JP2001281205A - Co2 sensor - Google Patents

Co2 sensor

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JP2001281205A
JP2001281205A JP2000098036A JP2000098036A JP2001281205A JP 2001281205 A JP2001281205 A JP 2001281205A JP 2000098036 A JP2000098036 A JP 2000098036A JP 2000098036 A JP2000098036 A JP 2000098036A JP 2001281205 A JP2001281205 A JP 2001281205A
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JP
Japan
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metal
oxide
carbon dioxide
solid electrolyte
dioxide sensor
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Withdrawn
Application number
JP2000098036A
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Japanese (ja)
Inventor
Shizuko Kumazawa
志津子 熊澤
Susumu Takada
進 高田
Noriyoshi Nanba
憲良 南波
Noboru Yamazoe
▲のぼる▼ 山添
Norio Miura
則雄 三浦
Kengo Shimanoe
憲剛 島ノ江
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CO2 sensor superior in stability capable of reducing the effects of humidity and improving drifts without the need for a complicated correcting circuit. SOLUTION: In the CO2 sensor provided with a detecting electrode and counter electrode each in contact with a solid electrolyte, the solid electrolyte contains an alkaline metal ion and/or alkaline earth metal ion conductor, and the detecting electrode comprises a metal oxide layer and collector. A metal hydrogen carbonate and/or metal carbonate and metal salt with water of crystallization at room temperature to 100 deg.C are made present between the detecting electrode and solid electrolyte.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、室内外の環境制
御、施設園芸等の農工業プロセス、防災、生体表面の代
謝機能の測定等のバイオ関連分野や医療分野などに使用
される二酸化炭素センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon dioxide sensor for use in bio-related fields such as indoor and outdoor environment control, agricultural and industrial processes such as facility horticulture, disaster prevention, and measurement of metabolic functions on living bodies, and medical fields. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、空調の普及に伴う室内空気の汚染
の検知、畜産における施設内空気の汚染の検知、園芸施
設における植物の成長制御、各種工業プロセスなどを中
心に、二酸化炭素センサに対するニーズが高まってお
り、種々の方式の二酸化炭素センサが提案されている。
2. Description of the Related Art In recent years, there is a need for a carbon dioxide sensor mainly for detection of indoor air pollution accompanying the spread of air conditioning, detection of air pollution in facilities in livestock farming, plant growth control in horticultural facilities, various industrial processes, and the like. And various types of carbon dioxide sensors have been proposed.

【0003】具体的には、例えば、赤外線吸収方式の二
酸化炭素センサが実用化されている。しかし、この方式
のセンサは、装置が大きいこと、高価であることなどか
ら、普及するには至っていない。また、半導体を用いた
センサも提案されているが、このセンサは二酸化炭素の
選択性に劣るため、二酸化炭素のみの濃度を測定するこ
とが困難である。
Specifically, for example, an infrared absorption type carbon dioxide sensor has been put to practical use. However, this type of sensor has not been widely used due to its large size and high cost. A sensor using a semiconductor has also been proposed, but since this sensor has poor selectivity for carbon dioxide, it is difficult to measure the concentration of only carbon dioxide.

【0004】これに対して、小型で安価なセンサとし
て、固体電解質を用いたものがいくつか提案されてい
る。
[0004] On the other hand, some sensors using a solid electrolyte have been proposed as small and inexpensive sensors.

【0005】丸山ら{第10回固体イオニクス討論会講
演要旨集69(1983)}は、二酸化炭素と解離平衡
を形成する炭酸カリウムなどの固体電解質に一対の電極
を形成し、一方に濃度既知の基準ガスを接触させて、雰
囲気ガスの濃度差による起電力を測定する濃淡分極型セ
ンサを提案している。また、丸山らは、このような濃淡
分極型センサの他、NASICON(ナトリウムスーパ
ーイオン伝導体:Na 3Zr2Si2PO12)などのアル
カリ金属イオン伝導性の固体電解質に一対の電極を形成
し、一方に炭酸ナトリウムなどの二酸化炭素と解離平衡
を形成する金属炭酸塩層を設けて検知極とし、他方を二
酸化炭素不感応性電極とした、いわゆる起電力検出型セ
ンサも提案している。
[0005] Maruyama et al. The 10th Solid Ionics Symposium
Abstracts 69 (1983)} show dissociation equilibrium with carbon dioxide
Forming a pair of electrodes on a solid electrolyte such as potassium carbonate
Is formed, and one of them is brought into contact with a reference gas having a known concentration to form an atmosphere.
A density-polarized cell for measuring the electromotive force due to the concentration difference of ambient gas.
A sensor. In addition, Maruyama et al.
In addition to polarization type sensors, NASICON (Sodium Super)
-Ion conductor: Na ThreeZrTwoSiTwoPO12Al)
Forming a pair of electrodes on a potassium metal ion conductive solid electrolyte
And dissociation equilibrium with carbon dioxide such as sodium carbonate
A metal carbonate layer that forms
A so-called electromotive force detection type cell
Has also proposed.

【0006】特公平4−79542号公報では、二酸化
炭素と解離平衡を形成する金属塩の金属イオン導電性を
有する固体電解質に一対の電極を形成し、一方の電極を
上記金属塩で被覆し、もう一方の電極および残余の固体
電解質表面にガス遮断層で被覆している二酸化炭素セン
サが提案されている。
In Japanese Patent Publication No. 4-79542, a pair of electrodes is formed on a solid electrolyte having metal ion conductivity of a metal salt forming a dissociation equilibrium with carbon dioxide, and one of the electrodes is coated with the metal salt. A carbon dioxide sensor has been proposed in which the other electrode and the remaining solid electrolyte surface are coated with a gas barrier layer.

【0007】特開平7−63726号公報では、アルカ
リイオン伝導体からなる固体電解質に、電子および酸素
イオンの伝導体である固体基準極を圧着させた固体基準
極型二酸化炭素センサが提案されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-63726 proposes a solid reference electrode type carbon dioxide sensor in which a solid reference electrode, which is a conductor of electrons and oxygen ions, is pressed against a solid electrolyte made of an alkali ion conductor. .

【0008】固体電解質を用いた小型で安価な二酸化炭
素センサの問題点としては、まず材料として使用される
金属炭酸塩が湿度の影響を受けやすいことがある。この
問題を解決するためには、センサ素子のガス検知部以外
を密閉したり、センサをヒータにより加熱して作動温度
を高くして、湿度の影響を低減しなければならない。上
記のセンサの作動温度は400〜700℃と高温であ
る。作動温度が高いと、センサ全体の消費電力が大き
く、また、材料の熱劣化が起こる等の問題が生じてく
る。また、数百℃の熱は、たとえ小さなヒータからであ
ってもセンサ周辺を加温し、空気の対流を発生するな
ど、測定環境に微妙な影響を与えてしまうという問題も
ある。
A problem with a small and inexpensive carbon dioxide sensor using a solid electrolyte is that, first, the metal carbonate used as a material is easily affected by humidity. In order to solve this problem, it is necessary to seal the portion other than the gas detecting portion of the sensor element, or to heat the sensor with a heater to increase the operating temperature to reduce the influence of humidity. The operating temperature of the above sensor is as high as 400 to 700 ° C. When the operating temperature is high, problems such as a large power consumption of the whole sensor and a thermal degradation of the material occur. Further, there is also a problem that heat of several hundred degrees Celsius has a subtle effect on the measurement environment, such as heating around the sensor even if it is from a small heater and generating convection of air.

【0009】さらに、金属炭酸塩が湿度の影響を受けや
すいため、センサの使用停止時には素子を乾燥雰囲気中
で保存する必要がある。さらには、使用時に、停止中に
素子に進入した水分の除去等のためにベーキングが必要
で、センサの出力電圧が安定するまでに長時間要し、作
業性やエネルギー的な問題が存在する。これらはセンサ
を高温で動作させる場合には、不可避な問題であり、よ
り低い温度で動作するセンサが求められている。
Further, since the metal carbonate is easily affected by humidity, it is necessary to store the element in a dry atmosphere when the use of the sensor is stopped. Furthermore, during use, baking is necessary to remove moisture that has entered the element during stoppage, and it takes a long time for the output voltage of the sensor to stabilize, and there is a problem of workability and energy. These are inevitable problems when operating the sensor at a high temperature, and a sensor operating at a lower temperature is required.

【0010】この問題に対して、S.Breikhinら[Applied
PhysicsA 57, 37-43(1993)]は、固体電解質と半導体と
を接合させた二酸化炭素センサを報告している。この二
酸化炭素センサは、検知極としてSbやVをドープした
SnO2半導体を用い、これに固体電解質としてナトリ
ウムイオン導電体であるNASICONを接合させ、検
知極の反対側に参照極としてNaxCoO2を配置してい
る。この二酸化炭素センサは低温(−35℃〜室温)作
動が可能であるが、応答が見られるまで4分以上かかっ
てしまうという問題がある。また、耐湿性も悪く、相対
湿度(湿度)によって応答時間や感度が変化してしま
い、安定した性能を得ることが困難である。
In response to this problem, S. Breikhin et al. [Applied
PhysicsA 57, 37-43 (1993)] reports a carbon dioxide sensor in which a solid electrolyte and a semiconductor are bonded. This carbon dioxide sensor uses a SnO 2 semiconductor doped with Sb or V as a detection electrode, and a sodium ion conductor, NASICON, is joined as a solid electrolyte to this. A Na x CoO 2 as a reference electrode is provided on the opposite side of the detection electrode. Has been arranged. This carbon dioxide sensor can be operated at low temperature (-35 ° C. to room temperature), but has a problem that it takes more than 4 minutes until a response is observed. In addition, the moisture resistance is poor, and the response time and sensitivity change depending on the relative humidity (humidity), and it is difficult to obtain stable performance.

【0011】こうした実状に鑑みて、本発明者等は、先
に検知極と対極とがそれぞれNASICON等の固体電
解質に接して設けられており、検知極が集電体を備え、
かつ好ましくは所定の金属酸化物を含有する金属酸化物
層を備え、炭酸水素イオン存在下の検知極により、二酸
化炭素の検知を行う二酸化炭素センサを提案している
(特願平10-96604号、特願平10-272608号、特願平10-27
2609号、特願平10-272610号、等)。
In view of such a situation, the present inventors have previously provided a detection electrode and a counter electrode in contact with a solid electrolyte such as NASICON, respectively, and the detection electrode has a current collector;
In addition, a carbon dioxide sensor that preferably includes a metal oxide layer containing a predetermined metal oxide and detects carbon dioxide by a detection electrode in the presence of hydrogen carbonate ions has been proposed (Japanese Patent Application No. 10-96604). , Japanese Patent Application No. 10-272608, Japanese Patent Application No. 10-27
2609, Japanese Patent Application No. 10-272610, etc.).

【0012】しかし、このような二酸化炭素センサで
は、湿度の影響が大きく、また、CO 2濃度変化に対す
る応答起電力値のドリフトが見られることがわかった。
However, with such a carbon dioxide sensor,
Is greatly affected by humidity, and CO TwoResponse to concentration change
It was found that a drift of the response electromotive force value was observed.

【0013】従来、湿度やドリフトの影響をキャンセル
するためには、複雑で高価な補正回路により演算処理す
る必要があるなど、低コスト、小型化の流れに逆行する
ものであった。
Hitherto, in order to cancel the influence of humidity and drift, it is necessary to carry out arithmetic processing by a complicated and expensive correction circuit.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、複雑
な補正回路を必要とすることなく、湿度の影響の低減化
およびドリフトの改善を図ることができる、安定性に優
れた二酸化炭素センサを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly stable carbon dioxide sensor capable of reducing the influence of humidity and improving drift without requiring a complicated correction circuit. It is to provide.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
の本発明により達成される。 (1) 検知極と対極とがそれぞれ固体電解質に接して
設けられた二酸化炭素センサにおいて、前記固体電解質
がアルカリ金属イオンおよび/またはアルカリ土類金属
イオン導電体を含有し、前記検知極が金属酸化物層と集
電体とを有し、前記検知極と前記固体電解質との間に、
金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩と、室温〜1
00℃の温度で結晶水をもつ金属塩とを介在させた二酸
化炭素センサ。 (2) 前記検知極の有する金属酸化物層が前記固体電
解質側に位置し、前記金属酸化物層と前記固体電解質と
の間に、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩と、
室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩とを介在さ
せた上記(1)の二酸化炭素センサ。 (3) 前記固体電解質がナトリウムイオン伝導体であ
る上記(1)または(2)の二酸化炭素センサ。 (4) 前記固体電解質がNa1+xZr2Six3-x12
(x=0〜3)である上記(3)の二酸化炭素センサ。 (5) 前記室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属
塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の塩、ア
ルカリ土類金属のリン酸系の塩、アルミニウムのリン酸
系の塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属酢酸塩、金属水
酸化物(ただし、アルカリ金属水酸化物は除く。)およ
び金属塩化物のいずれかの一種以上である上記(1)〜
(4)のいずれかの二酸化炭素センサ。 (6) 前記室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属
塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の塩であ
り、この結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の塩
が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸(オルトリン
酸)塩、ホスホン酸塩、ホスフィン酸塩、二リン酸塩、
メタリン酸塩、次リン酸塩、亜リン酸塩およびこれらの
酸性塩のいずれかの一種以上である上記(1)〜(5)
のいずれかの二酸化炭素センサ。 (7) 前記結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の
塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸(オルトリ
ン酸)塩およびこれらの酸性塩のいずれかの一種以上で
ある上記(6)の二酸化炭素センサ。 (8) 前記結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の
塩が、結晶水をもつ、ナトリウムリン酸(オルトリン
酸)塩である上記(7)の二酸化炭素センサ。 (9) 前記金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
が、金属炭酸水素塩であり、前記金属炭酸水素塩が、炭
酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ルビジ
ウムおよび炭酸水素セシウムのいずれか一種以上である
上記(1)〜(8)のいずれかの二酸化炭素センサ。 (10) 前記金属炭酸水素塩が炭酸水素ナトリウムで
ある上記(9)の二酸化炭素センサ。
This and other objects are achieved by the present invention described below. (1) In a carbon dioxide sensor in which a detection electrode and a counter electrode are respectively provided in contact with a solid electrolyte, the solid electrolyte contains an alkali metal ion and / or an alkaline earth metal ion conductor, and the detection electrode is a metal oxide. Having a material layer and a current collector, between the detection electrode and the solid electrolyte,
Metal bicarbonate and / or metal carbonate, at room temperature to 1
A carbon dioxide sensor in which a metal salt having water of crystallization is interposed at a temperature of 00 ° C. (2) a metal oxide layer of the sensing electrode is located on the solid electrolyte side, and between the metal oxide layer and the solid electrolyte, a metal bicarbonate and / or a metal carbonate;
The carbon dioxide sensor according to the above (1), wherein a metal salt having crystallization water is interposed at a temperature of room temperature to 100 ° C. (3) The carbon dioxide sensor according to (1) or (2), wherein the solid electrolyte is a sodium ion conductor. (4) the solid electrolyte is Na 1 + x Zr 2 Si x P 3-x O 12
The carbon dioxide sensor according to the above (3), wherein (x = 0 to 3). (5) The metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. is a phosphoric acid salt of an alkali metal, a phosphoric acid salt of an alkaline earth metal, or a phosphoric acid aluminum. (1) to (1) to which are at least one of a salt, a metal sulfate, a metal nitrate, a metal acetate, a metal hydroxide (however, excluding an alkali metal hydroxide) and a metal chloride.
The carbon dioxide sensor according to any one of (4). (6) The metal salt having water of crystallization at a temperature of from room temperature to 100 ° C. is a phosphoric acid salt of an alkali metal having water of crystallization, and a phosphoric acid salt of an alkali metal having water of crystallization is Alkali metal phosphate (orthophosphate), phosphonate, phosphinate, diphosphate, with water of crystallization,
The above (1) to (5), which are one or more of metaphosphate, hypophosphate, phosphite, and any of these acid salts
Any of the carbon dioxide sensors. (7) The alkali metal phosphoric acid-based salt having crystallization water is one or more of alkali metal phosphoric acid (orthophosphate) salts having crystallization water and any one of these acid salts. A) Carbon dioxide sensor. (8) The carbon dioxide sensor according to (7), wherein the alkali metal phosphoric acid-based salt having crystallization water is a sodium phosphate (orthophosphate) salt having crystallization water. (9) The metal bicarbonate and / or metal carbonate is a metal bicarbonate, and the metal bicarbonate is at least one of sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, rubidium bicarbonate, and cesium bicarbonate The carbon dioxide sensor according to any one of the above (1) to (8). (10) The carbon dioxide sensor according to (9), wherein the metal bicarbonate is sodium bicarbonate.

【0016】(11) 前記金属酸化物が、酸化インジ
ウム、酸化スズ、酸化コバルト、酸化タングステン、酸
化亜鉛、酸化鉛、酸化銅、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化
クロム、酸化カドミウム、酸化ビスマス、酸化マンガ
ン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化アンチ
モン、酸化アルミニウム、酸化ランタン、酸化セリウ
ム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化銀、酸化リ
チウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ルビジウ
ム、酸化セシウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウ
ム、酸化ストロンチウムおよび酸化バリウムのいずれか
一種以上である上記(1)〜(10)のいずれかの二酸
化炭素センサ。 (12) 前記金属酸化物が酸化インジウムである上記
(11)の二酸化炭素センサ。 (13) 前記金属酸化物層が多孔質である上記(1)
〜(12)のいずれかの二酸化炭素センサ。 (14) 前記集電体が多孔質金属である上記(1)〜
(13)のいずれかの二酸化炭素センサ。 (15) 前記集電体が前記金属酸化物層を挟んで固体
電解質に対向して設けられている上記(1)〜(14)
のいずれかの二酸化炭素センサ。 (16) 前記検知極と前記対極とが前記固体電解質の
同一の面上に設けられている上記(1)〜(15)のい
ずれかの二酸化炭素センサ。 (17) 前記対極が金属または金属酸化物のいずれか
一種以上を含有する上記(1)〜(16)のいずれかの
二酸化炭素センサ。 (18) 前記金属炭酸水素塩および/または金属炭酸
塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩と
を、前記固体電解質表面にこれらの化合物の混合物層を
形成することによって介在させる上記(1)〜(17)
のいずれかの二酸化炭素センサ。 (19) 前記金属炭酸水素塩および/または金属炭酸
塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩と
を、これらの化合物の溶液またはペーストとして、前記
固体電解質に設けられた多孔質金属酸化物層および多孔
質集電体を通過させ、前記固体電解質表面に到達させる
ことによって介在させる上記(12)〜(17)のいず
れかの二酸化炭素センサ。
(11) The metal oxide is indium oxide, tin oxide, cobalt oxide, tungsten oxide, zinc oxide, lead oxide, copper oxide, iron oxide, nickel oxide, chromium oxide, cadmium oxide, bismuth oxide, manganese oxide , Yttrium oxide, zirconium oxide, antimony oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, silver oxide, lithium oxide, sodium oxide, potassium oxide, rubidium oxide, cesium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, oxide The carbon dioxide sensor according to any one of (1) to (10), which is at least one of strontium and barium oxide. (12) The carbon dioxide sensor according to (11), wherein the metal oxide is indium oxide. (13) The above (1), wherein the metal oxide layer is porous.
A carbon dioxide sensor according to any one of (12) to (12). (14) The above (1) to (1), wherein the current collector is a porous metal.
The carbon dioxide sensor according to any one of (13). (15) The above (1) to (14), wherein the current collector is provided to face the solid electrolyte with the metal oxide layer interposed therebetween.
Any of the carbon dioxide sensors. (16) The carbon dioxide sensor according to any one of (1) to (15), wherein the detection electrode and the counter electrode are provided on the same surface of the solid electrolyte. (17) The carbon dioxide sensor according to any one of (1) to (16), wherein the counter electrode contains one or more of a metal and a metal oxide. (18) The metal bicarbonate and / or metal carbonate and a metal salt having crystallization water at a temperature of room temperature to 100 ° C. are interposed by forming a mixture layer of these compounds on the surface of the solid electrolyte. The above (1) to (17)
Any of the carbon dioxide sensors. (19) A porous material provided on the solid electrolyte as a solution or paste of these compounds, wherein the metal bicarbonate and / or metal carbonate and a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. The carbon dioxide sensor according to any one of the above (12) to (17), which is interposed by passing through the metal oxide layer and the porous current collector to reach the surface of the solid electrolyte.

【0017】[0017]

【作用】本発明の二酸化炭素センサは、検知極と対極と
がそれぞれ、金属イオン導電体を含有する固体電解質に
接して設けられたタイプのものであり、検知極は金属酸
化物層と集電体とを有する。金属イオン導電体としては
アルカリ金属イオンおよび/またはアルカリ土類金属イ
オン導電体、好ましくはナトリウムイオン導電体が用い
られ、固体電解質と検知極との間には、金属炭酸水素塩
および/または金属炭酸塩と、室温〜100℃の温度で
結晶水をもつ金属塩(例えばアルカリ金属のリン酸系の
塩)とを介在させている。
The carbon dioxide sensor of the present invention is of a type in which a detection electrode and a counter electrode are provided in contact with a solid electrolyte containing a metal ion conductor, respectively. Having a body. As the metal ion conductor, an alkali metal ion and / or alkaline earth metal ion conductor, preferably a sodium ion conductor is used, and a metal bicarbonate and / or metal carbonate is provided between the solid electrolyte and the sensing electrode. A salt and a metal salt having crystallization water at a temperature of room temperature to 100 ° C. (for example, a phosphate salt of an alkali metal) are interposed.

【0018】このように、室温〜100℃の温度で結晶
水をもつ金属塩を用いることによって、検知極に金属酸
化物層を設け、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸
塩を存在させることによる応答性の向上効果を維持し、
低温での迅速な測定を可能にしたままで、湿度による影
響を少なくすることができ、かつドリフトの改善を図る
ことができる。したがって、湿度による影響を低減化
し、ドリフトを改善するために、複雑で高価な補正回路
を設け、これによる演算処理が必要でなくなり、素子構
造が簡易化し、低コスト化が図られる。
As described above, by using a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C., a metal oxide layer is provided on the sensing electrode, and a metal hydrogen carbonate and / or a metal carbonate is present. Maintaining the effect of improving responsiveness,
While the rapid measurement at a low temperature is enabled, the influence of humidity can be reduced, and the drift can be improved. Therefore, in order to reduce the influence of humidity and improve drift, a complicated and expensive correction circuit is provided, which eliminates the need for arithmetic processing, thereby simplifying the element structure and reducing the cost.

【0019】室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属
塩は、その結晶水の存在ゆえに、その結晶水の付加状態
が変化することによって、湿度の影響が緩和され、しか
もドリフトが改善すると考えられる。
The metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. is considered that, due to the presence of the water of crystallization, the influence of humidity is reduced and the drift is improved by changing the state of addition of the water of crystallization. Can be

【0020】本発明の二酸化炭素センサは、検知極が接
する固体電解質の表面に、金属酸化物層を有するタイプ
のものであることが好ましく、この金属酸化物層と固体
電解質との間に、金属炭酸水素塩および/または金属炭
酸塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩と
を介在させることが好ましい。これにより、本発明の効
果が向上する。
The carbon dioxide sensor of the present invention is preferably of a type having a metal oxide layer on the surface of the solid electrolyte in contact with the detection electrode, and a metal oxide layer is provided between the metal oxide layer and the solid electrolyte. It is preferable to interpose a bicarbonate and / or a metal carbonate and a metal salt having crystallization water at a temperature of room temperature to 100 ° C. Thereby, the effect of the present invention is improved.

【0021】金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩とを、
固体電解質と検知極(好ましくは金属酸化物層)との間
に介在させるには、これらの化合物の混合物層を設けれ
ばよい。具体的には、これらの化合物の溶液ないしペー
ストを用いて塗設すればよい。この場合、上記混合物層
上に設けられる金属酸化物層は焼成して得られることも
あって、水の付与は後に行う必要があるが、検知極は、
検知極自体にガス拡散層としての機能をもたせ迅速な応
答を得るために、集電体と金属酸化物層とは多孔質とさ
れるので、水の付与は容易である。水は、これを溶媒な
いし分散媒とした溶液ないしペーストとして付与するこ
ともできる。また、集電体と金属酸化物とを多孔質とす
る態様では、集電体と金属酸化物層を形成してから、こ
れらを通して、前記化合物を、溶液ないしペーストとし
て含浸させることによってもよい。
A metal bicarbonate and / or a metal carbonate having a water of crystallization at a temperature between room temperature and 100 ° C.
In order to intervene between the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer), a mixture layer of these compounds may be provided. Specifically, it may be applied using a solution or paste of these compounds. In this case, the metal oxide layer provided on the mixture layer may be obtained by baking, and it is necessary to perform the application of water later.
Since the current collector and the metal oxide layer are made porous in order to provide the sensing electrode itself with a function as a gas diffusion layer and obtain a quick response, it is easy to apply water. Water can also be applied as a solution or paste using this as a solvent or dispersion medium. In the case where the current collector and the metal oxide are made porous, the current collector and the metal oxide layer may be formed, and then the compound may be impregnated as a solution or paste through the layers.

【0022】いずれにせよ、固体電解質と検知極(好ま
しくは金属酸化物層)との界面に、上記化合物が存在す
ることが必要であり、上記化合物は固体電解質と検知極
(好ましくは金属酸化物層)の表面層として存在してい
てもよく、固体電解質と検知極(好ましくは金属酸化物
層)の両方あるいは一方に拡散していてもよい。
In any case, the above compound needs to be present at the interface between the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer), and the compound is required to be present at the interface between the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer). Layer), and may be diffused into both or one of the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer).

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明の二酸化炭素センサは、検知極と対極とが
それぞれ固体電解質に接して設けられたタイプのもので
あり、前記固体電解質はアルカリ金属イオンおよび/ま
たはアルカリ土類金属イオン導電体、好ましくはナトリ
ウムイオン導電体を含有し、前記検知極は金属酸化物層
と集電体とを有し、前記検知極と前記固体電解質との間
に、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩と、室温
〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩(例えばアルカ
リ金属のリン酸系の塩)とを介在させたものである。本
発明では、検知極の金属酸化物層が固体電解質側に位置
するように、例えば、迅速な応答を得るために、集電体
を金属酸化物層を挟んで固体電解質に対向するように設
けられるが、このような態様において、金属酸化物層と
固体電解質との間に、上記化合物を介在させることが好
ましい。ただし、集電体は、通常、金属メッシュなどの
多孔質体であるため、この態様に限らず、集電体を固体
電解質側に設けてから金属酸化物有層を設けるような態
様においても、金属酸化物の塗布物は集電体中に侵入す
るので、金属酸化物層と固体電解質との間に、上記化合
物を介在させることは可能であり、このような態様にお
いても本発明は有効である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail. The carbon dioxide sensor of the present invention is of a type in which a detection electrode and a counter electrode are respectively provided in contact with a solid electrolyte, and the solid electrolyte is an alkali metal ion and / or an alkaline earth metal ion conductor, preferably sodium. An ion conductor is contained, the detection electrode has a metal oxide layer and a current collector, and a metal bicarbonate and / or a metal carbonate is provided between the detection electrode and the solid electrolyte; A metal salt having crystallization water at a temperature of 100 ° C. (for example, a phosphate salt of an alkali metal) is interposed. In the present invention, the current collector is provided so as to face the solid electrolyte with the metal oxide layer interposed therebetween so that the metal oxide layer of the detection electrode is located on the solid electrolyte side, for example, to obtain a quick response. However, in such an embodiment, it is preferable to interpose the above compound between the metal oxide layer and the solid electrolyte. However, since the current collector is usually a porous body such as a metal mesh, the present invention is not limited to this mode, and even in a mode in which the current collector is provided on the solid electrolyte side and then the metal oxide layer is provided. Since the coated material of the metal oxide penetrates into the current collector, it is possible to interpose the above compound between the metal oxide layer and the solid electrolyte, and the present invention is effective in such an embodiment. is there.

【0024】<固体電解質>本発明の二酸化炭素センサ
では、固体電解質に金属イオン導電体としてアルカリ金
属イオンおよび/またはアルカリ土類金属イオン導電
体、好ましくはナトリウムイオン導電体を用いる。固体
電解質は対極が検知極と同じ環境にさらされると、起電
力がとれなくなることから、ガス透過性のないものが好
ましい。また、電子導電性のないものが好ましい。
<Solid Electrolyte> In the carbon dioxide sensor of the present invention, an alkali metal ion and / or an alkaline earth metal ion conductor, preferably a sodium ion conductor, is used as the metal ion conductor in the solid electrolyte. When the counter electrode is exposed to the same environment as the detection electrode, the solid electrolyte cannot take an electromotive force. Further, those having no electronic conductivity are preferable.

【0025】このようなイオン導電体としては、例え
ば、Na−β″アルミナ、Na−βアルミナ、Na1+x
Zr2Six3-x12(x=0〜3)で表されるNAS
ICON(具体例としてNa3Zr2Si2PO12
ど)、Na−βGa23、Na−Fe23、Na3Zr2
PSi2212、Li−βアルミナ、Li14Zn(Ce
4)、Li5AlO4、Li1.4Ti1.6In0.4
312、K−βアルミナ、K1.6Al0.8Ti7.216、K
2MgTi716、CaS等が挙げられる。これらは化学
量論組成から多少偏倚していてもよい。固体電解質とし
ては、ナトリウムイオン導電体が好ましく、Na、Z
r、SiおよびPの複合酸化物が好ましく、中でも、N
ASICONが好ましく、特に好ましくは、Na3Zr2
Si2PO12であるが、化学量論組成から多少偏倚して
いてもよい。
Examples of such an ionic conductor include Na-β ″ alumina, Na-β alumina, Na 1 + x
NAS represented by Zr 2 Si x P 3-x O 12 (x = 0~3)
ICON (for example, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ), Na-βGa 2 O 3 , Na-Fe 2 O 3 , Na 3 Zr 2
PSi 2 P 2 O 12 , Li-β alumina, Li 14 Zn (Ce
O 4), Li 5 AlO 4 , Li 1.4 Ti 1.6 In 0.4 P
3 O 12 , K-β alumina, K 1.6 Al 0.8 Ti 7.2 O 16 , K
2 MgTi 7 O 16 , CaS and the like. These may deviate somewhat from the stoichiometric composition. As the solid electrolyte, a sodium ion conductor is preferable, and Na, Z
A composite oxide of r, Si and P is preferable, and among them,
ASICON is preferred, and Na 3 Zr 2 is particularly preferred.
Although it is Si 2 PO 12 , it may slightly deviate from the stoichiometric composition.

【0026】固体電解質の作製法としては、通常用いら
れている固相法、ゾルゲル法、共沈法等のいずれでもよ
く、好ましくは固相法が用いられる。
The method for producing the solid electrolyte may be any of the commonly used solid phase method, sol-gel method, coprecipitation method, etc., and preferably the solid phase method is used.

【0027】固体電解質には、金属イオン導電体以外
に、イオン導電性を妨げない程度の補強剤として、酸化
アルミニウム(Al23)、酸化ケイ素(SiO2)、
酸化ジルコニウム(ZrO2)、炭化ケイ素(Si
C)、窒化ケイ素(Si34)、酸化鉄(Fe23)等
が質量百分率で50%以下含有されていてもよい。これ
らは化学量論組成から多少偏倚していてもよい。
In the solid electrolyte, in addition to the metal ion conductor, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ),
Zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon carbide (Si
C), silicon nitride (Si 3 N 4 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and the like may be contained in a mass percentage of 50% or less. These may deviate somewhat from the stoichiometric composition.

【0028】<検知極>本発明の二酸化炭素センサで
は、検知極は、金属酸化物層と集電体とから成る。
<Detection electrode> In the carbon dioxide sensor of the present invention, the detection electrode comprises a metal oxide layer and a current collector.

【0029】<検知極の金属酸化物層>金属酸化物層
は、金属酸化物として、電子導電性を有するものを含有
することが好ましく、酸化インジウム(In23)、酸
化スズ(SnO2)、酸化コバルト(Co34)、酸化
タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化鉛
(PbO)、酸化銅(CuO)、酸化鉄(Fe23、F
eO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化クロム(Cr2
3)、酸化カドミウム(CdO)、酸化ビスマス(B
23)、酸化マンガン(MnO2、Mn23)、酸化
イットリウム(Y23)、酸化ジルコニウム(Zr
2)、酸化アンチモン(Sb23)、酸化アルミニウ
ム(Al23)、酸化ランタン(La23)、酸化セリ
ウム(CeO2)、酸化プラセオジム(Pr611)、酸
化ネオジム(Nd23)、酸化銀(Ag2O)、酸化リ
チウム(Li2O)、酸化ナトリウム(Na2O)、酸化
カリウム(K 2O)、酸化ルビジウム(Rb2O)、酸化
セシウム(Cs2O)、酸化マグネシウム(MgO)、
酸化カルシウム(CaO)、酸化ストロンチウム(Sr
O)および酸化バリウム(BaO)のいずれか一種以上
を含有することが好ましい。中でも、酸化インジウム、
酸化スズ、酸化コバルト、酸化タングステン、酸化亜
鉛、酸化鉛、酸化銅、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロ
ム、酸化カドミウム、酸化ビスマス、酸化ジルコニウ
ム、酸化アルミニウムが好ましく、特に、酸化インジウ
ム、酸化スズ、酸化銅、酸化亜鉛が好ましく、本発明の
効果を得る上では、酸化インジウムが最も好ましい。た
だし、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、
酸化ルビジウム、酸化セシウム、酸化マグネシウム、酸
化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムを用
いると応答がよくなるが、湿度の影響を受けやすいの
で、他の金属酸化物と組み合わせて用いることが好まし
い。なお、これらは化学量論組成から多少偏倚していて
もよい。
<Metal oxide layer of sensing electrode> Metal oxide layer
Contains those with electronic conductivity as metal oxides
Preferably, indium oxide (In)TwoOThree),acid
Tin oxide (SnOTwo), Cobalt oxide (CoThreeOFour), Oxidation
Tungsten (WOThree), Zinc oxide (ZnO), lead oxide
(PbO), copper oxide (CuO), iron oxide (FeTwoOThree, F
eO), nickel oxide (NiO), chromium oxide (CrTwo
OThree), Cadmium oxide (CdO), bismuth oxide (B
iTwoOThree), Manganese oxide (MnO)Two, MnTwoOThree), Oxidation
Yttrium (YTwoOThree), Zirconium oxide (Zr
OTwo), Antimony oxide (SbTwoOThree), Aluminum oxide
(AlTwoOThree), Lanthanum oxide (LaTwoOThree), Oxidized sericin
Um (CeO)Two), Praseodymium oxide (Pr6O11),acid
Neodymium (NdTwoOThree), Silver oxide (AgTwoO), oxide
Titanium (LiTwoO), sodium oxide (Na)TwoO), oxidation
Potassium (K TwoO), rubidium oxide (RbTwoO), oxidation
Cesium (CsTwoO), magnesium oxide (MgO),
Calcium oxide (CaO), strontium oxide (Sr
O) and at least one of barium oxide (BaO)
Is preferable. Among them, indium oxide,
Tin oxide, cobalt oxide, tungsten oxide, suboxide
Lead, lead oxide, copper oxide, iron oxide, nickel oxide, black oxide
, Cadmium oxide, bismuth oxide, zirconium oxide
And aluminum oxide are preferred, and especially indium oxide
, Tin oxide, copper oxide, and zinc oxide are preferred.
In order to obtain the effect, indium oxide is most preferable. Was
However, lithium oxide, sodium oxide, potassium oxide,
Rubidium oxide, cesium oxide, magnesium oxide, acid
Using calcium oxide, strontium oxide, barium oxide
Better response, but more sensitive to humidity
And it is preferable to use it in combination with other metal oxides.
No. Note that these deviate somewhat from the stoichiometric composition.
Is also good.

【0030】また、金属酸化物層は、金属酸化物の他
に、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩を含有さ
せてもよい。これにより安定なペーストを塗布して検知
極を形成できるために、検知極の固体電解質に対する密
着性がよくなり、応答速度が向上する。しかも、検知極
の形成時にスクリーン印刷等の作業が容易になるため、
生産性が向上する。さらには、電極の強度も強くなる。
この場合の金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩の
量は、固体電解質と検知極との間に介在させるこれら化
合物の量(後述)の範囲内であればよく、分割して加え
ることができる。
The metal oxide layer may contain a metal bicarbonate and / or a metal carbonate in addition to the metal oxide. Thereby, since the detection electrode can be formed by applying a stable paste, the adhesion of the detection electrode to the solid electrolyte is improved, and the response speed is improved. In addition, since the work such as screen printing becomes easy at the time of forming the detection electrode,
Productivity is improved. Further, the strength of the electrode also increases.
In this case, the amount of the metal bicarbonate and / or metal carbonate may be within the range of the amount of these compounds interposed between the solid electrolyte and the sensing electrode (described later), and can be added in portions. .

【0031】検知極の金属酸化物層の形成方法は特に限
定されないが、通常、金属酸化物粉末、金属炭酸水素塩
粉末および/または金属炭酸塩粉末のペーストを固体電
解質に塗布し、用いる金属酸化物、金属炭酸水素塩、金
属炭酸塩の融点、または分解点以下の温度で2時間程度
加熱処理して乾燥させて形成することが好ましい。用い
る金属酸化物、金属炭酸水素塩、金属炭酸塩の平均粒径
は10nm〜100μmが好ましい。ペーストの溶媒とし
ては、金属酸化物、金属炭酸水素塩および/または金属
炭酸塩が溶解したり、反応したりしない有機溶媒で、室
温蒸気圧が比較的低く、作業性がよいものであればよ
い。特に、α−テルピネオール、エチレングリコール、
グリセリン等が好ましい。スラリーの粘度は0.1〜100,0
00Pが好ましい。
The method of forming the metal oxide layer of the sensing electrode is not particularly limited, but usually, a paste of metal oxide powder, metal bicarbonate powder and / or metal carbonate powder is applied to a solid electrolyte, and the metal oxide It is preferable to form by drying by heating for about 2 hours at a temperature lower than the melting point or decomposition point of the substance, metal bicarbonate, or metal carbonate. The average particle size of the metal oxide, metal bicarbonate, or metal carbonate used is preferably 10 nm to 100 μm. As a solvent for the paste, an organic solvent in which the metal oxide, the metal bicarbonate and / or the metal carbonate does not dissolve or react, and has a relatively low vapor pressure at room temperature and good workability may be used. . In particular, α-terpineol, ethylene glycol,
Glycerin and the like are preferred. The viscosity of the slurry is 0.1 ~ 100,0
00P is preferred.

【0032】また、金属酸化物層は薄膜プロセスにより
多孔質に形成させてもよい。
The metal oxide layer may be made porous by a thin film process.

【0033】金属酸化物層はガス透過性であることが好
ましいため、多孔質であることが好ましい。細孔径は
0.01〜100μm が好ましい。
Since the metal oxide layer is preferably gas-permeable, it is preferably porous. The pore diameter is preferably from 0.01 to 100 μm.

【0034】<検知極の集電体>本発明の二酸化炭素セ
ンサは、検知極に集電体を用いる。
<Current Collector of Detection Electrode> The carbon dioxide sensor of the present invention uses a current collector for the detection electrode.

【0035】集電体に用いる金属は、金、白金、銀、ル
ビジウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ニッケ
ル、銅、クロム等のいずれか1種以上であればよい。
The metal used for the current collector may be any one or more of gold, platinum, silver, rubidium, rhodium, palladium, iridium, nickel, copper, chromium and the like.

【0036】集電体は多孔質金属であることが好まし
い。集電体が多孔質であると、検知極自体がガス拡散層
として働くため、さらに迅速な応答が得られるようにな
る。
The current collector is preferably a porous metal. If the current collector is porous, the detection electrode itself functions as a gas diffusion layer, so that a quicker response can be obtained.

【0037】多孔質金属としては、金属メッシュ、ある
いは、金属の粉末ペーストを圧着またはスクリーン印刷
して構成する粉末電極が好ましい。特に、粉末電極が好
ましい。金属メッシュは、保持力があればメッシュサイ
ズは特に制限されない。
The porous metal is preferably a metal mesh or a powder electrode formed by pressing or screen printing a metal powder paste. In particular, powder electrodes are preferred. The mesh size of the metal mesh is not particularly limited as long as it has a holding force.

【0038】スクリーン印刷とは、金属粉末をペースト
状にしたものをメッシュ状スクリーンを通して基板に塗
布する方法であり、この場合、金属粒子が互いに連結し
た多孔質電極が形成される。このとき使用する金属粉末
の平均粒径は10nm〜100μm 、特に10nm〜10μ
m の範囲であることが、良好な印刷ができるので、好ま
しい。また、ペーストの溶媒としては、用いる金属が溶
解、反応しない有機溶媒で、室温蒸気圧が比較的低く、
作業性がよいものであればよい。特に、α−テルピネオ
ール、エチレングリコール、グリセリン等が好ましい。
スラリーの粘度は0.1〜100,000Pとすることが好まし
い。
Screen printing is a method in which a paste of metal powder is applied to a substrate through a mesh screen. In this case, a porous electrode in which metal particles are connected to each other is formed. The average particle size of the metal powder used at this time is 10 nm to 100 μm, particularly 10 nm to 10 μm.
m is preferable because good printing can be performed. In addition, the solvent for the paste is an organic solvent in which the metal used does not dissolve or react, and has a relatively low vapor pressure at room temperature.
Anything that has good workability may be used. Particularly, α-terpineol, ethylene glycol, glycerin and the like are preferable.
The viscosity of the slurry is preferably 0.1 to 100,000P.

【0039】また、金属酸化物層の上面に集電体金属粉
末のペーストを塗布し、リードを取ることも好ましい。
It is also preferable to apply a current collector metal powder paste on the upper surface of the metal oxide layer and take a lead.

【0040】多孔質電極の細孔径は0.5〜500μm
が好ましい。
The pore diameter of the porous electrode is 0.5 to 500 μm
Is preferred.

【0041】なお、これらの金属材料をスパッタするこ
とにより、表面が多孔質状態となる電極を形成すること
も可能である。スパッタガスにはAr、He、O2、N2
等のいずれかを用いることが好ましく、成膜中の圧力は
0.1〜66.5Pa(0.1〜500mTorr)の範囲
が好ましい。また、抵抗加熱蒸着によっても電極表面を
多孔質にすることができる。
It is also possible to form an electrode having a porous surface by sputtering these metal materials. Ar, He, O 2 , N 2
And the like, and the pressure during film formation is preferably in the range of 0.1 to 66.5 Pa (0.1 to 500 mTorr). The electrode surface can also be made porous by resistance heating evaporation.

【0042】また、検知極自体がガス拡散層となり、さ
らに迅速な応答が得られるようにするために、集電体は
金属酸化物層を挟んで固体電解質に対向して設けてもよ
い。
Further, in order to make the sensing electrode itself a gas diffusion layer and obtain a quicker response, the current collector may be provided to face the solid electrolyte with the metal oxide layer interposed therebetween.

【0043】<金属炭酸水素塩および/または金属炭酸
塩>固体電解質の表面に金属炭酸水素塩および/または
金属炭酸塩を担持させることによって、二酸化炭素の検
出に必須の炭酸水素イオンの生成がさらに促進され、感
度、応答速度、選択性などの応答性が向上する。なお、
金属炭酸塩は、二酸化炭素、水分と反応して金属炭酸水
素塩となり、二酸化炭素に由来する炭酸水素イオンの生
成を促進すると考えられる。いずれにせよ、二酸化炭素
センサとして機能上は、炭酸水素のイオン存在が重要で
ある。
<Metal bicarbonate and / or metal carbonate> By supporting the metal bicarbonate and / or metal carbonate on the surface of the solid electrolyte, the generation of bicarbonate ions essential for the detection of carbon dioxide is further increased. Is promoted, and responsiveness such as sensitivity, response speed, and selectivity is improved. In addition,
It is considered that the metal carbonate reacts with carbon dioxide and water to form a metal bicarbonate, and promotes the generation of hydrogen carbonate ions derived from carbon dioxide. In any case, the existence of hydrogen carbonate ions is important for the function as a carbon dioxide sensor.

【0044】金属炭酸水素塩としては、例えば、アルカ
リ金属の炭酸水素塩などがあり、炭酸水素ナトリウム
(NaHCO3)、炭酸水素カリウム(KHCO3)、炭
酸水素ルビジウム(RbHCO3)、炭酸水素セシウム
(CsHCO3)等が挙げられる。これらは1種を用い
ても2種以上を併用してもかまわない。中でも、炭酸水
素ナトリウム、炭酸水素カリウム、特に炭酸水素ナトリ
ウムを用いることが好ましい。
Examples of the metal bicarbonate include alkali metal bicarbonate and the like. Sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), potassium bicarbonate (KHCO 3 ), rubidium bicarbonate (RbHCO 3 ), cesium bicarbonate ( CsHCO 3 ). These may be used alone or in combination of two or more. Among them, it is preferable to use sodium hydrogencarbonate and potassium hydrogencarbonate, particularly sodium hydrogencarbonate.

【0045】また、金属炭酸塩としては、例えば、炭酸
リチウム(Li2CO3)、炭酸ナトリウム(Na2
3)、炭酸カリウム(K2CO3)、炭酸ルビジウム
(Rb2CO3)、炭酸セシウム(Cs2CO3)、炭酸マ
グネシウム(MgCO3)、炭酸カルシウム(CaC
3)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、炭酸バリウ
ム(BaCO3)、炭酸マンガン(Mn(CO32、M
2(CO33)、炭酸鉄(Fe 2(CO33、FeCO
3)、炭酸ニッケル(NiCO3)、炭酸銅(CuC
3)、炭酸コバルト(Co2(CO33)、炭酸クロム
(Cr2(CO33)、炭酸亜鉛(ZnCO3)、炭酸銀
(Ag2CO3)、炭酸カドミウム(CdCO3)、炭酸
インジウム(In2(CO33)、炭酸イットリウム
(Y2(CO33)、炭酸鉛(PbCO3)、炭酸ビスマ
ス(Bi2(CO33)、炭酸ランタン(La2(C
33)、炭酸セリウム(Ce(CO33)、炭酸プラ
セオジム(Pr6(CO311)、炭酸ネオジム(Nd2
(CO33)等が挙げられる。金属炭酸塩は1種を用い
ても2種以上を併用してもよい。中でも、炭酸リチウ
ム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムを用いることが好ま
しい。また、金属炭酸水素塩と併用する場合、用いる金
属炭酸水素塩と同じ金属の炭酸塩を用いることが好まし
い。
As the metal carbonate, for example, carbonate
Lithium (LiTwoCOThree), Sodium carbonate (NaTwoC
OThree), Potassium carbonate (KTwoCOThree), Rubidium carbonate
(RbTwoCOThree), Cesium carbonate (CsTwoCOThree), Carbonic acid
Gnesium (MgCOThree), Calcium carbonate (CaC
OThree), Strontium carbonate (SrCOThree), Barium carbonate
(BaCOThree), Manganese carbonate (Mn (COThree)Two, M
nTwo(COThree)Three), Iron carbonate (Fe Two(COThree)Three, FeCO
Three), Nickel carbonate (NiCOThree), Copper carbonate (CuC
OThree), Cobalt carbonate (CoTwo(COThree)Three), Chromium carbonate
(CrTwo(COThree)Three), Zinc carbonate (ZnCOThree), Silver carbonate
(AgTwoCOThree), Cadmium carbonate (CdCOThree), Carbonated
Indium (In)Two(COThree)Three), Yttrium carbonate
(YTwo(COThree)Three), Lead carbonate (PbCOThree), Bismuth carbonate
(BiTwo(COThree)Three), Lanthanum carbonate (LaTwo(C
OThree)Three), Cerium carbonate (Ce (COThree)Three), Carbonated plastic
Theodymium (Pr6(COThree)11), Neodymium carbonate (NdTwo
(COThree)Three) And the like. Use one kind of metal carbonate
Or two or more of them may be used in combination. Among them, Lithium carbonate
It is preferable to use sodium carbonate, potassium carbonate,
New When used in combination with metal bicarbonate,
It is preferable to use a carbonate of the same metal as the bicarbonate of the genus
No.

【0046】特に、固体電解質の可動イオン種と同じ金
属の炭酸水素塩、炭酸塩を用いることが好ましい。
In particular, it is preferable to use bicarbonate or carbonate of the same metal as the mobile ion species of the solid electrolyte.

【0047】金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
は、2種以上を併用してもよく、この場合、金属炭酸水
素塩同士あるいは金属炭酸塩同士であってもよく、ま
た、金属炭酸水素塩と金属炭酸塩とを併用することもで
きる。
The metal bicarbonate and / or the metal carbonate may be used in combination of two or more kinds. In this case, the metal bicarbonate may be used between the metal bicarbonates or the metal carbonates, or the metal bicarbonate may be used. And a metal carbonate can be used in combination.

【0048】<室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金
属塩>室温〜100℃(通常15℃〜100℃)の温度
で結晶水をもつ金属塩を固体電解質の表面に担持させる
ことによって、これらの塩が結晶水をもちうるものであ
るため、その結晶水の付加状態の変化によるためか、近
傍の水蒸気分圧を制御する役割を果すと考えられ、湿度
の影響を緩和することができ、かつドリフトが少なくな
る。
<Metal salt having water of crystallization at room temperature to 100 ° C.> A metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. (usually 15 ° C. to 100 ° C.) is supported on the surface of the solid electrolyte. Since these salts may have water of crystallization, they may play a role in controlling the partial pressure of water vapor, probably because of the change in the state of addition of the water of crystallization, and can reduce the effects of humidity. And drift is reduced.

【0049】なお、室温〜100℃の温度で結晶水をも
つ金属塩としては、アルカリ金属のリン酸系の塩が好ま
しく挙げられ、これらの塩としては、結晶水をもつもの
であり、リン酸(オルトリン酸)塩(PO4 3-塩)、ホ
スホン酸塩(PHO3 2-塩)、ホスフィン酸塩(PH2
2 -塩)、二リン酸(ピロリン酸)塩(P27 4-塩)、メ
タリン酸塩、次リン酸塩(P26 4-塩)、亜リン酸塩
(PO3 3-塩)およびこれらの酸性塩(水素塩)から選
択される。中でも、リン酸塩、ホスホン酸塩、ホスフィ
ン酸塩、二リン酸塩、次リン酸塩およびこれらの酸性塩
から選択されたものが好ましく、より好ましくは、リン
酸塩およびこの酸性塩から選択されたものであり、特に
は、リン酸塩であることが好ましい。アルカリ金属とし
てはLi、Na、K、Rb、Cs等であり、Li、N
a、Kが好ましく、特に、固体電解質の可動イオン種と
同じとすることから、一般的にはNaが好ましい。具体
的には、Na3PO4、Na2HPO4、NaPH22、N
2PHO3、NaHPHO3、Na426、Na22
26、Na427、Na2227等があり、最も好
ましくはNa3PO4である。
The metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. is preferably a phosphoric acid-based salt of an alkali metal. These salts include those having water of crystallization. (Orthophosphoric acid) salt (PO 4 3- salt), phosphonate (PHO 3 2- salt), phosphinate (PH 2 O
2 - salts), diphosphate (pyrophosphate) salt (P 2 O 7 4-salts), metaphosphate, hypophosphate (P 2 O 6 4-salts), phosphites (PO 3 3- Salts) and their acidic salts (hydrogen salts). Among them, phosphates, phosphonates, phosphinates, diphosphates, hypophosphates and those selected from acid salts thereof are preferred, and more preferably selected from phosphates and acid salts thereof. And particularly preferably a phosphate. Examples of the alkali metal include Li, Na, K, Rb, and Cs.
a and K are preferred, and Na is generally preferred because it is the same as the mobile ionic species of the solid electrolyte. Specifically, Na 3 PO 4 , Na 2 HPO 4 , NaPH 2 O 2 , N
a 2 PHO 3, NaHPHO 3, Na 4 P 2 O 6, Na 2 H 2 P
There are 2 O 6 , Na 4 P 2 O 7 , Na 2 H 2 P 2 O 7 and the like, most preferably Na 3 PO 4 .

【0050】上記のようなリン酸系の塩としては、アル
カリ金属塩のほか、Ca、Mg、Ba等のアルカリ土類
金属塩やAl塩も用いることができる。
As the above-mentioned phosphoric acid salts, in addition to alkali metal salts, alkaline earth metal salts such as Ca, Mg and Ba, and Al salts can be used.

【0051】このほか、硫酸塩(具体的にはCuS
4、ZnSO4、CoSO4、CaSO4、Ga2(S
43等)、硝酸塩(具体的にはCu(NO32、Co
(NO32、Mn(NO32等)、酢酸塩(具体的には
Mn(CH3COO)2、Mg(CH 3COO)2、Co
(CH3COO)2等)、水酸化物(ただし、アルカリ金
属塩は除く。具体的にはBa(OH)2、Ca(OH)2
等)、塩化物(具体的にはCuCl2、MgCl2、Ba
Cl2等)なども用いることができる。
In addition, sulfates (specifically, CuS
OFour, ZnSOFour, CoSOFour, CaSOFour, GaTwo(S
OFour)Three), Nitrates (specifically, Cu (NOThree)Two, Co
(NOThree)Two, Mn (NOThree)TwoEtc.), acetate (specifically,
Mn (CHThreeCOO)Two, Mg (CH ThreeCOO)Two, Co
(CHThreeCOO)TwoEtc.), hydroxide (alkaline gold
Excluding genus salts. Specifically, Ba (OH)Two, Ca (OH)Two
Etc.), chlorides (specifically CuClTwo, MgClTwo, Ba
ClTwoEtc.) can also be used.

【0052】これらの化合物は、通常1種のみ用いられ
るが、2種以上を併用してもよい。
These compounds are usually used alone, but may be used in combination of two or more.

【0053】なお、室温〜100℃の温度で結晶水をも
つ金属塩は、上記の具体例では結晶水を除いた状態で示
しており、添加に供する化合物自体は無水物であってよ
い。ただし、センサを構成した初期の段階では水を共存
させておく必要がある。
The metal salt having water of crystallization at a temperature from room temperature to 100 ° C. is shown in the above-mentioned specific example without the water of crystallization, and the compound itself to be added may be an anhydride. However, it is necessary to make water coexist at the initial stage of configuring the sensor.

【0054】金属酸化物、金属炭酸水素塩および/また
は金属炭酸塩、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金
属塩の付加量は、素子構成や大きさなどに応じて、適宜
決定すればよい。
The amount of the metal oxide, metal bicarbonate and / or metal carbonate, and the metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. can be appropriately determined according to the device configuration and size. Good.

【0055】金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩とを、
固体電解質と検知極(好ましくは金属酸化物層)との間
に介在させる、すなわち固体電解質表面に担持させるに
は、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩の飽和〜
過飽和状態の水溶液と、室温〜100℃の温度で結晶水
をもつ金属塩の飽和〜過飽和状態の水溶液とをそれぞれ
用いて、固体電解質表面に各化合物の所定量を含浸させ
て、これらの化合物の混合物層を形成してもよいし、金
属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩のペーストと、
室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩のペースト
とをそれぞれ用いて固体電解質表面に所定量塗布し、焼
き付けて、さらに水(イオン交換水等)を滴下するなど
して混合層を形成してもよい。水の滴下量は、固体電解
質1cm2当たり0.001ml〜1ml程度である。ペース
トとするときのバインダーとしてはセルロースないしセ
ルロース誘導体(例えばエチルセルロース)等が用いら
れ、溶媒としてはα−テルピネオール等が用いられる。
ペーストにする場合の上記化合物の平均粒径はいずれも
10nm〜100μm が好ましく、スラリーの粘度は0.1
〜100,000Pが好ましい。
The metal bicarbonate and / or metal carbonate is mixed with a metal salt having water of crystallization at a temperature between room temperature and 100 ° C.
In order to be interposed between the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer), that is, supported on the surface of the solid electrolyte, saturation of the metal bicarbonate and / or metal carbonate
Using a supersaturated aqueous solution and a saturated to supersaturated aqueous solution of a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C., respectively, impregnating the solid electrolyte surface with a predetermined amount of each compound, A mixture layer may be formed, or a paste of metal bicarbonate and / or metal carbonate;
A predetermined amount is applied to the surface of the solid electrolyte using a paste of a metal salt having crystallization water at a temperature of room temperature to 100 ° C. and baked, and further, water (ion exchange water or the like) is dropped to form a mixed layer. May be. The amount of water added is about 0.001 ml to 1 ml per 1 cm 2 of the solid electrolyte. Cellulose or a cellulose derivative (for example, ethylcellulose) or the like is used as a binder when forming the paste, and α-terpineol or the like is used as a solvent.
When forming a paste, the average particle size of each of the above compounds is preferably 10 nm to 100 μm, and the viscosity of the slurry is 0.1 μm.
~ 100,000P is preferred.

【0056】以上のような製法をとるときも、通常、金
属酸化物層が焼成により形成されるため、水(水溶液あ
るいは水を用いたペーストであってもよい。)の付与を
検知極の固定後に行う必要がある関係上、検知極の集電
体および金属酸化物層は多孔質であるのが一般的である
が、多孔質であるときは、検知極を形成してから、上記
水溶液ないしペーストを、検知極を介して通過させるこ
とにより、固体電解質上に担持させるようにしてもよ
い。このような場合、上記化合物が検知極(特に金属酸
化物層)に一部残存するが、残存してもさしつかえな
く、特性上はむしろ好ましい。なお、上記化合物を付加
する順序はいずれであってもよく、場合によっては予め
混合してから付加してもよい。
When the above-described production method is employed, since the metal oxide layer is usually formed by firing, the application of water (an aqueous solution or a paste using water) may be applied to fix the detection electrode. Because of the need to be performed later, the current collector and the metal oxide layer of the sensing electrode are generally porous, but when porous, after forming the sensing electrode, the aqueous solution or The paste may be carried on the solid electrolyte by passing through the sensing electrode. In such a case, the above compound remains partially in the sensing electrode (particularly, the metal oxide layer), but may remain even if it remains, which is rather preferable in terms of characteristics. The order in which the above compounds are added may be any order, and in some cases, they may be added after being mixed in advance.

【0057】また、上記化合物の混合層を形成した場
合、上記化合物が固体電解質界面および検知極(特に金
属酸化物層)界面に拡散すると考えられるが、拡散して
もさしつかえなく、特性上はむしろ好ましい。
When a mixed layer of the above compounds is formed, it is considered that the above compounds diffuse at the solid electrolyte interface and the sensing electrode (particularly, metal oxide layer) interface. preferable.

【0058】<対極>本発明の二酸化炭素センサでは、
対極に金属または金属酸化物を用いる。用いる金属また
は金属酸化物は、上述の検知極の集電体と同じ金属また
はそれらの酸化物、金属酸化物層と同じ金属酸化物のい
ずれか1種以上であればよい。対極に金属酸化物を用い
ることにより、共存ガスの影響が軽減し、高い二酸化炭
素選択性が得られる。また、耐湿性が向上し、特に低温
での測定時の湿度の影響が軽減する。
<Counter electrode> In the carbon dioxide sensor of the present invention,
A metal or metal oxide is used for the counter electrode. The metal or metal oxide used may be any one or more of the same metals or oxides thereof as the above-described current collector of the sensing electrode, and the same metal oxide as the metal oxide layer. By using a metal oxide for the counter electrode, the influence of the coexisting gas is reduced, and high carbon dioxide selectivity is obtained. Further, the moisture resistance is improved, and the influence of humidity, particularly at the time of measurement at a low temperature, is reduced.

【0059】対極は、集電体と同じく、多孔質金属また
は多孔質金属酸化物が好ましい。特に、金属酸化物の粉
末ペーストを圧着またはスクリーン印刷して構成する粉
末電極が好ましい。金属メッシュは、保持力があればメ
ッシュサイズは特に制限されない。粉末電極を形成する
ためのペーストに用いる金属粉末、金属酸化物粉末の平
均粒径は10nm〜100μm 、特に10nm〜10μm が
好ましい。また、ペーストの溶媒としては、用いる金属
または金属酸化物が溶解、反応しない有機溶媒で、室温
蒸気圧が比較的低く、作業性がよいものであればよい。
特に、α−テルピネオール、エチレングリコール、グリ
セリン等が好ましい。スラリーの粘度は0.1〜100,000P
とすることが好ましい。
The counter electrode is preferably made of a porous metal or a porous metal oxide, like the current collector. In particular, a powder electrode formed by pressing or screen printing a metal oxide powder paste is preferable. The mesh size of the metal mesh is not particularly limited as long as it has a holding force. The average particle size of the metal powder and the metal oxide powder used for the paste for forming the powder electrode is preferably from 10 nm to 100 μm, particularly preferably from 10 nm to 10 μm. The paste solvent may be any organic solvent that does not dissolve or react with the metal or metal oxide used, and has a relatively low vapor pressure at room temperature and good workability.
Particularly, α-terpineol, ethylene glycol, glycerin and the like are preferable. Slurry viscosity 0.1 ~ 100,000P
It is preferable that

【0060】多孔質電極の細孔径は0.5〜500μm
が好ましい。
The pore diameter of the porous electrode is 0.5 to 500 μm
Is preferred.

【0061】<二酸化炭素濃度の測定方法>本発明のセ
ンサは、二酸化炭素存在下では、二酸化炭素と水分とに
由来する炭酸水素イオン(HCO3 -)が、検知極の金属
酸化物表面または固体電解質表面に形成されると考えら
れる。通常、これらすべてに形成されると考えられる。
そして、この炭酸水素イオンの解離平衡を電解質の可動
イオンの活量に変換して、二酸化炭素濃度の変化を起電
力として検出する。固体電解質にNASICONを用い
た場合、HCO3 -が固体電解質表面、検知極の固体電解
質表面または金属酸化物表面のいずれに形成されても、
電解質中の可動イオンであるNa+が、HCO3 -に引き
寄せられ、検知極近傍に移動する。また、イオン伝導性
に優れる金属酸化物表面にHCO3 -が形成されると、電
解質中の可動イオンであるNa+が金属酸化物層中に侵
入する。このとき、NaHCO3が生成する場合もあ
る。また、検知極中の固体電解質成分も可動イオンの供
給体として働き、二酸化炭素濃度の変化が固体電解質の
金属イオンの活量変化により速やかに変換される。
<Method of Measuring Carbon Dioxide Concentration>
In the presence of carbon dioxide, the sensor converts to carbon dioxide and moisture.
Bicarbonate ion (HCOThree -) Is the sensing electrode metal
Supposedly formed on oxide surface or solid electrolyte surface
It is. Usually, it is thought that all of them are formed.
And the dissociation equilibrium of bicarbonate ion
Convert to changes in carbon dioxide concentration by converting to ion activity
Detect as force. Using NASICON for solid electrolyte
HCOThree -Is the solid electrolyte surface, the solid electrolyte of the sensing electrode
Whether formed on a porous surface or a metal oxide surface,
Na, a mobile ion in the electrolyte+But HCOThree -Pull to
And move to the vicinity of the detection pole. Also, ionic conductivity
Excellent HCO on metal oxide surfaceThree -Is formed,
Na which is a mobile ion during the decomposition+Penetrate into the metal oxide layer
Enter. At this time, NaHCOThreeMay be generated
You. In addition, the solid electrolyte component in the sensing electrode also supplies mobile ions.
Acts as a feeder and changes in carbon dioxide concentration
It is quickly converted by a change in the activity of the metal ion.

【0062】炭酸水素イオンが電子伝導性に優れる金属
酸化物表面に形成される場合、金属酸化物が導電体とし
て作用し、起電力が発生する。電子伝導性に優れる金属
酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、
酸化コバルト、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化鉛、
酸化銅、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロム等が挙げら
れる。
When bicarbonate ions are formed on the surface of a metal oxide having excellent electron conductivity, the metal oxide acts as a conductor and generates an electromotive force. Examples of metal oxides having excellent electron conductivity include indium oxide, tin oxide,
Cobalt oxide, tungsten oxide, zinc oxide, lead oxide,
Examples include copper oxide, iron oxide, nickel oxide, and chromium oxide.

【0063】炭酸水素イオンがイオン伝導性に優れる金
属酸化物表面に形成される場合、前述の通り、固体電解
質中の可動イオン種が金属酸化物中に侵入することによ
り、起電力が発生する。イオン伝導性に優れる金属酸化
物としては、例えば、酸化ビスマス、酸化セリウム等が
挙げられる。
When bicarbonate ions are formed on the surface of a metal oxide having excellent ion conductivity, as described above, an electromotive force is generated when mobile ion species in the solid electrolyte penetrate into the metal oxide. Examples of the metal oxide having excellent ion conductivity include bismuth oxide and cerium oxide.

【0064】なお、形成される炭酸水素イオンは、検知
極の金属酸化物表面または固体電解質表面に直接吸着な
いし結合していても、検知極の固体電解質成分の表面、
金属酸化物表面または固体電解質表面の−OH基に直
接、または水(H2O)を介して吸着ないし結合してい
てもよい。
Even if the formed hydrogen carbonate ion is directly adsorbed or bonded to the metal oxide surface or the solid electrolyte surface of the sensing electrode, the surface of the solid electrolyte component of the sensing electrode,
It may be adsorbed or bonded directly to —OH groups on the surface of the metal oxide or the surface of the solid electrolyte or via water (H 2 O).

【0065】本発明のセンサにおいて、二酸化炭素の測
定に、HCO3 -が関与していることは、赤外吸収スペク
トル(IR)や質量分析の結果から確認される。また、
後記実験例2の結果によっても示唆される。
The fact that HCO 3 is involved in the measurement of carbon dioxide in the sensor of the present invention can be confirmed from the results of infrared absorption spectrum (IR) and mass spectrometry. Also,
This is also suggested by the results of Experimental Example 2 described later.

【0066】また、測定の際の湿度の影響を少なくし、
かつドリフトを低減する上では、金属酸化物として酸化
インジウムを用いることが好ましいが、その機構につい
ては明らかでない。さらに、室温〜100℃の温度で結
晶水をもつ金属塩を固体電解質表面に存在させることに
よって、測定の際の湿度の影響が少なくなり、かつドリ
フトの低減化が図られるが、室温〜100℃の温度で結
晶水をもつ金属塩の結晶水の付加状態の変化などが関与
していると考えられる。
In addition, the influence of humidity upon measurement is reduced,
In addition, in order to reduce drift, it is preferable to use indium oxide as the metal oxide, but the mechanism is not clear. In addition, the presence of a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. on the surface of the solid electrolyte reduces the influence of humidity at the time of measurement and reduces drift. It is considered that the change of the state of addition of the water of crystallization of the metal salt having water of crystallization at the temperature is involved.

【0067】<センサ構造>本発明の二酸化炭素センサ
の構成例を、図1、2に示す。図1は、固体電解質2を
挟んで、金属酸化物層4と集電体5とから成る検知極3
および対極6を対向して設けている分離型の二酸化炭素
センサ1である。そして、固体電解質2と集電体5との
間には、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩と、
室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩との混合物
層7が、介在している。このとき、固体電解質2と金属
メッシュからなる集電体5中に侵入した金属酸化物層4
との界面に、これらの化合物が存在していればよく、固
体電解質2および/または金属酸化物層4を含む集電体
5に拡散して含有される形で存在していてもよい。
<Sensor Structure> FIGS. 1 and 2 show examples of the structure of the carbon dioxide sensor of the present invention. FIG. 1 shows a detection electrode 3 composed of a metal oxide layer 4 and a current collector 5 with a solid electrolyte 2 interposed therebetween.
And a separation-type carbon dioxide sensor 1 provided with a counter electrode 6 opposed thereto. And, between the solid electrolyte 2 and the current collector 5, a metal bicarbonate and / or a metal carbonate,
A mixture layer 7 with a metal salt having water of crystallization at a temperature between room temperature and 100 ° C. is interposed. At this time, the metal oxide layer 4 penetrating into the current collector 5 comprising the solid electrolyte 2 and the metal mesh
It is sufficient that these compounds exist at the interface with, and may be present in the form of being diffused and contained in the current collector 5 including the solid electrolyte 2 and / or the metal oxide layer 4.

【0068】図2は、金属酸化物層4と集電体5とから
成る検知極3および対極6を固体電解質2の一方の面上
に設けている非分離型の二酸化炭素センサ1である。こ
の態様でも、図1と同様に、固体電解質2と集電体5中
の金属酸化物層4との間に、金属炭酸水素塩および/ま
たは金属炭酸塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をも
つ金属塩とが介在している。非分離型は、集電体の形成
やリードの取り出しをプロセス上簡便にでき、製造工程
が簡略化されるので、生産効率が高くなり、好ましい。
また、素子の小型化が可能である。検知極3および対極
6からはそれぞれリード線が引き出されて、電位差計に
接続されている。
FIG. 2 shows a non-separable carbon dioxide sensor 1 in which a detection electrode 3 and a counter electrode 6 composed of a metal oxide layer 4 and a current collector 5 are provided on one surface of a solid electrolyte 2. Also in this embodiment, similarly to FIG. 1, between the solid electrolyte 2 and the metal oxide layer 4 in the current collector 5, a metal bicarbonate and / or a metal carbonate is crystallized at a temperature of room temperature to 100 ° C. Metal salt with water is interposed. The non-separable type is preferable because the formation of the current collector and the removal of the lead can be simplified in the process and the manufacturing process is simplified, so that the production efficiency is increased.
Further, the size of the element can be reduced. Lead wires are drawn out from the detection electrode 3 and the counter electrode 6, respectively, and connected to a potentiometer.

【0069】本発明の二酸化炭素センサの寸法は特に限
定されないが、検知極が形成される表面を固体電解質の
上面としたとき、通常、固体電解質の厚さは1μm〜5m
m程度、固体電解質の上面の面積は1μm2〜200mm2
度である。また、検知極の厚さは0.1〜100μm程
度、検知極の面積は0.5μm2〜200mm2程度であ
る。また、対極の厚さは0.1〜100μm程度、対極
の面積は0.5μm2〜200mm2程度である。
Although the size of the carbon dioxide sensor of the present invention is not particularly limited, when the surface on which the detection electrode is formed is the upper surface of the solid electrolyte, the thickness of the solid electrolyte is usually 1 μm to 5 m.
m and the area of the upper surface of the solid electrolyte is about 1 μm 2 to 200 mm 2 . The thickness of the sensing electrode is about 0.1 to 100 μm, and the area of the sensing electrode is about 0.5 μm 2 to 200 mm 2 . The thickness of the counter electrode is about 0.1 to 100 μm, and the area of the counter electrode is about 0.5 μm 2 to 200 mm 2 .

【0070】本発明の二酸化炭素センサの最適作動温度
は、センサ素子を構成する材料や共存ガスの種類等によ
っても異なるが、−70℃〜200℃、好ましくは−7
0℃〜150℃、より好ましくは−50℃〜120℃の
範囲である。これより高い温度では、おそらく吸着水分
が減少し、炭酸水素イオンが形成されにくいために、二
酸化炭素濃度に対する起電力の変化が小さくなり、二酸
化炭素濃度を測定できなくなってくる。高温で測定不能
になったセンサも、室温程度まで温度を下げると性能が
回復し、応答が見られるようになる。本発明の二酸化炭
素センサは、従来の固体電解質を用いた二酸化炭素セン
サよりも低温で作動することができ、消費電力の低減が
可能である。また、高温にしなくてよいので、ヒータの
熱による測定環境の変化も十分小さくすることができ
る。
The optimum operating temperature of the carbon dioxide sensor of the present invention varies depending on the material constituting the sensor element, the type of coexisting gas, and the like, but is -70 ° C to 200 ° C, preferably -7 ° C.
The range is from 0 ° C to 150 ° C, more preferably from -50 ° C to 120 ° C. At a temperature higher than this, the change in electromotive force with respect to the carbon dioxide concentration becomes small, probably because the amount of adsorbed water decreases and bicarbonate ions are hardly formed, so that the carbon dioxide concentration cannot be measured. The performance of a sensor that cannot be measured at high temperature is restored when the temperature is lowered to about room temperature, and a response can be seen. The carbon dioxide sensor of the present invention can operate at a lower temperature than a conventional carbon dioxide sensor using a solid electrolyte, and can reduce power consumption. Since the temperature does not need to be high, the change in the measurement environment due to the heat of the heater can be sufficiently reduced.

【0071】また、本発明の二酸化炭素センサは、応答
性もよく、1秒〜3分で応答が得られる。
The carbon dioxide sensor of the present invention has good responsiveness, and a response can be obtained in one second to three minutes.

【0072】素子構成において、ヒーターは室温作動可
能なセンサにおいては不要であるが、季節による温度差
を考慮するとヒーターをつけることが好ましい。
In the element configuration, a heater is not necessary for a sensor that can be operated at room temperature, but it is preferable to provide a heater in consideration of a seasonal temperature difference.

【0073】[0073]

【実施例】以下、本発明を実施例によって説明するが、
実施例に先立って実験例を示す。また、比較例も示す。
The present invention will be described below with reference to examples.
An experimental example will be described prior to the example. Comparative examples are also shown.

【0074】<実験例1>固体電解質のNASICON
(具体的にはNa3Zr2Si2PO12)ペレット(10m
m径、1mm厚さ)の下面には、Ptメッシュ(100メ
ッシュ)を設け、対極とした。
<Experimental example 1> NASICON of solid electrolyte
(Specifically, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) pellets (10 m
A Pt mesh (100 mesh) was provided on the lower surface of (m diameter, 1 mm thickness) to serve as a counter electrode.

【0075】一方、固体電解質の上面に集電体のAuメ
ッシュ(100メッシュ)を設けた。次に、その上に、
後述の金属酸化物粉末(それぞれ平均粒径:10nm〜1
00μm )をペースト状[5%(質量百分率)のエチル
セルロースとα−テルピネオールとを混合したものを用
いた。粘度10,000〜100,000P]にしたものを塗布し、焼
き付けて検知極とした。
On the other hand, a current collector Au mesh (100 mesh) was provided on the upper surface of the solid electrolyte. Then, on top of that,
Metal oxide powder described later (average particle diameter: 10 nm to 1 each)
00 μm) was used as a paste [a mixture of 5% (mass percentage) of ethylcellulose and α-terpineol). Viscosity of 10,000 to 100,000P] was applied and baked to form a detection electrode.

【0076】最後に、検知極表面だけが露出するよう
に、対極側に乾燥標準空気を封入したガラス管を無機接
着剤(東亞合成化学社製、アロンセラミックC)で接着
して被覆した。そして、それぞれの電極からリード線を
接続し、分離型の二酸化炭素センサを得た(図1参照。
ただし、混合物層なし)。また、検知極を、金属酸化物
層を設けることなく、Auメッシュ集電体のみとしたセ
ンサを作製した。
Finally, a glass tube filled with dry standard air was bonded to the counter electrode side with an inorganic adhesive (Aron Ceramic C, manufactured by Toagosei Chemical Co., Ltd.) so that only the detection electrode surface was exposed. Then, a lead wire was connected from each electrode to obtain a separated carbon dioxide sensor (see FIG. 1).
However, there is no mixture layer). Further, a sensor in which the detection electrode was provided only with the Au mesh current collector without providing the metal oxide layer was manufactured.

【0077】なお、金属酸化物はZrO2、Co34
CuO、ZnO、Al23、In2 3、SnO2、Bi2
3の8種を用いた。
The metal oxide is ZrOTwo, CoThreeOFour,
CuO, ZnO, AlTwoOThree, InTwoO Three, SnOTwo, BiTwo
OThreeWere used.

【0078】検知極側にはCO2を含む合成空気を10
0cm3/minで流通させ、作動温度が30℃、相対湿度
(RH)が30〜70%の条件下で、検知極と対極間に
生じる電位差(起電力EMF)をセンサ信号としてエレ
クトロメータで測定した。被検ガス中の水蒸気分圧は乾
燥空気をバブリングすることで制御した。
On the sensing electrode side, 10 synthetic air containing CO 2 was applied.
Under an operating temperature of 30 ° C. and a relative humidity (RH) of 30 to 70%, a potential difference (electromotive force EMF) generated between the detection electrode and the counter electrode is measured by an electrometer as a sensor signal under a condition of a circulation of 0 cm 3 / min and a relative humidity (RH) of 30 to 70%. did. The partial pressure of water vapor in the test gas was controlled by bubbling dry air.

【0079】30℃、50%RHにおける300ppmCO2
と3000ppmCO2に対する各センサの起電力差(ΔEMF=
EMF3000ppm-EMF300ppm)を調べた。
300 ppm CO 2 at 30 ° C. and 50% RH
Difference between each sensor and 3000ppmCO 2 (ΔEMF =
EMF 3000 ppm-EMF 300 ppm).

【0080】いずれの金属酸化物もAu単独よりも高い
CO2感度を示した。特に、SnO2を用いた場合に最も
高い感度を示したが、湿度の影響を大きく受けることが
明らかになった。
All metal oxides showed higher CO 2 sensitivity than Au alone. In particular, when SnO 2 was used, the highest sensitivity was exhibited, but it was found that the sensitivity was greatly affected by humidity.

【0081】一方、In23を用いた素子ではSnO2
の場合と同程度の高いCO2感度が得られたが、湿度の
影響は小さいことがわかった。このIn23を用いたセ
ンサの30℃における起電力応答はCO2濃度の対数に
比例した。そのCO2感度(ΔEMF)は湿度変化に対して
ほぼ安定しているものの、ベースガス(300ppmCO2
に対する起電力値は大きくシフトすることが判明した。
On the other hand, in a device using In 2 O 3 , SnO 2
Although the same high CO 2 sensitivity as in the case of was obtained, it was found that the influence of humidity was small. The electromotive force response of the sensor using In 2 O 3 at 30 ° C. was proportional to the logarithm of the CO 2 concentration. Although its CO 2 sensitivity (ΔEMF) is almost stable against changes in humidity, base gas (300 ppm CO 2 )
It has been found that the electromotive force value for shifts greatly.

【0082】以上のことから、上記のタイプのセンサで
は、従来の高温作動型CO2センサのように固体電解質
表面にCO2に応答する補助相(炭酸塩)を付加してい
ないにもかかわらず、CO2応答が得られていることが
確認された。これは、センサを作製した時点あるいは被
検ガス中での作動中に固体電解質と酸化物の界面にCO
2感応物質が生成しているためと考えられる。
As described above, in the sensor of the type described above, unlike the conventional high-temperature-operated type CO 2 sensor, an auxiliary phase (carbonate) responsive to CO 2 is not added to the surface of the solid electrolyte. , CO 2 response was obtained. This is because the interface between the solid electrolyte and the oxide at the time when the sensor is fabricated or during operation in the test gas
It is considered that 2 sensitive substances were generated.

【0083】<実験例2>実験例1のセンサのうち、金
属酸化物としてIn23を用いたセンサにおいて、NASI
CON表面にCO2感応物質として、Na2CO3、NaHC
3、Na3PO4をそれぞれ形成したセンサを得た(図
1参照)。
<Experimental Example 2> Among the sensors of Experimental Example 1, a sensor using In 2 O 3 as a metal oxide
Na 2 CO 3 , NaHC as CO 2 sensitive substance on CON surface
Sensors formed with O 3 and Na 3 PO 4 respectively were obtained (see FIG. 1).

【0084】これらの3種センサを用いて、実験例1と
同様にして、CO2応答特性を調べた。
Using these three types of sensors, the CO 2 response characteristics were examined in the same manner as in Experimental Example 1.

【0085】その結果、CO2感度の増大効果はNa2
3よりもNaHCO3の方が若干大きいことがわかっ
た。また、Na2CO3、NaHCO3をセンサ材料とし
て用いた場合は、水蒸気の影響を受けることがわかっ
た。
As a result, the effect of increasing the CO 2 sensitivity was Na 2 C
It was found that NaHCO 3 was slightly larger than O 3 . Further, it was found that when Na 2 CO 3 and NaHCO 3 were used as the sensor material, they were affected by water vapor.

【0086】一方、Na3PO4(無水)を付加したセン
サでは、センサ表面に水分(イオン交換水)を添加する
ことにより、そのセンサ特性に以下のような変化がみら
れた。すなわち、水分を添加する前の測定においては、
CO2濃度変化に対する応答起電力値のドリフトが見ら
れ、応答起電力が不安定であり、CO2感度(ΔEMF)の
増加もみられないことがわかった。一方、センサ表面に
水分を添加したものでは、感度の増加がみられ、ベース
起電力の湿度依存性がかなり低減することがわかった。
図3に、水分を添加したNa3PO4付加センサについ
て、30℃で、30%RH、50%RH、70%RHと
湿度条件をかえたときのCO2濃度変化に対するCO2
答曲線を示す。なお、図中の300、500、100
0、2000、3000の数値はCO2濃度であり、単
位はppmである。
On the other hand, in the sensor to which Na 3 PO 4 (anhydrous) was added, the following changes were observed in the sensor characteristics by adding water (ion-exchanged water) to the sensor surface. That is, in the measurement before adding water,
It was found that the response electromotive force drifted with respect to the CO 2 concentration change, the response electromotive force was unstable, and the CO 2 sensitivity (ΔEMF) did not increase. On the other hand, when moisture was added to the sensor surface, the sensitivity was increased, and the humidity dependency of the base electromotive force was considerably reduced.
FIG. 3 shows a CO 2 response curve with respect to a change in the CO 2 concentration when the humidity conditions were changed to 30% RH, 50% RH, and 70% RH at 30 ° C. for the Na 3 PO 4 added sensor to which water was added. . In addition, 300, 500, 100 in the figure
The numerical values of 0, 2000, and 3000 are CO 2 concentrations, and the unit is ppm.

【0087】このように、湿度依存性が低減することか
ら、Na3PO4は、界面近傍の水蒸気分圧を制御する役
割を果たしているのではないかと思われる。
As described above, since the humidity dependency is reduced, it is considered that Na 3 PO 4 plays a role of controlling the partial pressure of water vapor near the interface.

【0088】Na3PO4(無水)について、水分の添加
前後のX線回折(XRD)分析を行い、XRDパターン
の検討を行ったところ、Na3PO4(無水)は、水分を
添加することにより、Na3PO4・12H2Oに変化す
ることが判明した。さらに、熱重量分析(TG)の結果
より、このNa3PO4・12H2Oは室温乾燥空気中で
も脱水し、約50℃においては無水和物に近い状態であ
ることもわかった。このようなことから、Na3PO
4が、その結晶水の付加状態をかえるなどして、湿度依
存性を緩和していると予想される。
[0088] The Na 3 PO 4 (anhydrous), the X-ray diffraction before and after the addition of water (XRD) analysis was performed to study the XRD pattern, Na 3 PO 4 (anhydrous) is the addition of water It turned out to change to Na 3 PO 4 .12H 2 O. Further, from the result of thermogravimetric analysis (TG), it was also found that this Na 3 PO 4 .12H 2 O was dehydrated even in dry air at room temperature, and at about 50 ° C., it was in a state close to an anhydrate. Because of this, Na 3 PO
4 is expected to reduce the humidity dependence by changing the state of addition of the crystallization water.

【0089】以上より、CO2感度に対してはHCO3 -
が、また湿度依存性に対してはNa3PO4が、それぞれ
寄与していると考えられる。
As described above, the CO 2 sensitivity is lower than that of HCO 3
However, it is considered that Na 3 PO 4 contributes to the humidity dependency.

【0090】次に、これに基づく実施例を比較例ととも
に示す。
Next, examples based on this will be shown together with comparative examples.

【0091】<実施例1>固体電解質のNASICON
(具体的にはNa3Zr2Si2PO12)ペレット(10m
m径、1mm厚さ)の下面には、Ptメッシュ(100メ
ッシュ)を設け、対極とした。
Example 1 NASICON of Solid Electrolyte
(Specifically, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) pellets (10 m
A Pt mesh (100 mesh) was provided on the lower surface of (m diameter, 1 mm thickness) to serve as a counter electrode.

【0092】一方、固体電解質の上面に、Na3PO4
末(平均粒径:0.1〜100μm)に、5%(質量百
分率)のエチルセルロースとα−テルピネオールとを混
合したものを加えて混合し、ペースト状にしたもの(粘
度は10,000〜100,000P)を塗布し、焼き付けた。焼き付
け温度は800℃で2時間とした。そして、その上面に
集電体のAuメッシュ(100メッシュ)を設けた。
On the other hand, a mixture of 5% (mass percentage) of ethyl cellulose and α-terpineol in 5% (mass percentage) of Na 3 PO 4 powder (average particle size: 0.1 to 100 μm) was added to the upper surface of the solid electrolyte. Then, a paste (with a viscosity of 10,000 to 100,000 P) was applied and baked. The baking temperature was 800 ° C. for 2 hours. A current collector Au mesh (100 mesh) was provided on the upper surface.

【0093】次に、この上に、In23粉末(平均粒
径:50nm)50mgに、5%(質量百分率)のエチルセ
ルロースとα−テルピネオールとを混合したものを加え
て混合し、ペースト状にしもの(粘度は10,000〜100,00
0P)を塗布し、焼き付けた。
Then, a mixture of 5% (mass percentage) of ethylcellulose and α-terpineol was added to 50 mg of In 2 O 3 powder (average particle size: 50 nm), and the mixture was mixed. Nishimono (viscosity 10,000-100,00
0P) was applied and baked.

【0094】NaHCO3粉末(平均粒径:0.1〜1
00μm )と水とを混合し、ペースト状にしたものを上
記のIn23層に含浸させ、固体電解質上に担持させる
ようにし、その後乾燥した。このようにして検知極を作
製した。
NaHCO 3 powder (average particle size: 0.1 to 1)
00 μm) and water to form a paste, impregnated into the above In 2 O 3 layer, supported on a solid electrolyte, and then dried. Thus, a detection electrode was produced.

【0095】最後に、検知極表面だけが露出するよう
に、対極側に乾燥標準空気を封入したガラス管を無機接
着剤(東亞合成化学社製、アロンセラミックC)で接着
して被覆した。そして、それぞれの電極からリード線を
接続し、図1のような分離型の二酸化炭素センサを得
た。応答特性は次のようにして調べた。
Finally, a glass tube filled with dry standard air on the counter electrode side was coated with an inorganic adhesive (Aron Ceramic C, manufactured by Toagosei Chemical Co., Ltd.) so that only the surface of the detection electrode was exposed. Then, a lead wire was connected from each of the electrodes to obtain a separation-type carbon dioxide sensor as shown in FIG. The response characteristics were examined as follows.

【0096】検知極側にはCO2を含む合成空気を10
0cm3/minで流通させ、作動温度が30℃、相対湿度
(RH)が30〜70%の条件下で、検知極と対極間に
生じる電位差(起電力EMF)をセンサ信号(出力)と
してエレクトロメータで測定した。被検ガス中の水蒸気
分圧は乾燥空気をバブリングすることで制御した。CO
2濃度を300ppm、500ppm、1000ppm、2000
ppm、3000ppmとした被検ガスについて、相対湿度に
対する起電力(EMF)の関係を図4に示す。また、3
0℃50%RH条件下でのCO2濃度の対数に対する起
電力(EMF)の関係を図5に示す。また、CO2濃度
1000ppm、30℃40%RH条件下での酸素濃度
(体積%)に対する起電力(EMF)の関係を図6に示
す。
On the detection electrode side, synthetic air containing CO 2
Under the condition that the operating temperature is 30 ° C. and the relative humidity (RH) is 30 to 70%, the potential difference (electromotive force EMF) generated between the detection electrode and the counter electrode is used as a sensor signal (output) at a flow rate of 0 cm 3 / min. It was measured with a meter. The partial pressure of water vapor in the test gas was controlled by bubbling dry air. CO
2 300 ppm, 500 ppm, 1000 ppm, 2000
FIG. 4 shows the relationship between the relative humidity and the electromotive force (EMF) for the test gas set to 3000 ppm and 3000 ppm. Also, 3
FIG. 5 shows the relationship between the logarithm of the CO 2 concentration and the electromotive force (EMF) under the condition of 0 ° C. and 50% RH. FIG. 6 shows the relationship between the electromotive force (EMF) and the oxygen concentration (% by volume) under the conditions of a CO 2 concentration of 1000 ppm and a temperature of 30 ° C. and a relative humidity of 40%.

【0097】その結果、CO2感度の改善がみられるだ
けでなく、相対湿度を30〜70%の間で変化させても
各CO2濃度に対する起電力値はほぼ安定していること
がわかった(図4)。また、図5に示すように本発明の
センサの応答起電力はCO2濃度の対数に比例した。さ
らに、図6に示すように本発明のセンサの応答起電力は
2濃度に依存しないことがわかった。
As a result, it was found that not only the sensitivity of CO 2 was improved, but also that the electromotive force for each CO 2 concentration was almost stable even when the relative humidity was changed between 30% and 70%. (FIG. 4). Further, as shown in FIG. 5, the response electromotive force of the sensor of the present invention was proportional to the logarithm of the CO 2 concentration. Further, as shown in FIG. 6, it was found that the response electromotive force of the sensor of the present invention did not depend on the O 2 concentration.

【0098】また、CO2濃度1000ppmの被検ガスを
用い、30℃40%RH条件下で、センサが平衡状態に
達してから500時間後の起電力(EMF)を調べ、初
期値からの変化率(%)を求めたところ、5%程度であ
り、ドリフトが少ないことがわかった。
Further, using a test gas having a CO 2 concentration of 1000 ppm, an electromotive force (EMF) 500 hours after the sensor reached an equilibrium state at 30 ° C. and 40% RH was examined, and a change from an initial value was obtained. When the rate (%) was determined, it was about 5%, and it was found that the drift was small.

【0099】<実施例2>ペレットの上面、つまり検知
極と同一面内の固体電解質表面に、実施例1と同様にし
てPtメッシュ(100メッシュ)を検知極と接しない
ように設けて対極とした。
<Example 2> A Pt mesh (100 mesh) was provided on the upper surface of the pellet, that is, on the surface of the solid electrolyte in the same plane as the detection electrode in the same manner as in Example 1 so as not to be in contact with the detection electrode. did.

【0100】実施例1と同様にして、図2に示すよう
に、Na3PO4のペーストを固体電解質のNASICO
Nペレット(10mm径、1mm厚さ)の上面約半分より小
さい領域に塗布し、実施例1と同様に焼き付けた。その
後、この塗布領域の上面に集電体のAuメッシュ(10
0メッシュ)を設けた。次に、NASICONペレット
の上面約半分の領域になるように、In23ペースト
(実施例1と同)を塗布し、焼き付けた。さらに、実施
例1と同じNa3PO4ペーストを上記のIn23層に含
浸させ、固体電解質上に担持させるようにし、その後乾
燥した。
In the same manner as in Example 1, as shown in FIG. 2, a paste of Na 3 PO 4 was
It was applied to a region smaller than about half of the upper surface of the N pellet (diameter: 10 mm, thickness: 1 mm) and baked in the same manner as in Example 1. Then, a current collector Au mesh (10
0 mesh). Next, an In 2 O 3 paste (same as in Example 1) was applied and baked so as to cover a region of about half of the upper surface of the NASICON pellet. Further, the same Na 3 PO 4 paste as in Example 1 was impregnated into the above-mentioned In 2 O 3 layer, supported on the solid electrolyte, and then dried.

【0101】そして、それぞれの電極からリード線を接
続し、図2のような非分離型の二酸化炭素センサを得
た。
Then, a lead wire was connected from each electrode to obtain a non-separable carbon dioxide sensor as shown in FIG.

【0102】このセンサについて、実施例1と同様にし
てCO2応答特性を調べたところ、実施例1と同等以上
の良好な結果が得られた。
The CO 2 response characteristics of this sensor were examined in the same manner as in Example 1. As a result, good results equivalent to or better than those of Example 1 were obtained.

【0103】<実施例3>実施例1において、対極とし
てPtメッシュを設けた固体電解質の反対面に、実施例
1と同様にAuメッシュを設け、さらに、その上に、実
施例1と同じIn 23ペーストを塗布し、650℃で2
時間焼き付けた。そして、NaHCO3の過飽和状態の
水溶液とNa3PO4の過飽和状態の水溶液とをそれぞれ
In23層の上から含浸させ、固体電解質上に担持させ
た。それ以外は、実施例1と同様にして二酸化炭素セン
サを作製した。これについて、同様にCO2応答特性を
調べたところ、実施例1と同様の結果が得られた。
<Embodiment 3> In Embodiment 1, a counter electrode is used.
Example on the opposite surface of the solid electrolyte provided with the Pt mesh
1. An Au mesh was provided in the same manner as in No. 1, and further,
In same as Example 1 TwoOThreeApply paste and apply 2 at 650 ° C
Burned for hours. And NaHCOThreeOversaturated
Aqueous solution and NaThreePOFourAnd the supersaturated aqueous solution of
InTwoOThreeImpregnated from above the layer and supported on the solid electrolyte
Was. Otherwise, in the same manner as in Example 1,
A sample was prepared. In this regard, the COTwoResponse characteristics
Upon examination, the same results as in Example 1 were obtained.

【0104】なお、固体電解質表面におけるNaHCO
3担持量は1〜50mg/cm2、Na3PO4担持量は1〜5
0mg/cm2と考えられ、一部検知極(特にIn23層)に
も含浸されている。
The NaHCO on the solid electrolyte surface
3 The supported amount is 1 to 50 mg / cm 2 , and the Na 3 PO 4 supported amount is 1 to 5
It is considered to be 0 mg / cm 2, and a part of the detection electrode (particularly, the In 2 O 3 layer) is impregnated.

【0105】<実施例4>実施例2の構造(非分離型)
のセンサにおいて、対極をAuメッシュとし、実施例3
と同様の手法に従い、Auメッシュを設け、650℃、
2時間の条件でIn23層を焼き付け、In23層の上
からNaHCO3の過飽和状態の水溶液とNa3PO4
過飽和状態の水溶液とを含浸させ、固体電解質上に担持
させるほかは、実施例2と同様にして二酸化炭素センサ
を作製した。これについて、同様にCO2応答特性を調
べたところ、実施例2と同様の結果が得られた。
<Embodiment 4> Structure of Embodiment 2 (non-separable type)
Example 3
According to the same method as above, an Au mesh was provided, and 650 ° C.
Baking the In 2 O 3 layer under conditions of 2 hours, In 2 O 3 layer is impregnated with an aqueous solution supersaturated aqueous solution and Na 3 PO 4 supersaturated of NaHCO 3 from the top of, in addition to be carried on the solid electrolyte Produced a carbon dioxide sensor in the same manner as in Example 2. When the CO 2 response characteristics were examined in the same manner, the same results as in Example 2 were obtained.

【0106】<比較例1>実施例1のセンサにおいて、
Na3PO4を付加しないほかは同様にしてセンサを得、
応答特性を調べたところ、実験例2が示すとおり、湿度
による影響が大きいことがわかった。また、ドリフトも
大きく、実施例1と同様に調べると10%程度の変化を
示すことがわかった。
<Comparative Example 1> In the sensor of Example 1,
A sensor was obtained in the same manner except that Na 3 PO 4 was not added,
When the response characteristics were examined, it was found that the effect of humidity was large as shown in Experimental Example 2. Further, the drift was large, and it was found that a change of about 10% was exhibited in the same manner as in Example 1.

【0107】<比較例2>実施例1のセンサにおいて、
NaHCO3を付加しないほかは同様にしてセンサを
得、応答特性を調べたところ、実験例2から予想される
とおり、感度が十分でなかった。
<Comparative Example 2> In the sensor of Example 1,
A sensor was obtained in the same manner except that NaHCO 3 was not added, and the response characteristics were examined. As expected from Experimental Example 2, the sensitivity was not sufficient.

【0108】<比較例3>実施例3のセンサにおいて、
Na3PO4水溶液のかわりに、0.1mol/lのNaOH
水溶液を注入するほかは、同様にしてセンサを得、特性
を調べたところ、湿度による影響、ドリフトの改善はみ
られなかった。
<Comparative Example 3> In the sensor of Example 3,
Instead of Na 3 PO 4 aqueous solution, 0.1 mol / l NaOH
Except for injecting the aqueous solution, a sensor was obtained in the same manner, and the characteristics were examined. As a result, no influence by humidity and no improvement in drift were found.

【0109】<実施例5>実施例1〜4において、ナト
リウムリン酸塩のかわりに、カリウムリン酸塩、リチウ
ムリン酸塩、ルビジウムリン酸塩、セシウムリン酸塩
(いずれも結晶水の付加物が存在する塩)をそれぞれ用
いるほかは同様にしてセンサを作製し、同様に特性を調
べたところ、各素子構造に応じ、同様の結果が得られ
た。
<Example 5> In Examples 1-4, potassium phosphate, lithium phosphate, rubidium phosphate, and cesium phosphate (all of which were obtained by adding water of crystallization) instead of sodium phosphate A sensor was produced in the same manner except that each of the above-mentioned (salts) was used, and the characteristics were examined in the same manner. As a result, similar results were obtained depending on the element structure.

【0110】<実施例6>実施例1〜4において、ナト
リウムリン酸塩のかわりに、結晶水付加物が存在しうる
Na2HPO4、NaH2PO4、NaPH22、Na2
HO3、NaHPHO3、Na426、Na22
26、Na427、Na2227をそれぞれ用いる
ほかは同様にしてセンサを作製し、同様に特性を調べた
ところ、各素子構造に応じ、同様の結果が得られた。
<Example 6> In Examples 1 to 4, Na 2 HPO 4 , NaH 2 PO 4 , NaPH 2 O 2 , Na 2 P in which a water of crystallization may be present instead of sodium phosphate.
HO 3 , NaHPHO 3 , Na 4 P 2 O 6 , Na 2 H 2 P
A sensor was fabricated in the same manner except that 2 O 6 , Na 4 P 2 O 7 , and Na 2 H 2 P 2 O 7 were used, respectively, and the characteristics were examined in the same manner. Obtained.

【0111】<実施例7>実施例1〜6において、検知
極の集電体にAuメッシュを設ける代わりに、Au粉末
(平均粒径:0.1〜100μm)にα−テルピネオー
ルを加えたペースト(粘度10,000〜100,00
0P)を塗布し、700℃で2時間加熱処理して多孔質
の粉末電極を設けた他は、実施例1〜6と同様にしてセ
ンサを作製し、特性を調べた。各素子構造に応じ、同様
の結果が得られとともに、応答速度が速くなることがわ
かった。
<Embodiment 7> In Embodiments 1 to 6, paste obtained by adding α-terpineol to Au powder (average particle size: 0.1 to 100 μm) instead of providing an Au mesh on the current collector of the detection electrode. (Viscosity 10,000-100,00
0P) was applied, and a heat treatment was performed at 700 ° C. for 2 hours to provide a porous powder electrode, except that a sensor was prepared and characteristics were examined in the same manner as in Examples 1 to 6. It was found that similar results were obtained and the response speed was increased depending on each element structure.

【0112】<実施例8>実施例1〜6において、対極
にPtメッシュあるいはAuメッシュを設ける代わり
に、NASICONペレット面に、In23粉末(平均
粒径:50nm)にα−テルピネオールを加えたペースト
を塗布し、650℃で2時間加熱処理して多孔質の粉末
電極を設けた他は、実施例1〜6と同様にしてセンサを
作製し、特性を調べた。各素子構造に応じ、同様の結果
が得られとともに、CO2選択性が増すことがわかっ
た。
<Embodiment 8> In Embodiments 1 to 6, instead of providing a Pt mesh or Au mesh on the counter electrode, α-terpineol was added to the surface of the NASICON pellet to In 2 O 3 powder (average particle size: 50 nm). The paste was applied, and a heat treatment was performed at 650 ° C. for 2 hours to provide a porous powder electrode. It was found that similar results were obtained and that the CO 2 selectivity increased according to each device structure.

【0113】[0113]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、湿度に
よる影響が少なく、かつドリフトの改善を図ることがで
きる。
As described above, according to the present invention, the influence of humidity is small and drift can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の分離型二酸化炭素センサの一構成例を
示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one configuration example of a separation-type carbon dioxide sensor of the present invention.

【図2】本発明の非分離型二酸化炭素センサの別の構成
例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another configuration example of the non-separable carbon dioxide sensor of the present invention.

【図3】湿度およびCO2濃度を変化させたときのCO2
応答曲線を示すグラフである。
[Figure 3] CO 2 when varying the humidity and CO 2 concentration
It is a graph which shows a response curve.

【図4】各CO2濃度において、湿度に対する起電力
(CO2応答特性)の関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an electromotive force (CO 2 response characteristic) and humidity at each CO 2 concentration.

【図5】CO2濃度の対数に対する起電力(CO2応答特
性)の関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the logarithm of the CO 2 concentration and the electromotive force (CO 2 response characteristic).

【図6】O2濃度に対する起電力(CO2応答特性)の変
化を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a change in electromotive force (CO 2 response characteristic) with respect to O 2 concentration.

【符号の説明】 1 二酸化炭素センサ 2 固体電解質 3 検知極 4 金属酸化物層 5 集電体 6 対極 7 混合物層[Description of Signs] 1 Carbon dioxide sensor 2 Solid electrolyte 3 Detecting electrode 4 Metal oxide layer 5 Current collector 6 Counter electrode 7 Mixture layer

フロントページの続き (72)発明者 南波 憲良 東京都中央区日本橋一丁目13番1号 ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 山添 ▲のぼる▼ 福岡県春日市松ケ丘4−32 (72)発明者 三浦 則雄 福岡県福岡市中央区平尾1−11−18−1402 (72)発明者 島ノ江 憲剛 福岡県大野城市月の浦2−18−2 Fターム(参考) 2G004 ZA04 Continued on the front page (72) Inventor Noriyoshi Nanba 1-13-1 Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo Inside TDK Corporation (72) Inventor Yamazoe Noboru ▼ 4-32 Matsugaoka, Kasuga-shi, Fukuoka Prefecture (72) Inventor Miura Norio 1-111-181402 Hirao, Chuo-ku, Fukuoka Prefecture (72) Inventor Kengo Shimanoe 2-18-2 Tsukinoura, Onojo-shi, Fukuoka F-term (reference) 2G004 ZA04

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 検知極と対極とがそれぞれ固体電解質に
接して設けられた二酸化炭素センサにおいて、 前記固体電解質がアルカリ金属イオンおよび/またはア
ルカリ土類金属イオン導電体を含有し、 前記検知極が金属酸化物層と集電体とを有し、 前記検知極と前記固体電解質との間に、金属炭酸水素塩
および/または金属炭酸塩と、室温〜100℃の温度で
結晶水をもつ金属塩とを介在させた二酸化炭素センサ。
1. A carbon dioxide sensor in which a detection electrode and a counter electrode are provided in contact with a solid electrolyte, wherein the solid electrolyte contains an alkali metal ion and / or an alkaline earth metal ion conductor, and the detection electrode is A metal salt having a metal oxide layer and a current collector, and having a metal bicarbonate and / or a metal carbonate between the sensing electrode and the solid electrolyte and crystal water at a temperature of room temperature to 100 ° C. And a carbon dioxide sensor interposed.
【請求項2】 前記検知極の有する金属酸化物層が前記
固体電解質側に位置し、前記金属酸化物層と前記固体電
解質との間に、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸
塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属塩とを
介在させた請求項1の二酸化炭素センサ。
2. A metal oxide layer of the sensing electrode is located on the side of the solid electrolyte, and a metal bicarbonate and / or a metal carbonate is provided between the metal oxide layer and the solid electrolyte. 2. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein a metal salt having water of crystallization is interposed at a temperature of about 100 [deg.] C.
【請求項3】 前記固体電解質がナトリウムイオン伝導
体である請求項1または2の二酸化炭素センサ。
3. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein said solid electrolyte is a sodium ion conductor.
【請求項4】 前記固体電解質がNa1+xZr2Six
3-x12(x=0〜3)である請求項3の二酸化炭素セ
ンサ。
Wherein said solid electrolyte is Na 1 + x Zr 2 Si x P
The carbon dioxide sensor of the 3-x O 12 (x = 0~3) at a third aspect.
【請求項5】 前記室温〜100℃の温度で結晶水をも
つ金属塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の
塩、アルカリ土類金属のリン酸系の塩、アルミニウムの
リン酸系の塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属酢酸塩、
金属水酸化物(ただし、アルカリ金属水酸化物は除
く。)および金属塩化物のいずれかの一種以上である請
求項1〜4のいずれかの二酸化炭素センサ。
5. The phosphoric acid salt of an alkali metal, the phosphoric acid salt of an alkaline earth metal, and the phosphoric acid of aluminum, wherein the metal salt having water of crystallization at a temperature of from room temperature to 100 ° C. has a water of crystallization. System salts, metal sulfates, metal nitrates, metal acetates,
The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon dioxide sensor is at least one of a metal hydroxide (however, excluding an alkali metal hydroxide) and a metal chloride.
【請求項6】 前記室温〜100℃の温度で結晶水をも
つ金属塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系の
塩であり、この結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸系
の塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸(オルト
リン酸)塩、ホスホン酸塩、ホスフィン酸塩、二リン酸
塩、メタリン酸塩、次リン酸塩、亜リン酸塩およびこれ
らの酸性塩のいずれかの一種以上である請求項1〜5の
いずれかの二酸化炭素センサ。
6. The metal salt having crystallization water at a temperature of room temperature to 100 ° C. is an alkali metal phosphate salt having crystallization water, and the alkali metal phosphate salt having crystallization water. An alkali metal phosphate (orthophosphate) salt, phosphonate, phosphinate, diphosphate, metaphosphate, hypophosphate, phosphite, or an acid salt thereof having a water of crystallization The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 5, which is at least one of the following.
【請求項7】 前記結晶水をもつ、アルカリ金属のリン
酸系の塩が、結晶水をもつ、アルカリ金属のリン酸(オ
ルトリン酸)塩およびこれらの酸性塩のいずれかの一種
以上である請求項6の二酸化炭素センサ。
7. The alkali metal phosphoric acid-based salt having water of crystallization is at least one of an alkali metal phosphoric acid (orthophosphate) salt having water of crystallization and an acid salt thereof. Item 6. A carbon dioxide sensor according to item 6.
【請求項8】 前記結晶水をもつ、アルカリ金属のリン
酸系の塩が、結晶水をもつ、ナトリウムリン酸(オルト
リン酸)塩である請求項7の二酸化炭素センサ。
8. The carbon dioxide sensor according to claim 7, wherein the alkali metal phosphate salt having water of crystallization is a sodium phosphate (orthophosphate) salt having water of crystallization.
【請求項9】 前記金属炭酸水素塩および/または金属
炭酸塩が、金属炭酸水素塩であり、前記金属炭酸水素塩
が、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素
ルビジウムおよび炭酸水素セシウムのいずれか一種以上
である請求項1〜8のいずれかの二酸化炭素センサ。
9. The metal bicarbonate and / or metal carbonate is a metal bicarbonate, and the metal bicarbonate is selected from the group consisting of sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, rubidium bicarbonate and cesium bicarbonate. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein the carbon dioxide sensor is at least one.
【請求項10】 前記金属炭酸水素塩が炭酸水素ナトリ
ウムである請求項9の二酸化炭素センサ。
10. The carbon dioxide sensor according to claim 9, wherein said metal bicarbonate is sodium bicarbonate.
【請求項11】 前記金属酸化物が、酸化インジウム、
酸化スズ、酸化コバルト、酸化タングステン、酸化亜
鉛、酸化鉛、酸化銅、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロ
ム、酸化カドミウム、酸化ビスマス、酸化マンガン、酸
化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化アンチモン、
酸化アルミニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化
プラセオジム、酸化ネオジム、酸化銀、酸化リチウム、
酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ルビジウム、酸化
セシウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ス
トロンチウムおよび酸化バリウムのいずれか一種以上で
ある請求項1〜10のいずれかの二酸化炭素センサ。
11. The method according to claim 11, wherein the metal oxide is indium oxide,
Tin oxide, cobalt oxide, tungsten oxide, zinc oxide, lead oxide, copper oxide, iron oxide, nickel oxide, chromium oxide, cadmium oxide, bismuth oxide, manganese oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, antimony oxide,
Aluminum oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, silver oxide, lithium oxide,
The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the carbon dioxide sensor is at least one of sodium oxide, potassium oxide, rubidium oxide, cesium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, and barium oxide.
【請求項12】 前記金属酸化物が酸化インジウムであ
る請求項11の二酸化炭素センサ。
12. The carbon dioxide sensor according to claim 11, wherein said metal oxide is indium oxide.
【請求項13】 前記金属酸化物層が多孔質である請求
項1〜12のいずれかの二酸化炭素センサ。
13. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein said metal oxide layer is porous.
【請求項14】 前記集電体が多孔質金属である請求項
1〜13のいずれかの二酸化炭素センサ。
14. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein said current collector is a porous metal.
【請求項15】 前記集電体が前記金属酸化物層を挟ん
で固体電解質に対向して設けられている請求項1〜14
のいずれかの二酸化炭素センサ。
15. The collector according to claim 1, wherein the current collector is provided to face the solid electrolyte with the metal oxide layer interposed therebetween.
Any of the carbon dioxide sensors.
【請求項16】 前記検知極と前記対極とが前記固体電
解質の同一の面上に設けられている請求項1〜15のい
ずれかの二酸化炭素センサ。
16. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein said detection electrode and said counter electrode are provided on the same surface of said solid electrolyte.
【請求項17】 前記対極が金属または金属酸化物のい
ずれか一種以上を含有する請求項1〜16のいずれかの
二酸化炭素センサ。
17. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein the counter electrode contains at least one of a metal and a metal oxide.
【請求項18】 前記金属炭酸水素塩および/または金
属炭酸塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属
塩とを、前記固体電解質表面にこれらの化合物の混合物
層を形成することによって介在させる請求項1〜17の
いずれかの二酸化炭素センサ。
18. The method according to claim 1, wherein the metal bicarbonate and / or the metal carbonate is mixed with a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. by forming a mixture layer of these compounds on the surface of the solid electrolyte. The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 17, which is interposed.
【請求項19】 前記金属炭酸水素塩および/または金
属炭酸塩と、室温〜100℃の温度で結晶水をもつ金属
塩とを、これらの化合物の溶液またはペーストとして、
前記固体電解質に設けられた多孔質金属酸化物層および
多孔質集電体を通過させ、前記固体電解質表面に到達さ
せることによって介在させる請求項12〜17のいずれ
かの二酸化炭素センサ。
19. The method according to claim 19, wherein the metal bicarbonate and / or metal carbonate and a metal salt having water of crystallization at a temperature of room temperature to 100 ° C. are used as a solution or paste of these compounds.
The carbon dioxide sensor according to any one of claims 12 to 17, wherein the sensor is interposed by passing through a porous metal oxide layer and a porous current collector provided on the solid electrolyte and reaching the surface of the solid electrolyte.
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