JP2002107329A - Carbon dioxide sensor - Google Patents

Carbon dioxide sensor

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JP2002107329A
JP2002107329A JP2000299032A JP2000299032A JP2002107329A JP 2002107329 A JP2002107329 A JP 2002107329A JP 2000299032 A JP2000299032 A JP 2000299032A JP 2000299032 A JP2000299032 A JP 2000299032A JP 2002107329 A JP2002107329 A JP 2002107329A
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JP
Japan
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metal
oxide
carbon dioxide
solid electrolyte
metal oxide
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Application number
JP2000299032A
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Japanese (ja)
Inventor
Shizuko Kumazawa
志津子 熊澤
Noriyoshi Nanba
憲良 南波
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Original Assignee
TDK Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon dioxide sensor whose sensitivity is enhanced and in which irregularities in characteristics are small. SOLUTION: In the carbon dioxide sensor, a detection electrode and a counter electrode are installed respectively to come into contact with a solid electrolyte, the solid electrolyte contains alkaline metal ions and/or an alkaline-earth metal ion electrical conductor, and the detection electrode is provided with a metal oxide layer and a collector. The metal oxide layer forms a porous metal oxide layer, using sol-gel method.

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、検知極が集電体と所定の
金属酸化物を含有する金属酸化物層とを備え、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種々提案している(特願平10-96604
号、特願平10-272608号、特願平10-272609号、特願平10
-272610号、特願2000-98036号等)。
In view of this situation, the inventors of the present invention have previously provided a detection electrode and a counter electrode in contact with a solid electrolyte such as NASICON, respectively, and the detection electrode is formed of a current collector and a predetermined metal oxide. Various carbon dioxide sensors that include a metal oxide layer containing carbon dioxide and that detect carbon dioxide using a detection electrode in the presence of hydrogen carbonate ions have been proposed (Japanese Patent Application No. 10-96604).
No., Japanese Patent Application No. 10-272608, Japanese Patent Application No. 10-272609, Japanese Patent Application No. 10
-272610, Japanese Patent Application No. 2000-98036).

【0012】このような二酸化炭素センサの検知極が備
える金属酸化物層は、多孔質層であり、一般に、金属酸
化物とバインダーと塗布溶媒とを含有するペーストを固
体電解質上に塗布し、焼き付けて得られる。
The metal oxide layer provided in the detection electrode of such a carbon dioxide sensor is a porous layer. Generally, a paste containing a metal oxide, a binder and a coating solvent is applied on a solid electrolyte and baked. Obtained.

【0013】このようにペーストを用いているので、ロ
ットによるバラツキが大きく、これによりセンサの特性
上のバラツキが大きくなる問題があった。また、感度が
十分でなかった。
Since the paste is used as described above, there is a problem that the variation between lots is large, and the variation in sensor characteristics becomes large. Further, the sensitivity was not sufficient.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、均一
な多孔質金属酸化物層を得、これにより特性のバラツキ
が少なく、感度が向上した二酸化炭素センサを提供する
ことである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a carbon dioxide sensor having a uniform porous metal oxide layer, which has less variation in characteristics and has improved sensitivity.

【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、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する二酸化炭素セ
ンサであって、前記金属酸化物層が、ゾル−ゲル法で形
成された多孔質金属酸化物層である二酸化炭素センサ。 (2) 前記金属酸化物層が、金属アルコキシドから形
成された上記(1)の二酸化炭素センサ。 (3) 前記金属酸化物層が、金属酸化物として酸化イ
ンジウムを含有する上記(1)または(2)の二酸化炭
素センサ。
This and other objects are achieved by the present invention described below. (1) 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 formed of a metal oxide layer and a current collector. A carbon dioxide sensor having a body, wherein the metal oxide layer is a porous metal oxide layer formed by a sol-gel method. (2) The carbon dioxide sensor according to (1), wherein the metal oxide layer is formed from a metal alkoxide. (3) The carbon dioxide sensor according to (1) or (2), wherein the metal oxide layer contains indium oxide as a metal oxide.

【0016】[0016]

【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
と集電体とを有する。
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, and the detection electrode has a metal oxide layer and a current collector.

【0017】この金属酸化物層は、固体電解質に接して
設けられている。具体的には、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
るように設けてもよい。また、集電体を固体電解質側に
設けることが行われるが、このような設置方法において
も、集電体は、通常、金属メッシュなどの多孔質体であ
るため、金属酸化物層形成のためのゾル−ゲル法用組成
物は集電体中に侵入し、結果的に金属酸化物層と固体電
解質は接することになる(後記図1参照)。
This metal oxide layer is provided in contact with the solid electrolyte. Specifically, the current collector may be provided so as to face the solid electrolyte with the metal oxide layer interposed therebetween so that the metal oxide layer is located on the solid electrolyte side, for example, to obtain a quick response. Good. In addition, the current collector is provided on the solid electrolyte side. In such an installation method, since the current collector is usually a porous body such as a metal mesh, a metal oxide layer is formed. The sol-gel method composition invades the current collector, and as a result, the metal oxide layer and the solid electrolyte come into contact with each other (see FIG. 1 described later).

【0018】本発明では、このような金属酸化物層を、
ゾル−ゲル法により多孔質層として形成する。
In the present invention, such a metal oxide layer is
It is formed as a porous layer by a sol-gel method.

【0019】ゾル−ゲル法により形成しているので、従
来の金属酸化物を含有するペーストを用いている場合に
比べて、ペーストのロットによるバラツキの発生がな
く、均一な多孔質層が得られるので、センサとしての特
性(例えば感度等)のバラツキが少なくなり、歩留まり
がよくなり生産性が向上すると同時に、多孔質層の表面
積が大きくなり、従来品より感度が向上する。
Since it is formed by the sol-gel method, a uniform porous layer can be obtained without occurrence of variation due to the lot of the paste, as compared with the case where a paste containing a conventional metal oxide is used. Therefore, variations in the characteristics (for example, sensitivity) of the sensor are reduced, the yield is improved, and the productivity is improved. At the same time, the surface area of the porous layer is increased, and the sensitivity is improved as compared with the conventional product.

【0020】ゾル−ゲル法によって形成された金属酸化
物層が均一な多孔質層であることは、顕微鏡(光学顕微
鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡
(TEM)など)でも確認でき、また、ゾル−ゲル法に
よって形成された多孔質金属酸化物層の表面積がペース
トによって形成された従来品より大きくなることは、B
ET値を測定することにより確認できる。ゾル−ゲル法
による形成の方が、ペーストによる形成に比べて10〜
80%程度表面積が大きくなる。
The fact that the metal oxide layer formed by the sol-gel method is a uniform porous layer is confirmed by a microscope (optical microscope, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), etc.). And that the surface area of the porous metal oxide layer formed by the sol-gel method is larger than that of the conventional product formed by the paste,
It can be confirmed by measuring the ET value. The formation by the sol-gel method is 10 to 10 times more than the formation by the paste.
The surface area is increased by about 80%.

【0021】金属酸化物層の細孔径は0.01〜100
μm 程度である。
The metal oxide layer has a pore diameter of 0.01 to 100.
It is about μm.

【0022】多孔質金属酸化物層はゾル−ゲル法によっ
て形成するが、この場合のゾル−ゲル法は、金属のアル
コキシド、カルボン酸塩、アセチルアセトナト塩のよう
な金属有機化合物や金属の水酸化物、硝酸塩、塩化物の
ような金属無機合物の加水分解、重合・縮合反応によっ
て、微細粒子が分散したゾルに変化させ、さらに反応を
進行させてゲル化するものである。
The porous metal oxide layer is formed by a sol-gel method. In this case, the sol-gel method employs a metal organic compound such as a metal alkoxide, a carboxylate, or an acetylacetonate salt, or a metal water. By hydrolyzing, polymerizing and condensing a metal-inorganic compound such as an oxide, a nitrate, or a chloride, the sol is converted into a sol in which fine particles are dispersed, and the reaction further proceeds to gel.

【0023】具体的には、上記化合物の溶液を得、これ
を固体電解質上に塗布し、加水分解を行いゾル化する
か、あるいは上記溶液を加水分解してゾル化したものを
固体電解質上に塗布し、これを乾燥させてゲル化を行
い、さらに焼成を行う。
More specifically, a solution of the above compound is obtained and applied on a solid electrolyte, and then hydrolyzed to form a sol, or a sol obtained by hydrolyzing the above solution is formed on a solid electrolyte. It is applied, dried, gelled, and fired.

【0024】溶液を得るための溶媒は、用いる化合物に
よるが、一般的には、水、メタノール、エタノール、プ
ロパノール、テルピネオールなどのアルコール類、メチ
ルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケト
ン類、セルソルブ類等である。化合物の濃度は1〜50
%(質量百分率)程度である。
The solvent for obtaining the solution depends on the compound used, but is generally water, alcohols such as methanol, ethanol, propanol and terpineol, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone and acetylacetone, and cellosolves. . Compound concentration is 1-50
% (Mass percentage).

【0025】塗布は通常のいずれの方法によってもよ
い。
The coating may be performed by any ordinary method.

【0026】ゾル化後の乾燥は室温〜100℃の温度で
30分〜6時間行い、ゾル化したものを金属酸化物とす
るための焼成は300〜750℃の温度で10分〜3時
間行う。これにより、金属酸化物に99%(モル)以上
が変換する。
Drying after solification is carried out at a temperature of room temperature to 100 ° C. for 30 minutes to 6 hours, and baking for forming the sol into a metal oxide is carried out at a temperature of 300 to 750 ° C. for 10 minutes to 3 hours. . Thereby, 99% (mole) or more is converted into a metal oxide.

【0027】上記化合物の金属アルコキシドとしては、
プロポキシド、イソプロポキシド、ブトキシド、t−ブ
トキシド等が挙げられ、金属カルボン酸塩としては酢酸
塩、シュウ酸塩等が挙げられる。
As the metal alkoxide of the above compound,
Examples include propoxide, isopropoxide, butoxide, t-butoxide, and the like, and examples of the metal carboxylate include acetate, oxalate, and the like.

【0028】なかでも、金属アルコキシドの使用が好ま
しく、本発明に好ましく用いられる酸化インジウムを例
にすると、インジウム(III)イソプロポキシドなどが挙
げられる。
Of these, use of metal alkoxides is preferred. Indium oxide preferably used in the present invention is exemplified by indium (III) isopropoxide.

【0029】このほかの酸化インジウム用の化合物とし
ては、水酸化インジウム、塩化インジウム、硝酸インジ
ウム、インジウム(III)酢酸塩、インジウム(III)アセチ
ルアセトナト塩などがある。さらには、ジメチルインジ
ウムクロライド、インジウムヘキサフルオロペンタンジ
オネート、インジウムメトキシエトキシド、インジウム
メチル(トリメチル)アセチルアセテート、インジウム
2,4−ペンタンジオネート、インジウム(III)トリフ
ルオロアセテート、インジウムトリフルオロペンタンジ
オネート、トリス(2,2,6,6-テトラメチル−3,5-ヘプタ
ンジオナト)インジウム(III)などを用いることができ
る。
Other compounds for indium oxide include indium hydroxide, indium chloride, indium nitrate, indium (III) acetate, and indium (III) acetylacetonate. Furthermore, dimethylindium chloride, indium hexafluoropentanedionate, indium methoxyethoxide, indium methyl (trimethyl) acetyl acetate, indium 2,4-pentanedionate, indium (III) trifluoroacetate, indium trifluoropentanedionate And tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato) indium (III).

【0030】これらの化合物は、通常、1種のみ用いら
れるが、2種以上併用してもよい。
These compounds are usually used alone, but may be used in combination of two or more.

【0031】なお、ゾル−ゲル法の詳細については通常
の方法に従う。
The details of the sol-gel method follow the usual method.

【0032】このようにして形成される金属酸化物層の
厚さは1nm〜10μm 程度である。
The thickness of the metal oxide layer thus formed is about 1 nm to 10 μm.

【0033】金属酸化物層は、ゾル−ゲル法によって形
成されたものであるが、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、FeO)、酸化ニッケル(NiO)、
酸化クロム(Cr23)、酸化カドミウム(CdO)、
酸化ビスマス(Bi23)、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(ZrO2)、酸化アンチモン(Sb23)、酸
化アルミニウム(Al23)、酸化ランタン(La
23)、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(K2O)、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(SrO)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
が最も好ましく、層中の金属酸化物は酸化インジウムか
ら成ることが好ましい。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。
The metal oxide layer is formed by a sol-gel method, but preferably contains a metal oxide having electronic conductivity, such as indium oxide (In 2 O 3 ), Tin (SnO 2 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), lead oxide (PbO), copper oxide (CuO), iron oxide (Fe 2 O 3 , FeO) , Nickel oxide (NiO),
Chromium oxide (Cr 2 O 3 ), cadmium oxide (CdO),
Bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), manganese oxide (MnO 2 )
Mn 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), antimony oxide (Sb 2 O 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), lanthanum oxide (La
2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), silver oxide (Ag 2 O), lithium oxide (Li 2 O), sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O), rubidium oxide (Rb 2 O), cesium oxide (Cs 2 O), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO) and barium oxide (BaO) )
It is preferable to contain any one or more of these. Among them, indium oxide, tin oxide, cobalt oxide, tungsten oxide, zinc oxide, lead oxide, copper oxide, iron oxide, nickel oxide, chromium oxide, cadmium oxide, bismuth oxide, zirconium oxide, and aluminum oxide are preferable.
In particular, indium oxide, tin oxide, copper oxide, and zinc oxide are preferable, and in order to obtain the effects of the present invention, indium oxide is most preferable, and the metal oxide in the layer is preferably made of indium oxide. However, when lithium oxide, sodium oxide, potassium oxide, rubidium oxide, cesium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, and barium oxide are used, the response is good, but the sensitivity is easily affected by humidity. It is preferable to use them in combination. Note that these may slightly deviate from the stoichiometric composition.

【0034】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。
The metal oxide layer may contain a metal bicarbonate and / or a metal carbonate in addition to the metal oxide.

【0035】本発明の二酸化炭素センサは、検知極とし
て前述のような金属酸化物層と集電体とを有するもので
あるが、これまで詳述した金属酸化物層以外の構成等に
ついて述べる。
Although the carbon dioxide sensor of the present invention has the above-described metal oxide layer and current collector as the detection electrode, the configuration and the like other than the metal oxide layer described in detail above will be described.

【0036】<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.

【0037】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.

【0038】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.

【0039】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。
As the porous metal, a metal mesh or a powder electrode formed by pressing or screen printing a metal powder paste is preferable. 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.

【0040】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.

【0041】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.

【0042】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.

【0043】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.

【0044】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.

【0045】<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 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.

【0046】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。
As such ionic conductors, for example, 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.

【0047】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 a commonly used solid phase method, a sol-gel method, a coprecipitation method and the like, and the solid phase method is preferably used.

【0048】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.

【0049】<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が好ましい。これによっ
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> It is preferable to support metal bicarbonate and / or metal carbonate on the surface of the solid electrolyte. As a result, the generation of bicarbonate ions essential for the detection of carbon dioxide is further promoted, and responsiveness such as sensitivity, response speed, and selectivity is improved. It is considered that the metal carbonate reacts with carbon dioxide and water to form a metal bicarbonate, which 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.

【0050】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.

【0051】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,
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.

【0052】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 a bicarbonate or carbonate of the same metal as the mobile ion species of the solid electrolyte.

【0053】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 metal carbonate may be used in combination of two or more kinds. In this case, the metal bicarbonate may be used between metal carbonates or between two metal carbonates, or the metal bicarbonate may be used. And a metal carbonate can be used in combination.

【0054】金属酸化物、金属炭酸水素塩および/また
は金属炭酸塩の付加量は、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 to be added may be appropriately determined according to the element configuration and size.

【0055】金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
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を用いて、固体電解質表面に化
合物を所定量含浸させて、これらの化合物の層を形成し
てもよいし、金属炭酸水素塩および/または金属炭酸塩
のペーストを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
して層を形成してもよい。水の滴下量は、固体電解質1
cm2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10
nm〜100μm が好ましく、スラリーの粘度は0.1〜10
0,000Pが好ましい。
In order for the metal bicarbonate and / or metal carbonate to be interposed between the solid electrolyte and the sensing electrode (preferably a metal oxide layer), that is, to be supported on the surface of the solid electrolyte, the metal bicarbonate and / or the metal bicarbonate are used. A solid electrolyte surface may be impregnated with a predetermined amount of a compound using a saturated to supersaturated aqueous solution of a metal carbonate to form a layer of these compounds, or may be formed of a metal bicarbonate and / or a metal carbonate. A layer may be formed by applying a predetermined amount to the surface of the solid electrolyte using a salt paste, baking it, and further dripping water (ion-exchanged water or the like). The amount of water dropped is the solid electrolyte 1
It is about 0.001 ml to 1 ml per cm 2 . Cellulose or a cellulose derivative (eg, ethyl cellulose) or the like is used as a binder when the paste is used,
Α-Terpineol or the like is used as the solvent. The average particle size of each of the above compounds when forming a paste is 10
nm-100 μm is preferred, and the viscosity of the slurry is 0.1-10
0,000P 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り、かつ集電体は多
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。
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. Due to the need to be performed later, the current collector and the metal oxide layer of the detection electrode are porous, and the current collector is generally porous, but when it is porous,
After forming the sensing electrode, the aqueous solution or paste is
It may be carried on the solid electrolyte by passing through the detection electrode. In such a case, a part of the compound remains on the detection electrode (particularly, the metal oxide layer),
It may be left even if it remains, and it is rather preferable in terms of characteristics.

【0057】また、上記化合物の層を形成した場合、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 layer of the above compound is formed, it is considered that the compound diffuses at the solid electrolyte interface and the sensing electrode (particularly, metal oxide layer) interface. .

【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
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。
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.

【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。
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.

【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に示す。図1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。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。
<Sensor Structure> FIG. 1 shows a configuration example of the carbon dioxide sensor of the present invention. FIG. 1 shows that a detection electrode 3 and a counter electrode 6 composed of a metal oxide layer 4 and a current collector 5 are connected to a solid electrolyte 2.
Is a non-separable carbon dioxide sensor 1 provided on one surface of the sensor. Metal bicarbonate and / or metal carbonate is interposed between the solid electrolyte 2 and the current collector 5. 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.

【0068】図示例では、固体電解質の同一面上に検知
極と対極とを設けるものとしているが、これに限らず、
固体電解質を挟んで、検知極と対極とが反対側に設けら
れた分離型の二酸化炭素センサであってもよい。
In the illustrated example, the detection electrode and the counter electrode are provided on the same surface of the solid electrolyte. However, the present invention is not limited to this.
A separation type carbon dioxide sensor in which a detection electrode and a counter electrode are provided on opposite sides of a solid electrolyte may be used.

【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具体的に説明
する。 二酸化炭素センサの作製 図1に示すように、固体電解質のNASICON(具体
的にはNa3Zr2Si 2PO12)ペレット(10mm径、
1mm厚さ)の上面(つまり検知極と同一面)に、Auメ
ッシュ(100メッシュ)を検知極と接しないようにし
て設け、対極とした。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to examples.
I do. 1. Fabrication of Carbon Dioxide Sensor As shown in FIG.
Typically, NaThreeZrTwoSi TwoPO12) Pellets (10mm diameter,
Au film on the top surface (1 mm thick)
Brush (100 mesh) so that it does not touch the sensing electrode.
Provided as a counter electrode.

【0074】次に、NASICONペレットの上面約半
分より小さい領域に集電体のAuメッシュ(100メッ
シュ)を設けた。
Next, a current collector Au mesh (100 mesh) was provided in a region smaller than about half of the upper surface of the NASICON pellet.

【0075】さらに、NASICONペレットの上面約
半分の領域になるように、インジウム(III)イソプロポ
キシドを用い、次のようにしてゾル−ゲル法により酸化
インジウム層を形成した。インジウム(III)イソプロポ
キシドを20%(質量百分率)溶液となるようにエタノ
ールに溶解し、このインジウム(III)イソプロポキシド
が持つ反応基と等モル量の水を加え、加水分解した。こ
れに、焼成により生成される酸化インジウム量の40%
(質量百分率)に当たる量のポリエチレングリコール
(PEG:分子量2万)を添加し、溶解して塗布液を調
製した。この塗布液を上記領域に塗布し、その後80℃
で1時間乾燥した。さらに500℃で2時間焼成し、5
μm 厚の酸化インジウム(In23)層を形成した。
Further, an indium oxide layer was formed by using a sol-gel method using indium (III) isopropoxide so as to cover about half the upper surface of the NASICON pellet as follows. Indium (III) isopropoxide was dissolved in ethanol so as to form a 20% (mass percentage) solution, and an equimolar amount of water was added to the reactive group of the indium (III) isopropoxide, followed by hydrolysis. In addition, 40% of the amount of indium oxide generated by firing
An amount of polyethylene glycol (PEG: molecular weight: 20,000) corresponding to (mass percentage) was added and dissolved to prepare a coating solution. This coating solution is applied to the above-mentioned area, and then 80 ° C.
For 1 hour. Baking at 500 ° C for 2 hours, 5
An indium oxide (In 2 O 3 ) layer having a thickness of μm was formed.

【0076】NaHCO3粉末(平均粒径:0.1〜1
00μm )の過飽和状態の水溶液を上記の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)
A supersaturated aqueous solution (00 μm) was impregnated into the above In 2 O 3 layer, supported on the solid electrolyte, and then dried. Thus, a detection electrode was produced.

【0077】最後に、それぞれの電極からリード線を接
続し、図1のような非分離型の二酸化炭素センサを得
た。これをセンサNo.1とする。
Finally, a lead wire was connected from each electrode to obtain a non-separable carbon dioxide sensor as shown in FIG. This is designated as sensor No. 1.

【0078】センサNo.1において、ゾル−ゲル法のか
わりに、次のペーストを用いてIn23層を形成するほ
かは同様にして二酸化炭素センサを得た。これをセンサ
No.2とする。ペーストは、酸化インジウム(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50mg加
えて混合し、ペースト状にしたものを調製して用いた
(粘度は10,000〜100,000P)。
A carbon dioxide sensor was obtained in the same manner as in sensor No. 1, except that an In 2 O 3 layer was formed using the following paste instead of the sol-gel method. This is the sensor
No.2. The paste was prepared by mixing 50 mg of indium oxide (average particle diameter: 50 nm) with 5% (mass percentage) of ethylcellulose and α-terpineol in a mixture of 50% and preparing a paste. The viscosity is 10,000-100,000P).

【0079】センサNo.1、No.2のIn23層は、SE
M観察により共に多孔質層であることがわかったが、セ
ンサNo.1の方が均一な多孔質層を形成していることが
確認できた。また、BET値の測定を行ったところ、セ
ンサNo.1のIn23層の方が、センサNo.2に比べ、比
表面積が約60%増加していることがわかった。
The In 2 O 3 layers of the sensors No. 1 and No. 2 are SE
M observation revealed that both were porous layers, but it was confirmed that sensor No. 1 formed a more uniform porous layer. In addition, when the BET value was measured, it was found that the specific surface area of the In 2 O 3 layer of the sensor No. 1 was increased by about 60% as compared with the sensor No. 2.

【0080】このようにして作製したセンサ(各100
個)について感度を評価した。
The sensors thus manufactured (each 100
Were evaluated for sensitivity.

【0081】感度 室温(25℃)において、CO2濃度を350〜100
00ppmの範囲で変化させたガスを流通させた測定セル
中に、作製した二酸化炭素センサを挿入し、感度を調べ
た。
Sensitivity At room temperature (25 ° C.), a CO 2 concentration of 350 to 100
The prepared carbon dioxide sensor was inserted into a measurement cell in which a gas changed in the range of 00 ppm was passed, and the sensitivity was examined.

【0082】この結果、100個の平均値として、セン
サNo.1の感度は45mV/decade、センサNo.2の感度は
30mV/decadeであり、センサNo.1の方が感度の上昇が
みられることがわかった。また、感度のバラツキは、各
100個につき、センサNo.1では±3mV、センサNo.2
では±10mVであり、センサNo.1の方がバラツキが少
ないことがわかった。
As a result, as an average value of 100 sensors, the sensitivity of sensor No. 1 was 45 mV / decade, the sensitivity of sensor No. 2 was 30 mV / decade, and the sensitivity of sensor No. 1 increased. I understand. The variation in sensitivity is ± 3 mV for sensor No. 1 and sensor No. 2 for 100 sensors.
Is ± 10 mV, and it was found that sensor No. 1 had less variation.

【0083】[0083]

【発明の効果】本発明によれば、感度が向上し、特性の
バラツキの少ない二酸化炭素センサが得られる。
According to the present invention, it is possible to obtain a carbon dioxide sensor having improved sensitivity and less variation in characteristics.

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

【図1】本発明の非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 non-separable carbon dioxide sensor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon dioxide sensor 2 Solid electrolyte 3 Detecting electrode 4 Metal oxide layer 5 Current collector 6 Counter electrode

Claims (3)

【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、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する二酸
化炭素センサであって、 前記金属酸化物層が、ゾル−ゲル法で形成された多孔質
金属酸化物層である二酸化炭素センサ。
1. A detection electrode and a counter electrode are provided in contact with a solid electrolyte, respectively, wherein the solid electrolyte contains an alkali metal ion and / or an alkaline earth metal ion conductor, and the detection electrode is formed of a metal oxide layer. A carbon dioxide sensor having a current collector, wherein the metal oxide layer is a porous metal oxide layer formed by a sol-gel method.
【請求項2】 前記金属酸化物層が、金属アルコキシド
から形成された請求項1の二酸化炭素センサ。
2. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein said metal oxide layer is formed from a metal alkoxide.
【請求項3】 前記金属酸化物層が、金属酸化物として
酸化インジウムを含有する請求項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 metal oxide layer contains indium oxide as a metal oxide.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7006926B2 (en) 2003-02-07 2006-02-28 Tdk Corporation Carbon dioxide sensor
CN114902038A (en) * 2020-01-10 2022-08-12 希森美康株式会社 Electrode and manufacturing method thereof, ion sensor, and living body component measuring device and method

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