number average molecular weight (Mn): 13,000) was added to a flask containing 5 mL of chloroform, and ultrasonic stirring was performed in an ultrasonic cleaner (US-2 manufactured by Iuchi Seiei-do Co., Ltd., output 120 W) to obtain a chloroform solution of P3HT. Next, 0.5 mL of this solution was dropped into a mixed solution of 20 mL of methanol and 10 mL of 0.1 N hydrochloric acid to perform reprecipitation. The solidified P3HT was collected by filtration using a membrane filter (manufactured by PTFE Co., Ltd.: tetrafluoroethylene) with a pore size of 0.1 μm, rinsed thoroughly with methanol, and the solvent was removed by vacuum drying. Dissolution and reprecipitation were performed once more to obtain 90 mg of reprecipitated P3HT.
次に、CNT-A(Sigma-Aldrich社製、(6,5)カイラリティー単層CNT、純度95%)1.5mgと、上記P3HT1.5mgを15mLのクロロホルム中に加え、氷冷しながら超音波ホモジナイザー(東京理化器械(株)製VCX-500)を用いて出力250Wで30分間超音波撹拌した。超音波照射を30分行った時点で一度照射を停止し、P3HTを1.5mg追加し、さらに1時間超音波照射した。さらに、メンブレンフィルター(孔径10μm、直径25mm、ミリポア社製オムニポアメンブレン)を用いてろ過を行い、長さ10μm以上のCNT複合体および凝集塊を除去した。得られたろ液5mLにジクロロベンゼン45mLを加え、P3HTが付着したCNT-Aを含むCNT分散液A(溶媒に対するCNT複合体濃度0.01g/L)とした。 Next, 1.5 mg of CNT-A (Sigma-Aldrich, (6,5) chirality single-walled CNT, purity 95%) and 1.5 mg of the above P3HT were added to 15 mL of chloroform, and the mixture was ultrasonically stirred for 30 minutes at 250 W output using an ultrasonic homogenizer (Tokyo Rikakikai Co., Ltd. VCX-500) while cooling on ice. After 30 minutes of ultrasonic irradiation, the irradiation was stopped once, 1.5 mg of P3HT was added, and ultrasonic irradiation was continued for another hour. Furthermore, filtration was performed using a membrane filter (pore size 10 μm, diameter 25 mm, Millipore Omnipore membrane) to remove CNT complexes and aggregates with a length of 10 μm or more. 45 mL of dichlorobenzene was added to 5 mL of the obtained filtrate to obtain CNT dispersion A containing CNT-A with P3HT attached (CNT complex concentration in solvent 0.01 g/L).
(2)コート層に使用する高分子材料の合成と塗布液調製
三口フラスコにMeSiを10.90g(0.08mol)、SucSiを5.25g(0.02mol)、NapSiを24.84g(0.10mol)、DAAを51.14g仕込み、室温で撹拌しながら水11.16gにリン酸0.205g(仕込みモノマーに対して0.50質量%)を溶かしたリン酸水溶液を10分間かけて添加した。その後、フラスコを40℃のオイルバスに浸けて60分間撹拌した後、オイルバスを30分間かけて115℃まで昇温した。昇温開始1時間後に溶液の内温が100℃に到達し、そこから2時間加熱撹拌した(内温は100~110℃)。加熱撹拌して得られた樹脂溶液を氷浴にて冷却した後、陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂を、それぞれ樹脂溶液に対して2重量%加えて12時間撹拌した。撹拌後、陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂をろ過して除去し、ポリシロキサンAの溶液を得た。なお、昇温および加熱撹拌中、窒素を0.05L/分で流した。反応中に副生成物であるメタノール、水が合計19.82g留出した。得られたポリシロキサンA溶液の固形分濃度は33質量%であった。
(2) Synthesis of polymeric material used for coating layer and preparation of coating solution A three-neck flask was charged with 10.90g (0.08mol) of MeSi, 5.25g (0.02mol) of SucSi, 24.84g (0.10mol) of NapSi, and 51.14g of DAA, and an aqueous phosphoric acid solution was added over 10 minutes, in which 0.205g of phosphoric acid (0.50% by mass relative to the charged monomer) was dissolved in 11.16g of water while stirring at room temperature. The flask was then immersed in a 40°C oil bath and stirred for 60 minutes, after which the oil bath was heated to 115°C over 30 minutes. One hour after the start of the temperature rise, the internal temperature of the solution reached 100°C, and the solution was heated and stirred for 2 hours (internal temperature was 100-110°C). The resin solution obtained by heating and stirring was cooled in an ice bath, and then 2% by weight of anion exchange resin and cation exchange resin were added to the resin solution, and stirred for 12 hours. After stirring, the anion exchange resin and the cation exchange resin were removed by filtration to obtain a solution of polysiloxane A. During the temperature increase and the heating and stirring, nitrogen was passed at 0.05 L/min. During the reaction, a total of 19.82 g of by-products, methanol and water, was distilled out. The solid content concentration of the obtained polysiloxane A solution was 33 mass%.
これとは別に、酸化スズ(IV)(関東化学(株)製)1.0gを、DAA100mLへ入れ、超音波ホモジナイザーを用いて出力250Wで3時間超音波撹拌することにより、酸化スズ懸濁液Aを調製した。 Separately, tin oxide suspension A was prepared by adding 1.0 g of tin (IV) oxide (Kanto Chemical Co., Ltd.) to 100 mL of DAA and ultrasonically stirring the mixture for 3 hours at 250 W output using an ultrasonic homogenizer.
(3)ガスセンサ作製
ポリシロキサンA溶液69.49g、DFX-18(フッ素系界面活性剤、(株)ネオス製)を100ppm、DAA60.77g、PGMEA36.65g、酸化スズ懸濁液A39.29gを混合、撹拌して均一溶液とすることで、ポリシロキサンA塗布液1を得た。得られたポリシロキサンA塗布液1をガラス製基板(厚み0.7mm)上に、スピンコート(800rpm×20秒)し、ホットプレ-トを用いて180℃、60分加熱処理することによって、膜厚400nmのコート層を形成した。この場合、コート層中のSnO2体積分率は25vol%となる。
(3) Gas sensor preparation 69.49 g of polysiloxane A solution, 100 ppm of DFX-18 (fluorine-based surfactant, manufactured by Neos Co., Ltd.), 60.77 g of DAA, 36.65 g of PGMEA, and 39.29 g of tin oxide suspension A were mixed and stirred to obtain a homogeneous solution, thereby obtaining polysiloxane A coating solution 1. The obtained polysiloxane A coating solution 1 was spin-coated (800 rpm x 20 seconds) onto a glass substrate (thickness 0.7 mm), and heated at 180°C for 60 minutes using a hot plate to form a coating layer with a thickness of 400 nm. In this case, the volume fraction of SnO2 in the coating layer was 25 vol%.
次に、コート層上に、抵抗加熱法により、金を膜厚50nmになるように真空蒸着し、その上にフォトレジスト(商品名「LC140-10cP」、ローム・アンド・ハース(株)製)をスピンコート(1000rpm×20秒)し、100℃で10分加熱乾燥した。作製したフォトレジスト膜をパラレルライトマスクアライナー(キヤノン(株)製PLA-501F)を用いて、フォトマスクを介してパターン露光した後、自動現像装置(滝沢産業(株)製AD-2000)を用いて2.38質量%TMAH水溶液であるELM-D(商品名、三菱ガス化学(株)製)で60秒間シャワー現像し、次いで水で30秒間洗浄した。その後、AURUM-302(商品名、関東化学(株)製)で5分間エッチング処理した後、水で30秒間洗浄した。AZリムーバ100(商品名、メルクパフォーマンスマテリアルズ(株)製)に5分間浸漬してレジストを剥離し、水で30秒間洗浄後、120℃で20分間加熱乾燥することで第1電極および第2電極を形成した。 Next, gold was vacuum-deposited onto the coating layer by resistance heating to a film thickness of 50 nm, and then photoresist (product name "LC140-10cP", manufactured by Rohm and Haas Co., Ltd.) was spin-coated (1000 rpm x 20 seconds) on top of the gold, and dried by heating at 100°C for 10 minutes. The photoresist film thus produced was pattern-exposed through a photomask using a parallel light mask aligner (PLA-501F, manufactured by Canon Inc.), and then shower-developed for 60 seconds with ELM-D (product name, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.), a 2.38% by mass TMAH aqueous solution, using an automatic developing device (AD-2000, manufactured by Takizawa Sangyo Co., Ltd.), and then washed with water for 30 seconds. The film was then etched for 5 minutes with AURUM-302 (product name, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), and then washed with water for 30 seconds. The resist was removed by immersing the substrate in AZ Remover 100 (product name, manufactured by Merck Performance Materials Co., Ltd.) for 5 minutes, washed with water for 30 seconds, and then heated and dried at 120°C for 20 minutes to form the first and second electrodes.
これら両電極の幅は100μm、両電極の間隔(電極間距離)は10μmとした。電極が形成された基板上に上記(1)で調製したCNT分散液Aをインクジェット装置(クラスターテクノロジー(株)製)を用いて400pL滴下し、ホットプレート上で窒素気流下、150℃で30分の熱処理を行い、抵抗体を形成した。以上の手順によって、図1に示す構造のガスセンサAを作製した。 The width of both electrodes was 100 μm, and the distance between the electrodes (electrode distance) was 10 μm. 400 pL of the CNT dispersion A prepared in (1) above was dropped onto the substrate on which the electrodes were formed using an inkjet device (manufactured by Cluster Technology Co., Ltd.), and heat treatment was performed on a hot plate under a nitrogen gas flow at 150°C for 30 minutes to form a resistor. By using the above procedure, gas sensor A with the structure shown in Figure 1 was produced.
(4)ガスセンサ評価
作製したガスセンサAを、直径5cmのガラス管内に配置し、キャリアガスとして空気を流速1L/minで流しながら、その気流中に測定対象ガスを混合することによりガスセンサを測定対象ガスに暴露させた。ガスに対する応答は、Keithley DMM6500を用いて抵抗値を測定し、ガスセンサを検出対象のガスに暴露した際の抵抗値変化率を下記式によって算出することで評価した。
(抵抗値変化率[%])=100×|R-R0|÷R0
ここで、
R:検出対象ガス暴露後の抵抗値
R0:検出対象ガス暴露前の抵抗値
である。なお、本測定は室温(25℃)にて行った。
(4) Gas sensor evaluation The fabricated gas sensor A was placed in a glass tube with a diameter of 5 cm, and the gas sensor was exposed to the gas to be measured by mixing the gas to be measured into the air flow while air was flowing as a carrier gas at a flow rate of 1 L/min. The response to the gas was evaluated by measuring the resistance value using a Keithley DMM6500 and calculating the rate of change in resistance value when the gas sensor was exposed to the gas to be detected using the following formula.
(Resistance change rate [%])=100×|R−R 0 |÷R 0
Where:
R: resistance value after exposure to the gas to be detected R 0 : resistance value before exposure to the gas to be detected The measurements were carried out at room temperature (25° C.).
また、応答速度の評価は、以下のように行った。ガスセンサを検出対象ガスに十分長い時間暴露すると、抵抗値はある値に収束する。ガス暴露開始から収束値の95%に到達するまでに要した時間をガス応答速度τ(min)とした。 The response speed was evaluated as follows: When the gas sensor is exposed to the gas to be detected for a sufficiently long time, the resistance value converges to a certain value. The time required from the start of gas exposure to reaching 95% of the convergence value was defined as the gas response speed τ (min).
測定対象ガスとしては、1ppmのアンモニア(NH3)および二酸化窒素(NO2)を用いた。アンモニアは代表的な還元性ガスであり、二酸化窒素は代表的な酸化性ガスである。これらのガスに対する検出選択性の指標として、暴露時の抵抗変化率が大きい方のガスによる抵抗変化率を、抵抗変化率が小さい方のガスによる抵抗変化率で割った値(検出比)を用いた。 The measurement gases used were 1 ppm ammonia ( NH3 ) and nitrogen dioxide ( NO2 ). Ammonia is a typical reducing gas, and nitrogen dioxide is a typical oxidizing gas. As an index of detection selectivity for these gases, the resistance change rate due to the gas with the larger resistance change rate upon exposure divided by the resistance change rate due to the gas with the smaller resistance change rate (detection ratio) was used.
ガスセンサAについての評価結果を表1に記す。NH3暴露時の方がNO2暴露時よりも大きな抵抗変化率を示し、NH3検出選択性を有していた。 The evaluation results for gas sensor A are shown in Table 1. The resistance change rate was larger when exposed to NH3 than when exposed to NO2 , and the gas sensor A had NH3 detection selectivity.
実施例2
DAA60.77gと酸化スズ懸濁液A39.29gを用いる代わりに、DAA100.03g、DAAを溶媒とした酸化チタン(TiO2)懸濁液(日揮触媒化成(株)製、20.9wt%)0.033gを用いて、実施例1(3)と同様の方法で、ポリシロキサンA塗布液2を調製し、ガスセンサBを作製した。この場合、コート層中のTiO2体積分率は25vol%となる。
Example 2
Instead of using 60.77 g of DAA and 39.29 g of tin oxide suspension A, 100.03 g of DAA and 0.033 g of titanium oxide ( TiO2 ) suspension (20.9 wt %, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) in which DAA is used as a solvent were used to prepare polysiloxane A coating solution 2 in the same manner as in Example 1 (3), and gas sensor B was fabricated. In this case, the volume fraction of TiO2 in the coating layer was 25 vol %.
ガスセンサBについての評価結果を表1に記す。NH3暴露時の方がNO2暴露時よりも大きな抵抗変化率を示し、NH3検出選択性を有していた。 The evaluation results for gas sensor B are shown in Table 1. The resistance change rate was larger when exposed to NH3 than when exposed to NO2 , and the gas sensor B had NH3 detection selectivity.
実施例3
(1)コート層に使用する高分子材料の合成
三口フラスコにMeSiを10.90g(0.08mol)、SucSiを5.25g(0.02mol)、NapSiを24.84g(0.10mol)、酸化チタン(TiO2)懸濁液(20.9wt%)188.74g、DAA90.88gを仕込み、室温で撹拌しながら水11.16gにリン酸0.205g(仕込みモノマーに対して0.50質量%)を溶かしたリン酸水溶液を10分間かけて添加した。その後、フラスコを40℃のオイルバスに浸けて60分間撹拌した後、オイルバスを30分間かけて115℃まで昇温した。昇温開始1時間後に溶液の内温が100℃に到達し、そこから2時間加熱撹拌した(内温は100~110℃)。加熱撹拌して得られた樹脂溶液を氷浴にて冷却した後、陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂を、それぞれ樹脂溶液に対して2重量%加えて12時間撹拌した。撹拌後、陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂をろ過して除去し、TiO2粒子が結合したポリシロキサンの溶液(ポリシロキサンB溶液)を得た。なお、昇温および加熱撹拌中、窒素を0.05L/分で流した。反応中に副生成物であるメタノール、水が合計121.19g留出した。得られたポリシロキサンB溶液の固形分濃度は33質量%であった。
Example 3
(1) Synthesis of polymeric material used for coating layer 10.90g (0.08mol) of MeSi, 5.25g (0.02mol) of SucSi, 24.84g (0.10mol) of NapSi, 188.74g of titanium oxide (TiO 2 ) suspension (20.9wt%), and 90.88g of DAA were charged into a three-neck flask, and an aqueous phosphoric acid solution in which 0.205g of phosphoric acid (0.50% by mass relative to the charged monomer) was dissolved in 11.16g of water was added over 10 minutes while stirring at room temperature. After that, the flask was immersed in a 40°C oil bath and stirred for 60 minutes, and the oil bath was heated to 115°C over 30 minutes. One hour after the start of the temperature rise, the internal temperature of the solution reached 100°C, and it was heated and stirred for 2 hours from there (internal temperature was 100-110°C). After the resin solution obtained by heating and stirring was cooled in an ice bath, 2% by weight of anion exchange resin and cation exchange resin were added to the resin solution and stirred for 12 hours. After stirring, the anion exchange resin and cation exchange resin were filtered and removed to obtain a solution of polysiloxane with TiO2 particles bonded thereto (polysiloxane B solution). During the temperature increase and heating and stirring, nitrogen was passed at 0.05 L/min. A total of 121.19 g of by-products, methanol and water, was distilled out during the reaction. The solid content concentration of the obtained polysiloxane B solution was 33% by mass.
(2)ガスセンサの作製と評価
ポリシロキサンB溶液69.49g、DFX-18を100ppm、DAA54.48g、PGMEA36.65gを混合、撹拌して均一溶液とすることで、ポリシロキサンB塗布液1を得た。ポリシロキサンA塗布液1を用いる代わりにポリシロキサンB塗布液1を用いたこと以外は実施例1(3)と同様の方法でガスセンサCを作製した。この場合、コート層中のTiO2体積分率は25vol%となる。次いで、実施例1(4)と同様の方法で評価した。
(2) Preparation and Evaluation of Gas Sensor 69.49 g of polysiloxane B solution, 100 ppm of DFX-18, 54.48 g of DAA, and 36.65 g of PGMEA were mixed and stirred to obtain a homogeneous solution, thereby obtaining polysiloxane B coating solution 1. Gas sensor C was prepared in the same manner as in Example 1(3) except that polysiloxane B coating solution 1 was used instead of polysiloxane A coating solution 1. In this case, the TiO2 volume fraction in the coating layer was 25 vol%. Then, it was evaluated in the same manner as in Example 1(4).
ガスセンサCについての評価結果を表1に記す。NH3暴露時の方がNO2暴露時よりも大きな抵抗変化率を示し、NH3検出選択性を有していた。 The evaluation results for gas sensor C are shown in Table 1. The resistance change rate was larger when exposed to NH3 than when exposed to NO2 , and the gas sensor C had NH3 detection selectivity.
実施例4
酸化チタン(TiO2)懸濁液(20.9wt%)188.74gの代わりに264.24gを、DAA90.88gの代わりに15.4gをそれぞれ用いたこと以外は実施例3(1)と同様の方法でTiO2粒子が結合したポリシロキサンの溶液(ポリシロキサンC)を得た。得られたポリシロキサンC溶液の固形分濃度は41質量%であった。
Example 4
A solution of polysiloxane bonded with TiO2 particles (polysiloxane C) was obtained in the same manner as in Example 3(1), except that 264.24 g of titanium oxide ( TiO2 ) suspension (20.9 wt%) was used instead of 188.74 g and 15.4 g of DAA was used instead of 90.88 g. The solid content of the obtained polysiloxane C solution was 41 mass%.
ポリシロキサンB溶液の代わりにポリシロキサンC溶液を用いたこと以外は実施例3(2)と同様の方法でポリシロキサンC塗布液1を得た。ポリシロキサンA塗布液1を用いる代わりにポリシロキサンC塗布液1を用いたこと以外は実施例1(3)と同様の方法でガスセンサDを作製した。この場合、コート層中のTiO2体積分率は35vol%となる。次いで、実施例1(4)と同様の方法で評価した。 A polysiloxane C coating solution 1 was obtained in the same manner as in Example 3(2), except that the polysiloxane C solution was used instead of the polysiloxane B solution. A gas sensor D was produced in the same manner as in Example 1(3), except that the polysiloxane C coating solution 1 was used instead of the polysiloxane A coating solution 1. In this case, the TiO2 volume fraction in the coating layer was 35 vol%. Then, it was evaluated in the same manner as in Example 1(4).
ガスセンサDについての評価結果を表1に記す。ガスセンサCよりもNH3暴露時の抵抗変化率、応答速度、さらに、NO2と比較してのNH3に対する検出選択性について優れていた。 The evaluation results for gas sensor D are shown in Table 1. Gas sensor D was superior to gas sensor C in the rate of resistance change upon exposure to NH3 , response speed, and detection selectivity for NH3 compared to NO2 .
比較例1
DAA60.77gの代わりにDAA100.06gを使用し、酸化スズ懸濁液Aを加えなかったこと以外は実施例1(3)と同様の方法でポリシロキサンA塗布液3を調製し、ガスセンサを作製した。この方法により作製したガスセンサEは、コート層中に金属酸化物も金属硫化物も含まないガスセンサである。
Comparative Example 1
A gas sensor was produced by preparing Polysiloxane A Coating Solution 3 in the same manner as in Example 1(3), except that 100.06 g of DAA was used instead of 60.77 g of DAA and no tin oxide suspension A was added. Gas sensor E produced by this method is a gas sensor containing neither metal oxide nor metal sulfide in the coating layer.
ガスセンサEの評価結果を表1に記す。本発明に係るガスセンサと比較して、金属酸化物および/または金属硫化物による検出強度向上効果が無いだけでなく、応答速度も遅く、ガス検出選択性も発現していないことが分かる。 The evaluation results of gas sensor E are shown in Table 1. Compared to the gas sensor of the present invention, it can be seen that not only is there no effect of improving detection strength due to metal oxides and/or metal sulfides, but the response speed is slow and gas detection selectivity is not expressed.
比較例2
ポリシロキサンA塗布液1の代わりに、TiO2懸濁液(20.9wt%)を用いたこと以外は、実施例1(3)と同様の方法でガスセンサを作製した。この方法により作製したガスセンサFは、コート層中に高分子材料を含まないガスセンサである。
Comparative Example 2
A gas sensor was produced in the same manner as in Example 1(3), except that a TiO2 suspension (20.9 wt%) was used instead of the polysiloxane A coating solution 1. Gas sensor F produced by this method is a gas sensor that does not contain a polymer material in the coating layer.
ガスセンサFは、検出対象ガス暴露前の抵抗値が検出上限以上であり、測定不可であった。これは、コート層が高分子材料を含有しないために、脆弱であり、電極や抵抗体を安定に保持できなかったためと考えられる。そのため、ガスセンサ評価を行うことができなかった。 Gas sensor F had a resistance value above the upper detection limit before exposure to the target gas, making it impossible to measure. This is thought to be because the coating layer did not contain a polymeric material and was therefore fragile, and was unable to stably hold the electrodes and resistors. As a result, gas sensor evaluation was not possible.
2a、2b 電極
3 抵抗体
4、4a、4b コート層
5 基板
10、20、30 ガスセンサ
2a, 2b Electrode 3 Resistor 4, 4a, 4b Coating layer 5 Substrate 10, 20, 30 Gas sensor
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