JP2021073433A - Chemical sensor element, manufacturing method of chemical sensor element, and chemical sensor - Google Patents

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Abstract

To realize a chemical sensor element which comprises a detection material less influenced by adhesion of vapor, while maintaining good detection sensitivity for detection object gas.SOLUTION: A chemical sensor element comprises a detection material containing a siloxane compound which contains: 50 mol% or more of a Q unit and a T unit with respect to the whole; and 10 mol% - 80 mol% of the Q unit, and 90 mol% - 20 mol% of the T unit when a total of the Q unit and the T unit is defined as 100 mol%.SELECTED DRAWING: None

Description

本開示は、化学センサ素子、化学センサ素子の製造方法、および化学センサ素子を備える化学センサに関する。 The present disclosure relates to a chemical sensor element, a method for manufacturing a chemical sensor element, and a chemical sensor including the chemical sensor element.

高分子などからなる検出材料(吸着媒)への分子の吸着に伴う検出材料の特性(例えば、質量、誘電率、体積など)の変化を測定することによって大気中のガス分子の定量またはガス分子の識別を行う方法が知られている。 Quantification of gas molecules in the atmosphere or gas molecules by measuring changes in the characteristics of the detection material (for example, mass, dielectric constant, volume, etc.) due to adsorption of molecules to the detection material (adsorption medium) made of a polymer or the like. There is a known method for identifying the gas.

例えば、特許文献1には、質量変化を検出する水晶振動子を用いたセンサにおいて、検出膜として種々の多孔質材料(多孔質シリカ等)が例示されている。 For example, Patent Document 1 exemplifies various porous materials (porous silica and the like) as detection films in a sensor using a crystal oscillator that detects a mass change.

国際公開公報WO2016/121155号公報(2016年8月4日公開)International Publication WO 2016/121155 (Published August 4, 2016)

しかしながら、特許文献1では、何れの多孔質材料も、検出対象ガスよりも水蒸気に対する応答が大きい。それゆえ、水蒸気が混在する実使用環境下では、大気中の水蒸気により誤検出が発生する。あるいは細孔へ水蒸気が吸着することによって検出対象ガスの吸着が阻害され、検出対象ガスに対する検出能力が低下する。 However, in Patent Document 1, all the porous materials have a larger response to water vapor than the gas to be detected. Therefore, in an actual use environment where water vapor is mixed, erroneous detection occurs due to water vapor in the atmosphere. Alternatively, the adsorption of the detection target gas is hindered by the adsorption of water vapor into the pores, and the detection ability for the detection target gas is reduced.

本開示の一態様は、検出対象ガスに対する良好な検出感度を保持しつつ、水蒸気の吸着による影響が低減されている検出材料を備える化学センサ素子を実現することを目的とする。 One aspect of the present disclosure is to realize a chemical sensor device including a detection material in which the influence of water vapor adsorption is reduced while maintaining good detection sensitivity to a gas to be detected.

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る化学センサ素子は、Q単位およびT単位を全体の50モル%以上含み、かつ、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位を10モル%〜80モル%、T単位を90モル%〜20モル%含むシロキサン化合物を含む検出材料を備える。 In order to solve the above problems, the chemical sensor element according to one aspect of the present disclosure contains 50 mol% or more of Q units and T units, and the total of Q units and T units is 100 mol%. Occasionally, a detection material containing a siloxane compound containing 10 mol% to 80 mol% of Q units and 90 mol% to 20 mol% of T units is provided.

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る化学センサ素子の製造方法は、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランをアルコキシシラン全体の50モル%以上含み、かつ、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランを10モル%〜80モル%、トリアルコキシシランを90モル%〜20モル%含むアルコキシシラン溶液において、アルコキシシランをヒドロキシシランへと加水分解する加水分解工程と、上記ヒドロキシシランを分子間脱水によって縮合させる縮合工程とを含む。 In order to solve the above problems, the method for producing a chemical sensor element according to one aspect of the present disclosure contains tetraalkoxysilane and trialkoxysilane in an amount of 50 mol% or more of the total alkoxysilane, and tetraalkoxysilane and trialkoxysilane. Hydrolyzing alkoxysilanes to hydroxysilanes in an alkoxysilane solution containing 10 mol% to 80 mol% tetraalkoxysilanes and 90 mol% to 20 mol% trialkoxysilanes, where the total amount of silanes is 100 mol%. It includes a hydrolysis step of the above and a condensation step of condensing the hydroxysilane by intermolecular dehydration.

本開示の一態様によれば、化学センサ素子において、検出対象ガスに対する良好な検出感度を保持しつつ、水蒸気の吸着による影響を低減することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to reduce the influence of water vapor adsorption in the chemical sensor element while maintaining good detection sensitivity with respect to the detection target gas.

(a)は、一実施形態に係る化学センサ素子の外観構成を示す斜視図であり、(b)は、一実施形態に係る化学センサ素子における検出部を示す上面図であり、(c)は、(b)のA−A線矢視断面である。(A) is a perspective view showing an external configuration of the chemical sensor element according to one embodiment, (b) is a top view showing a detection unit in the chemical sensor element according to one embodiment, and (c) is a top view. , (B) is a cross section taken along the line AA. 一実施形態における化学センサの要部構成を示す図である。It is a figure which shows the main part structure of the chemical sensor in one Embodiment. 実施例1〜4および比較例1について各検出対象ガス1ppmあたりの静電容量変化のガス濃度依存性を示す両対数グラフを示す図である。It is a figure which shows the log-log graph which shows the gas concentration dependence of the capacitance change per 1ppm of each detection target gas about Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. 実施例5〜8および比較例3について各検出対象ガス1ppmあたりの静電容量変化のガス濃度依存性を示す両対数グラフを示す図である。It is a figure which shows the log-log graph which shows the gas concentration dependence of the capacitance change per 1ppm of each detection target gas about Examples 5-8 and Comparative Example 3. 各実施例および比較例について水蒸気(相対湿度1%)および各検出対象ガス500ppmに対する静電容量変化を示すグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph which shows the change of the capacitance with respect to water vapor (relative humidity 1%) and each detection target gas 500ppm for each Example and comparative example. 実施例1で作製したセンサ素子を用いて測定した各濃度のアセトンおよび水蒸気に対する静電容量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the capacitance with respect to acetone and water vapor of each concentration measured by using the sensor element manufactured in Example 1. FIG. 実施例6に関する29Si−NMRのスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of 29 Si-NMR about Example 6.

以下、本開示の一実施形態について、以下に説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present disclosure will be described below.

〔1.化学センサ素子〕
本開示の一実施形態に係る化学センサ素子は、Q単位およびT単位を全体の50モル%以上含み、かつ、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位を10モル%〜80モル%、T単位を90モル%〜20モル%含むシロキサン化合物を含む検出材料を備える。本実施形態に係る化学センサ素子は、例えば、後述の化学センサに搭載されるものであり得る。
[1. Chemical sensor element]
The chemical sensor element according to the embodiment of the present disclosure contains 50 mol% or more of Q units and T units, and has 10 mol of Q units when the total of Q units and T units is 100 mol%. A detection material containing a siloxane compound containing% to 80 mol% and 90 mol% to 20 mol% of T units is provided. The chemical sensor element according to the present embodiment may be mounted on, for example, a chemical sensor described later.

(シロキサン化合物)
シロキサン化合物とは、ケイ素原子と酸素原子とが結合したシロキサン結合を含む化合物の総称である。一般に、シロキサン化合物中のケイ素原子は、最大3つの置換基を有することができる。ケイ素原子に結合する酸素原子の数が少ない順に、M単位、D単位、T単位、Q単位と称される(下記構造式においてR1は互いに独立に置換基を表す)。一般に、シロキサン化合物は、M単位、D単位、T単位およびQ単位の任意の組み合わせから構成される。
(Siloxane compound)
The siloxane compound is a general term for compounds containing a siloxane bond in which a silicon atom and an oxygen atom are bonded. In general, a silicon atom in a siloxane compound can have up to three substituents. They are called M unit, D unit, T unit, and Q unit in ascending order of the number of oxygen atoms bonded to silicon atoms (R1 represents a substituent independently of each other in the following structural formula). Generally, a siloxane compound is composed of any combination of M units, D units, T units and Q units.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

本実施形態では、シロキサン化合物は、Q単位およびT単位をシロキサン化合物全体の50モル%以上含んでいる。Q単位およびT単位の合計の含有量は、シロキサン化合物全体の60モル%以上であることが好ましく、70モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがさらに好ましく、90モル%以上であることが特に好ましい。一例において、Q単位およびT単位の合計の含有量は、シロキサン化合物全体の100モル%であってもよい。 In the present embodiment, the siloxane compound contains Q units and T units in an amount of 50 mol% or more of the total siloxane compound. The total content of the Q unit and the T unit is preferably 60 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, further preferably 80 mol% or more, and 90 mol% of the total siloxane compound. % Or more is particularly preferable. In one example, the total content of Q units and T units may be 100 mol% of the total siloxane compound.

本実施形態におけるシロキサン化合物は、Q単位およびT単位の他に、M単位およびD単位のうちの少なくとも一方をさらに含んでいてもよい。すなわち、Q単位およびT単位の他に、M単位のみ、D単位のみ、またはM単位とD単位との両方をさらに含んでいてもよい。M単位およびD単位の合計は、シロキサン化合物全体の50モル%以下であり、10モル%以下であることが好ましい。 In addition to the Q unit and the T unit, the siloxane compound in the present embodiment may further contain at least one of the M unit and the D unit. That is, in addition to the Q unit and the T unit, only the M unit, only the D unit, or both the M unit and the D unit may be further included. The total of M units and D units is 50 mol% or less, preferably 10 mol% or less, of the total siloxane compound.

M単位は、例えば、表面修飾のために導入され得る。M単位の含有量は、一例において、検出材料の多孔質性を維持する観点から、全体の10モル%以下であることが好ましく、全体の5モル%以下であることがより好ましく、3モル%以下であることがさらに好ましい。一例において、検出材料の疎水化の観点においては、全体の0.1モル%以上であることが好ましく、1モル%以上であることがより好ましい。 M units can be introduced, for example, for surface modification. In one example, the content of M units is preferably 10 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, and 3 mol%, from the viewpoint of maintaining the porosity of the detection material. The following is more preferable. In one example, from the viewpoint of hydrophobization of the detection material, it is preferably 0.1 mol% or more, and more preferably 1 mol% or more of the whole.

D単位の含有量は、一例において、検出材料の多孔質性を維持する観点から、全体の10モル%以下であることが好ましく、5モル%以下であることがより好ましく、全く含まれていないことがさらに好ましい。 In one example, the content of the D unit is preferably 10 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, and not contained at all, from the viewpoint of maintaining the porosity of the detection material. Is even more preferable.

また、本実施形態におけるシロキサン化合物は、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位を10モル%〜80モル%、T単位を90モル%〜20モル%含む。Q単位とT単位との割合をこの範囲にすることによって、検出対象ガスに対する良好な感度と水蒸気による影響の低減とを両立させることができる。 Further, the siloxane compound in the present embodiment contains 10 mol% to 80 mol% of Q units and 90 mol% to 20 mol% of T units when the total of Q units and T units is 100 mol%. By setting the ratio of the Q unit and the T unit within this range, it is possible to achieve both good sensitivity to the detection target gas and reduction of the influence of water vapor.

検出対象ガスに対する感度の高さの観点から、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位の割合は、10モル%〜80モル%であることが好ましい。検出対象ガスがトルエン等の低極性ガスである場合には、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位の割合は20モル%〜60モル%であることが好ましく、20モル%〜50モル%であることがより好ましい。検出対象ガスがアセトン等の中極性ガスである場合には、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位の割合は20モル%〜80モル%であることが好ましい。検出対象ガスがエタノール等の高極性ガスである場合には、20モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましい。一方、水蒸気による影響を抑える観点からは、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位の割合は、80モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、40モル%以下であることがさらに好ましく、20モル%以下であることが特に好ましい。検出対象ガスに対する感度の高さの観点と水蒸気による影響を抑える観点との両方を考慮すると、本実施形態におけるシロキサン化合物は、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位の割合は、10モル%〜80モル%であることが好ましく、20モル%〜80モル%であることがより好ましく、10モル%〜60モル%であることがさらに好ましく、20〜50モル%であることが特に好ましい。 From the viewpoint of high sensitivity to the gas to be detected, the ratio of Q units is preferably 10 mol% to 80 mol% when the total of Q units and T units is 100 mol%. When the detection target gas is a low-polarity gas such as toluene, the ratio of Q units is preferably 20 mol% to 60 mol% when the total of Q units and T units is 100 mol%. More preferably, it is 20 mol% to 50 mol%. When the detection target gas is a neutral gas such as acetone, the ratio of Q units is preferably 20 mol% to 80 mol% when the total of Q units and T units is 100 mol%. When the detection target gas is a highly polar gas such as ethanol, it is preferably 20 mol% or more, more preferably 40 mol% or more. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the influence of water vapor, when the total of Q units and T units is 100 mol%, the ratio of Q units is preferably 80 mol% or less, and is 60 mol% or less. Is more preferable, 40 mol% or less is further preferable, and 20 mol% or less is particularly preferable. Considering both the viewpoint of high sensitivity to the gas to be detected and the viewpoint of suppressing the influence of water vapor, the siloxane compound in the present embodiment has Q units when the total of Q units and T units is 100 mol%. Is preferably 10 mol% to 80 mol%, more preferably 20 mol% to 80 mol%, further preferably 10 mol% to 60 mol%, and 20 to 50 mol%. Is particularly preferable.

また、シロキサン化合物は、Q単位を20モル%〜60モル%を含むことが好ましい。この範囲では、低極性ガス(トルエン等)の検出感度が向上し得る。 The siloxane compound preferably contains 20 mol% to 60 mol% of Q units. In this range, the detection sensitivity of low-polarity gas (toluene or the like) can be improved.

シロキサン化合物における各単位の割合は、例えば、29Si−NMR法を用いて定量することができる。 The proportion of each unit in the siloxane compound can be quantified using, for example, the 29 Si-NMR method.

T単位における置換基R1としては、水素原子、フッ素原子、炭化水素基、およびフッ化炭素基等が挙げられる。T単位における置換基R1は、炭化水素基またはフッ化炭素基であることが好ましい。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。また、炭化水素基は、無置換であってもよいし、置換されていてもよい。鎖式炭化水素の炭素数は、特に限定されないが、マイクロ孔保持の観点から、1〜10個であることが好ましく、1〜3個であることがより好ましく、1個であることがさらに好ましい。炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基、およびフルオロフェニル基等が挙げられる。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソブチル基、およびアミノプロピル基等が挙げられる。T単位における置換基R1は、熱的安定性の観点から、メチル基またはフェニル基であることが好ましい。 Examples of the substituent R1 in the T unit include a hydrogen atom, a fluorine atom, a hydrocarbon group, a fluorocarbon group and the like. The substituent R1 in the T unit is preferably a hydrocarbon group or a fluorocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. Further, the hydrocarbon group may be unsubstituted or substituted. The number of carbon atoms in the chain hydrocarbon is not particularly limited, but is preferably 1 to 10, more preferably 1 to 3, and even more preferably 1 from the viewpoint of retaining micropores. .. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a phenyl group, a fluorophenyl group and the like. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isobutyl group, an aminopropyl group and the like. The substituent R1 in the T unit is preferably a methyl group or a phenyl group from the viewpoint of thermal stability.

D単位における置換基R1としては、水素原子および炭化水素基等が挙げられる。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。鎖式炭化水素の炭素数は、特に限定されない。炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびフェニル基等が挙げられる。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、およびイソブチル基等が挙げられる。2つの置換基R1は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。 Examples of the substituent R1 in the D unit include a hydrogen atom and a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The carbon number of the chain hydrocarbon is not particularly limited. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a phenyl group and the like. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isobutyl group and the like. The two substituents R1 may be the same or different from each other.

M単位における置換基R1としては、水素原子および炭化水素基等が挙げられる。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。鎖式炭化水素の炭素数は、特に限定されない。炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびフェニル基等が挙げられる。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、およびイソブチル基等が挙げられる。3つの置換基R1は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。 Examples of the substituent R1 in the M unit include a hydrogen atom and a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The carbon number of the chain hydrocarbon is not particularly limited. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a phenyl group and the like. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isobutyl group and the like. The three substituents R1 may be the same or different from each other.

1つのシロキサン化合物において、構造が異なる複数種類のT単位を含んでいてもよいし、1種類のT単位を含んでいてもよい。1つのシロキサン化合物において、構造が異なる複数種類のD単位を含んでいてもよいし、1種類のD単位を含んでいてもよい。1つのシロキサン化合物において、構造が異なる複数種類のM単位を含んでいてもよいし、1種類のM単位を含んでいてもよい。 One siloxane compound may contain a plurality of types of T units having different structures, or may contain one type of T units. One siloxane compound may contain a plurality of types of D units having different structures, or may contain one type of D unit. One siloxane compound may contain a plurality of types of M units having different structures, or may contain one type of M units.

本実施形態では、T単位による疎水性(置換基R1による)の向上およびQ単位によるマイクロ孔の形成に起因して、検出対象ガスに対する良好な検出感度を保持しつつ、水蒸気の吸着による影響が低減されている検出材料を備える化学センサ素子を実現することができると考えられるが、この理論に限定されるわけではない。 In the present embodiment, due to the improvement of hydrophobicity (due to the substituent R1) by the T unit and the formation of micropores by the Q unit, the influence of the adsorption of water vapor is exerted while maintaining good detection sensitivity with respect to the gas to be detected. It is believed that a chemical sensor element with reduced detection material can be realized, but is not limited to this theory.

(検出材料)
本実施形態に係る化学センサ素子において、検出材料は、上述のシロキサン化合物を含む。
(Detection material)
In the chemical sensor device according to the present embodiment, the detection material contains the above-mentioned siloxane compound.

検出材料の形状は特に限定されないが、例えば、膜状、または繊維状等であり得る。検出材料の大きさは特に限定されず、化学センサ素子が搭載される化学センサの種類、検出対象ガスの種類等によって、適宜設計すればよい。一例において、検出材料が膜状である場合、膜の厚みは、吸着脱離速度の観点から、1mm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。また、検出材料は、検出対象ガスに対する検出感度の観点から、膜の厚みは0.1μm以上であることが好ましく、多孔質であることが好ましい。すなわち、吸着脱離速度と検出感度との両方が重要な用途においては、ガス検出材は、0.1μm以上10μm以下の多孔質であることが好ましい。 The shape of the detection material is not particularly limited, but may be, for example, a film-like shape or a fibrous shape. The size of the detection material is not particularly limited, and may be appropriately designed depending on the type of the chemical sensor on which the chemical sensor element is mounted, the type of the gas to be detected, and the like. In one example, when the detection material is in the form of a film, the thickness of the film is preferably 1 mm or less, more preferably 100 μm or less, and further preferably 10 μm or less from the viewpoint of adsorption / desorption rate. .. Further, the detection material preferably has a film thickness of 0.1 μm or more, and is preferably porous, from the viewpoint of detection sensitivity to the detection target gas. That is, in applications where both the adsorption / desorption rate and the detection sensitivity are important, the gas detection material is preferably porous of 0.1 μm or more and 10 μm or less.

また、検出材料は、検出に影響しない他の化合物(高分子等)をさらに含んでいてもよい。他の化合物としては、例えば、吸着量増加のために含有される表面修飾シリカナノ粒子等が挙げられる。他の化合物は、検出材料全体の10重量%以下であることが好ましい。 Further, the detection material may further contain other compounds (polymers and the like) that do not affect the detection. Examples of other compounds include surface-modified silica nanoparticles contained for increasing the amount of adsorption. The other compound is preferably 10% by weight or less of the total detection material.

(他の部材)
化学センサ素子は、さらに他の部材を備えていてもよい。他の部材としては、電極および基板等が挙げられる。
(Other members)
The chemical sensor element may further include other members. Examples of other members include electrodes and substrates.

(化学センサ素子の一例)
本実施形態に係る化学センサ素子の具体的な構成は、検出材料を本実施形態におけるものと置き換えた以外は、例えば従来公知の構成と同様である。本実施形態に係る化学センサ素子の一例を、図1を用いて説明する。図1の(a)は、化学センサ素子1の外観構成を示す斜視図である。図1の(b)は、化学センサ素子1における検出部3を示す上面図である。図1の(c)は、図1の(b)のA−A線矢視断面である。
(Example of chemical sensor element)
The specific configuration of the chemical sensor element according to the present embodiment is, for example, the same as that of a conventionally known configuration except that the detection material is replaced with that of the present embodiment. An example of the chemical sensor element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a perspective view showing an external configuration of the chemical sensor element 1. FIG. 1B is a top view showing the detection unit 3 in the chemical sensor element 1. FIG. 1 (c) is a cross section taken along the line AA of FIG. 1 (b).

図1の(a)に示すように、化学センサ素子1は、基板(半導体回路)2および検出部3を備える。図1の(b)に示すように、検出部3は、櫛形電極4と検出材料5とを含んでいる。 As shown in FIG. 1A, the chemical sensor element 1 includes a substrate (semiconductor circuit) 2 and a detection unit 3. As shown in FIG. 1B, the detection unit 3 includes a comb-shaped electrode 4 and a detection material 5.

櫛形電極4は、絶縁層6を介して、基板2上に平面的に形成されている。櫛形電極4は、導電性材料からなる第1電極4aと第2電極4bとを組み合わせて成る。第1電極4aおよび第2電極4bは、ともに櫛形に形成されており、一方の隣り合う2本の櫛歯部の間に他方の1本の櫛歯部が配置され、相互に接触しないように配置されている。これにより、第1電極4aの櫛歯部と第2電極4bの櫛歯部とが交互に並ぶように配置される。 The comb-shaped electrode 4 is formed in a plane on the substrate 2 via the insulating layer 6. The comb-shaped electrode 4 is formed by combining a first electrode 4a and a second electrode 4b made of a conductive material. Both the first electrode 4a and the second electrode 4b are formed in a comb shape, and the other comb tooth portion is arranged between two adjacent comb tooth portions so that they do not come into contact with each other. Have been placed. As a result, the comb tooth portions of the first electrode 4a and the comb tooth portions of the second electrode 4b are arranged so as to be alternately arranged.

第1電極4aの端子4cと、第2電極4bの端子4dとは、ビア孔7を通じて、基板2と電気的に接続される。また、櫛形電極4上には、金属や半導体の酸化物あるいは窒化物からなる保護膜が形成されていても構わない。また、ビア孔7に導電性物質を充填してもよい。 The terminal 4c of the first electrode 4a and the terminal 4d of the second electrode 4b are electrically connected to the substrate 2 through the via hole 7. Further, a protective film made of an oxide or a nitride of a metal or a semiconductor may be formed on the comb-shaped electrode 4. Further, the via hole 7 may be filled with a conductive substance.

櫛形電極4を形成する材料は、アルミニウム、銅、金、銀、チタン、インジウム、錫といった高導電性の金属を主成分とし、これらの金属単独、これらの金属同士や他の金属との合金、または、酸化インジウム錫のような導電性酸化物であり得る。 The material forming the comb-shaped electrode 4 is mainly composed of highly conductive metals such as aluminum, copper, gold, silver, titanium, indium, and tin, and these metals alone or alloys between these metals or other metals. Alternatively, it can be a conductive oxide such as indium tin oxide.

検出材料5は、少なくとも櫛形電極4における第1電極4aの櫛歯部と第2電極4bの櫛歯部との間に存在するように形成されており、第1電極4aの櫛歯部と第2電極4bの櫛歯部とが並ぶ部分を覆うように形成されていてもよい。 The detection material 5 is formed so as to exist at least between the comb tooth portion of the first electrode 4a and the comb tooth portion of the second electrode 4b of the comb electrode 4, and the comb tooth portion and the first electrode 4a of the first electrode 4a. It may be formed so as to cover the portion of the two electrodes 4b where the comb teeth are aligned.

本実施形態に係る化学センサ素子は、後述の実施例で示されるとおり、測定対象ガス中の水蒸気の吸着による影響が低減されている。そのため、誤検出の発生や検出対象ガスに対する検出能力の低下が抑えられている。また、検出対象ガスに対する良好な検出感度を保持している。 In the chemical sensor element according to the present embodiment, as shown in Examples described later, the influence of adsorption of water vapor in the gas to be measured is reduced. Therefore, the occurrence of erroneous detection and the decrease in the detection ability for the gas to be detected are suppressed. In addition, it maintains good detection sensitivity for the gas to be detected.

〔2.化学センサ〕
本開示の一実施形態に係る化学センサは、上述の化学センサ素子を備える。本実施形態に係る化学センサが備える上述の化学センサ素子は、1つであってもよいし、複数であってもよい。
[2. Chemical sensor]
The chemical sensor according to the embodiment of the present disclosure includes the above-mentioned chemical sensor element. The above-mentioned chemical sensor element included in the chemical sensor according to the present embodiment may be one or a plurality.

化学センサの具体的な構成は特に限定されず、例えば、従来公知のタイプの化学センサであり得る。化学センサとしては、例えば、静電容量、誘電容量、電気量、電気抵抗、電力、電解、電荷、電流、電圧、電位、誘電率、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度、温度、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、または磁束密度等の物理パラメータに基づいて検出するタイプの化学センサが挙げられる。 The specific configuration of the chemical sensor is not particularly limited, and may be, for example, a conventionally known type of chemical sensor. Chemical sensors include, for example, capacitance, dielectric capacitance, amount of electricity, electrical resistance, power, electrolysis, charge, current, voltage, potential, dielectric constant, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactorance, susceptibility, etc. Admitance, impedance, conductance, plasmon, refractive potential, luminosity, temperature, surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young ratio, Poisson ratio, resonance frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, Examples thereof include chemical sensors of the type that detect based on physical parameters such as magnetic force, magnetic quantity, magnetic field, magnetic flux, or magnetic flux density.

本実施形態に係る化学センサは、「測定対象ガス」中の「検出対象ガス」の有無の検出、「測定対象ガス」中の「検出対象ガス」の量もしくは濃度の測定、および/または、「測定対象ガス」中の「検出対象ガス」の種類の判別等を行う。「測定対象ガス」とは、検出対象ガスを含有し得るガス全体を指す。「検出対象ガス」とは、有無の検出、量もしくは濃度の測定、および/または、種類の判別の対象となっている特定のガスを指す。例えば、空気中のアセトンの濃度を測定する場合、「測定対象ガス」は空気であり、「検出対象ガス」はアセトンである。 The chemical sensor according to the present embodiment detects the presence or absence of the "detection target gas" in the "measurement target gas", measures the amount or concentration of the "detection target gas" in the "measurement target gas", and / or ". The type of "detection target gas" in "measurement target gas" is discriminated. The “measurement target gas” refers to the entire gas that can contain the detection target gas. "Detection target gas" refers to a specific gas that is the target of detection of presence / absence, measurement of amount or concentration, and / or type determination. For example, when measuring the concentration of acetone in air, the "measurement target gas" is air and the "detection target gas" is acetone.

測定対象ガスとしては、空気、工場の排気、食品ガス、生体の呼気ガス、生体の皮膚ガス、および生体の排泄物ガス等が挙げられる。 Examples of the gas to be measured include air, factory exhaust, food gas, biological exhaled gas, biological skin gas, and biological excrement gas.

検出対象ガスとしては、揮発性有機化合物(VOC:Volatile organic compound)ガス、酸化還元性ガス、可燃性ガス、および香料等が挙げられる。より具体的には、トルエン、アセトン、メタノール、エタノール、IPA、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、クロロホルム、イソブタン、炭化水素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、酢酸、ギ酸、およびアンモニア等が挙げられる。検出対象ガスは、極性ガスであってもよいし、ヘキサンおよびトルエン等の非極性ガス(低極性ガス)であってもよい。 Examples of the gas to be detected include volatile organic compound (VOC) gas, redox gas, flammable gas, fragrance and the like. More specifically, toluene, acetone, methanol, ethanol, IPA, formaldehyde, acetaldehyde, chloroform, isobutane, hydrocarbons, methane, ethane, ethylene, propane, butane, hydrogen, nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon monoxide. , Carbon dioxide, acetic acid, formic acid, ammonia and the like. The detection target gas may be a polar gas or a non-polar gas (low polar gas) such as hexane and toluene.

一例において、本実施形態に係る化学センサは、検出対象がガス中の揮発性有機化合物(トルエン、アセトン、メタノール、エタノール、IPA、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、クロロホルム等)である。一例において、本実施形態に係る化学センサは、検出材料に対する揮発性有機化合物の吸着に伴う静電容量の変化を測定する。 In one example, in the chemical sensor according to the present embodiment, the detection target is a volatile organic compound (toluene, acetone, methanol, ethanol, IPA, formaldehyde, acetaldehyde, chloroform, etc.) in a gas. In one example, the chemical sensor according to this embodiment measures a change in capacitance associated with adsorption of a volatile organic compound to a detection material.

一般的に、ガス分子が吸着した検出材料から当該ガス分子を脱離させるためには加熱が必要である場合が多い。一方、本実施形態における検出材料を用いる場合には、加熱が必須ではないため、化学センサの駆動に必要な消費電力が小さいものであり得る。 In general, heating is often required to desorb the gas molecules from the detection material on which the gas molecules are adsorbed. On the other hand, when the detection material in the present embodiment is used, heating is not essential, so that the power consumption required for driving the chemical sensor may be small.

(化学センサの一例)
本実施形態に係る化学センサの具体的な構成は、検出材料を本実施形態におけるものと置き換えた以外は、例えば従来公知の構成と同様である。本実施形態に係る化学センサの具体的な構成の一例を、図2を用いて説明する。図2は、化学センサ10の要部構成を示す図である。
(Example of chemical sensor)
The specific configuration of the chemical sensor according to the present embodiment is, for example, the same as that of a conventionally known configuration, except that the detection material is replaced with that of the present embodiment. An example of a specific configuration of the chemical sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the chemical sensor 10.

化学センサ10は、少なくとも1つの化学センサ素子1と、制御部20と、信号処理部30と、出力部40とを備えている。化学センサ10は、出力部40を介して外部装置50と接続している。 The chemical sensor 10 includes at least one chemical sensor element 1, a control unit 20, a signal processing unit 30, and an output unit 40. The chemical sensor 10 is connected to the external device 50 via the output unit 40.

制御部20は、化学センサ素子1をガスに反応できる状態にするための各種制御、および当該反応を信号として検出するための各種制御等を行うものである。 The control unit 20 performs various controls for making the chemical sensor element 1 ready to react with gas, various controls for detecting the reaction as a signal, and the like.

信号処理部30は、化学センサ素子1から得られる電気信号について、出力部40からの出力の前処理を行うものである。信号処理部30は、例えば、ノイズを低減するためのフィルタリング、ベースライン補正、およびアナログ−デジタル変換等を行う。信号処理部30は、前処理を行った電気信号を出力部40に送信する。 The signal processing unit 30 preprocesses the output from the output unit 40 with respect to the electric signal obtained from the chemical sensor element 1. The signal processing unit 30 performs, for example, filtering for reducing noise, baseline correction, analog-to-digital conversion, and the like. The signal processing unit 30 transmits the preprocessed electric signal to the output unit 40.

出力部40は、信号処理部30で前処理された電気信号を外部装置50に出力するためのものである。なお、出力部40は、外部装置50に対し上記電気信号を有線および無線の何れで出力してもよい。外部装置50は、出力部40から入力された電気信号、すなわち化学センサ10のガス検出または測定の結果を利用する装置である。 The output unit 40 is for outputting the electric signal preprocessed by the signal processing unit 30 to the external device 50. The output unit 40 may output the electric signal to the external device 50 either by wire or wirelessly. The external device 50 is a device that utilizes an electric signal input from the output unit 40, that is, the result of gas detection or measurement of the chemical sensor 10.

(化学センサの別の一例)
本実施形態に係る化学センサは、ガス中の水蒸気を定量するセンサ素子をさらに備えていてもよい。さらに、本実施形態に係る化学センサは、各センサ素子の信号量の差分に基づき測定対象ガス中の水蒸気および揮発性有機化合物を定量するものであってもよい。そのような化学センサの具体的な構成および定量方法は、例えば、特許第5893982号を参照すればよい。
(Another example of a chemical sensor)
The chemical sensor according to the present embodiment may further include a sensor element for quantifying water vapor in the gas. Further, the chemical sensor according to the present embodiment may be one that quantifies water vapor and volatile organic compounds in the gas to be measured based on the difference in the signal amount of each sensor element. For a specific configuration and quantification method of such a chemical sensor, see, for example, Japanese Patent No. 5893982.

なお、複数個の化学センサ素子(本実施形態に係る化学センサ素子および/または他のセンサ素子)を備える化学センサは、「化学センサアレイ」とも換言できる。 A chemical sensor including a plurality of chemical sensor elements (chemical sensor element and / or other sensor element according to the present embodiment) can be paraphrased as a “chemical sensor array”.

本実施形態に係る化学センサは、後述の実施例で示されるとおり、測定対象ガス中の水蒸気の吸着による影響が低減されている。そのため、誤検出の発生や検出対象ガスに対する検出能力の低下が抑えられている。また、検出対象ガスに対する良好な検出感度を保持している。 In the chemical sensor according to this embodiment, as shown in Examples described later, the influence of adsorption of water vapor in the gas to be measured is reduced. Therefore, the occurrence of erroneous detection and the decrease in the detection ability for the gas to be detected are suppressed. In addition, it maintains good detection sensitivity for the gas to be detected.

特に、本実施形態に係る化学センサは、水蒸気の存在する実使用環境下でも検出対象ガスの検出が可能であり、湿度センサ素子と併用し、各センサ素子の信号変化量の差分を取ることで例えば1ppmまで検出することができる。また、本実施形態に係る化学センサは、水蒸気の存在する環境下でも例えば1ppm〜1000ppmの広い濃度範囲にわたって定量することができる。 In particular, the chemical sensor according to the present embodiment can detect the gas to be detected even in an actual use environment where water vapor is present, and by using it in combination with a humidity sensor element and taking the difference in the amount of signal change of each sensor element. For example, it can detect up to 1 ppm. Further, the chemical sensor according to the present embodiment can be quantified over a wide concentration range of, for example, 1 ppm to 1000 ppm even in an environment where water vapor is present.

〔3.化学センサ素子の製造方法〕
検出材料に含まれるシロキサン化合物は、例えば、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシラン等のアルコキシシランの混合物を前駆体とするゾルゲル反応によって得られる。
[3. Manufacturing method of chemical sensor element]
The siloxane compound contained in the detection material is obtained, for example, by a sol-gel reaction using a mixture of alkoxysilanes such as tetraalkoxysilane and trialkoxysilane as a precursor.

本開示の一実施形態に係る化学センサ素子の製造方法は、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランをアルコキシシラン全体の50モル%以上含み、かつ、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランを10モル%〜80モル%、トリアルコキシシランを90モル%〜20モル%含むアルコキシシラン溶液において、アルコキシシランをヒドロキシシランへと加水分解する加水分解工程と、上記ヒドロキシシランを分子間脱水によって縮合させる縮合工程とを含む。 The method for manufacturing a chemical sensor element according to an embodiment of the present disclosure contains tetraalkoxysilane and trialkoxysilane in an amount of 50 mol% or more of the total alkoxysilane, and the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. In an alkoxysilane solution containing 10 mol% to 80 mol% of tetraalkoxysilane and 90 mol% to 20 mol% of trialkoxysilane, a hydrolysis step of hydrolyzing alkoxysilane to hydroxysilane and the above-mentioned hydroxy. It includes a condensation step of condensing silane by intermolecular dehydration.

本実施形態に係る化学センサ素子の製造方法により、〔1.化学センサ素子〕で説明した本実施形態に係る化学センサ素子を製造し得る。 According to the method for manufacturing a chemical sensor element according to the present embodiment, [1. The chemical sensor element according to the present embodiment described in [Chemical sensor element] can be manufactured.

なお、本開示において「アルコキシシラン」とは、テトラアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、ジアルコキシシランおよびモノアルコキシシランの総称を意図する。 In the present disclosure, "alkoxysilane" is intended to be a general term for tetraalkoxysilane, trialkoxysilane, dialkoxysilane, and monoalkoxysilane.

(加水分解工程)
テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランは、下記構造式で表される。
(Hydrolyzed step)
Tetraalkoxysilane and trialkoxysilane are represented by the following structural formulas.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

上記式において、テトラアルコキシシランの置換基R2は、炭化水素基である。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。鎖式炭化水素の炭素数は、特に限定されない。炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フルオロアルキル基、フェニル基、およびフルオロフェニル基等が挙げられる。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、およびイソブチル基等が挙げられる。テトラアルコキシシランにおける置換基R2は、加水分解速度の観点から、メチル基またはエチル基であることが好ましく、熱的耐久性の観点から、メチル基であることがより好ましい。4つの置換基R2は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。 In the above formula, the substituent R2 of the tetraalkoxysilane is a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The carbon number of the chain hydrocarbon is not particularly limited. Examples of the hydrocarbon group include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a fluoroalkyl group, a phenyl group, a fluorophenyl group and the like. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isobutyl group and the like. The substituent R2 in tetraalkoxysilane is preferably a methyl group or an ethyl group from the viewpoint of hydrolysis rate, and more preferably a methyl group from the viewpoint of thermal durability. The four substituents R2 may be the same or different from each other.

上記式において、トリアルコキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるT単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。トリアルコキシシランの置換基R2は、炭化水素基である。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。トリアルコキシシランにおける置換基R2は、加水分解速度の観点から、メチル基またはエチル基であることが好ましい。3つの置換基R2は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。一例において、トリアルコキシシランがメチルトリアルコキシシランまたはフェニルトリアルコキシシランであることが好ましく、メチルトリメトキシシランまたはフェニルトリメトキシシランであることがより好ましい。 In the above formula, the substituent R1 of the trialkoxysilane is described in the above [1. Since it is the same as the description of the T-unit substituent R1 in the chemical sensor element], it is omitted here. The substituent R2 of the trialkoxysilane is a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The substituent R2 in the trialkoxysilane is preferably a methyl group or an ethyl group from the viewpoint of hydrolysis rate. The three substituents R2 may be the same or different from each other. In one example, the trialkoxysilane is preferably methyltrialkoxysilane or phenyltrialkoxysilane, more preferably methyltrimethoxysilane or phenyltrimethoxysilane.

テトラアルコキシシランは、シロキサン化合物におけるQ単位の前駆体であり得る。トリアルコキシシランは、シロキサン化合物におけるT単位の前駆体であり得る。 Tetraalkoxysilanes can be Q-unit precursors in siloxane compounds. Trialkoxysilanes can be T-unit precursors in siloxane compounds.

上記アルコキシシラン溶液は、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの他に、ジアルコキシシランおよびモノアルコキシシランのうちの少なくとも一方をさらに含んでいてもよい。すなわち、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの他に、ジアルコキシシランのみ、モノアルコキシシランのみ、またはジアルコキシシランとモノアルコキシシランとの両方をさらに含んでいてもよい。ジアルコキシシランとモノアルコキシシランの合計は、アルコキシシラン全体の50モル%以下であり、10モル%以下であることが好ましい。 The alkoxysilane solution may further contain at least one of dialkoxysilane and monoalkoxysilane in addition to tetraalkoxysilane and trialkoxysilane. That is, in addition to the tetraalkoxysilane and the trialkoxysilane, only the dialkoxysilane, only the monoalkoxysilane, or both the dialkoxysilane and the monoalkoxysilane may be further contained. The total amount of the dialkoxysilane and the monoalkoxysilane is 50 mol% or less, preferably 10 mol% or less of the total alkoxysilane.

ジアルコキシシランおよびモノアルコキシシランは、下記構造式で表される。 Dialkoxysilanes and monoalkoxysilanes are represented by the following structural formulas.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

上記式において、ジアルコキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるD単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。ジアルコキシシランの置換基R2は、炭化水素基である。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。ジアルコキシシランにおける置換基R2は、加水分解速度の観点から、メチル基またはエチル基であることが好ましい。2つの置換基R2は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。 In the above formula, the substituent R1 of the dialkoxysilane is described in the above [1. Since it is the same as the description of the substituent R1 of the D unit in the chemical sensor element], it is omitted here. The substituent R2 of the dialkoxysilane is a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The substituent R2 in the dialkoxysilane is preferably a methyl group or an ethyl group from the viewpoint of the hydrolysis rate. The two substituents R2 may be the same or different from each other.

上記式において、モノアルコキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるM単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。モノアルコキシシランの置換基R2は、炭化水素基である。炭化水素基は、鎖式炭化水素でもよいし、環式炭化水素でもよい。モノアルコキシシランにおける置換基R2は、加水分解速度の観点から、メチル基またはエチル基であることが好ましい。 In the above formula, the substituent R1 of the monoalkoxysilane is described in the above [1. Since it is the same as the description of the substituent R1 of the M unit in the chemical sensor element], it is omitted here. The substituent R2 of the monoalkoxysilane is a hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. The substituent R2 in the monoalkoxysilane is preferably a methyl group or an ethyl group from the viewpoint of hydrolysis rate.

ジアルコキシシランは、シロキサン化合物におけるD単位の前駆体であり得る。モノアルコキシシランは、シロキサン化合物におけるM単位の前駆体であり得る。 Dialkoxysilanes can be precursors of D units in siloxane compounds. The monoalkoxysilane can be a precursor of M units in a siloxane compound.

テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計の含有量は、アルコキシシラン全体の50モル%以上であり、60モル%以上であることが好ましく、70モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがさらに好ましく、90モル%以上であることが特に好ましい。一例において、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計の含有量は、アルコキシシラン全体の100モル%であってもよい。 The total content of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 50 mol% or more, preferably 60 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, and 80 mol% or more of the total alkoxysilane. Is more preferable, and 90 mol% or more is particularly preferable. In one example, the total content of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane may be 100 mol% of the total alkoxysilane.

モノアルコキシシランの含有量は、一例において、検出材料の多孔質性を維持する観点から、アルコキシシラン全体の10以下であることが好ましく、5モル%以下であることがより好ましく、3モル%以下であることがさらに好ましい。一例において、検出材料の疎水化の観点においては、全体の0.1モル%以上であることが好ましく、1モル%以上であることがより好ましい。 In one example, the content of the monoalkoxysilane is preferably 10 or less, more preferably 5 mol% or less, and 3 mol% or less of the entire alkoxysilane from the viewpoint of maintaining the porosity of the detection material. Is more preferable. In one example, from the viewpoint of hydrophobization of the detection material, it is preferably 0.1 mol% or more, and more preferably 1 mol% or more of the whole.

ジアルコキシシランの含有量は、一例において、検出材料の多孔質性を維持する観点から、アルコキシシラン全体の10モル%以下であることが好ましく、5モル%以下であることがより好ましく、全く含まれていないことがさらに好ましい。 In one example, the content of the dialkoxysilane is preferably 10 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, and completely contained, from the viewpoint of maintaining the porosity of the detection material. It is more preferable that it is not.

また、本実施形態におけるアルコキシシラン溶液は、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランを10モル%〜80モル%、トリアルコキシシランを90モル%〜20モル%含む。両者の割合をこの範囲にすることによって、検出対象ガスに対する良好な感度と水蒸気による影響の低減とを両立させることができる化学センサ素子を製造することができる。 Further, the alkoxysilane solution in the present embodiment contains 10 mol% to 80 mol% of tetraalkoxysilane and 90 mol% to 20 mol% of trialkoxysilane when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. Contains mol%. By setting the ratio of both in this range, it is possible to manufacture a chemical sensor element capable of achieving both good sensitivity to the detection target gas and reduction of the influence of water vapor.

検出対象ガスに対する感度の高さの観点から、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は、10モル%〜80モル%であることが好ましい。検出対象ガスがトルエン等の低極性ガスである場合には、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は20モル%〜60モル%であることが好ましく、20モル%〜50モル%であることがより好ましい。検出対象ガスがアセトン等の中極性ガスである場合には、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は20モル%〜80モル%であることが好ましい。検出対象ガスがエタノール等の高極性ガスである場合には、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は20モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましい。一方、水蒸気による影響を抑える観点からは、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は、80モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、40モル%以下であることがさらに好ましく、20モル%以下であることが特に好ましい。検出対象ガスに対する感度の高さの観点と水蒸気による影響を抑える観点との両方を考慮すると、本実施形態におけるシロキサン化合物は、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランの割合は、10〜80モル%であることが好ましく、10モル%〜60モル%であることがより好ましく、20モル%〜50モル%であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of high sensitivity to the gas to be detected, the ratio of tetraalkoxysilane is preferably 10 mol% to 80 mol% when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. When the detection target gas is a low-polarity gas such as toluene, the proportion of tetraalkoxysilane is 20 mol% to 60 mol% when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. Is preferable, and 20 mol% to 50 mol% is more preferable. When the detection target gas is a neutral gas such as acetone, the proportion of tetraalkoxysilane is 20 mol% to 80 mol% when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. Is preferable. When the detection target gas is a highly polar gas such as ethanol, the proportion of tetraalkoxysilane is preferably 20 mol% or more when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. More preferably, it is 40 mol% or more. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the influence of water vapor, the ratio of tetraalkoxysilane is preferably 80 mol% or less, preferably 60 mol% or less, when the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%. It is more preferably 40 mol% or less, and particularly preferably 20 mol% or less. Considering both the viewpoint of high sensitivity to the gas to be detected and the viewpoint of suppressing the influence of water vapor, the siloxane compound in the present embodiment has a total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane of 100 mol%. The proportion of tetraalkoxysilane is preferably 10 to 80 mol%, more preferably 10 mol% to 60 mol%, still more preferably 20 mol% to 50 mol%.

アルコキシシラン溶液は、構造が異なる複数種類のテトラアルコキシシランを含んでいてもよいし、1種類のテトラアルコキシシランを含んでいてもよい。アルコキシシラン溶液は、構造が異なる複数種類のトリアルコキシシランを含んでいてもよいし、1種類のトリアルコキシシランを含んでいてもよい。アルコキシシラン溶液は、構造が異なる複数種類のジアルコキシシランを含んでいてもよいし、1種類のジアルコキシシランを含んでいてもよい。アルコキシシラン溶液は、構造が異なる複数種類のモノアルコキシシランを含んでいてもよいし、1種類のモノアルコキシシランを含んでいてもよい。 The alkoxysilane solution may contain a plurality of types of tetraalkoxysilanes having different structures, or may contain one type of tetraalkoxysilane. The alkoxysilane solution may contain a plurality of types of trialkoxysilanes having different structures, or may contain one type of trialkoxysilanes. The alkoxysilane solution may contain a plurality of types of dialkoxysilanes having different structures, or may contain one type of dialkoxysilanes. The alkoxysilane solution may contain a plurality of types of monoalkoxysilanes having different structures, or may contain one type of monoalkoxysilane.

溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、トルエン、およびテトラヒドロフラン等が挙げられる。溶媒としては、前駆体の中間体の溶解度の高さの観点から、エタノールが好ましい。溶媒の量は特に限定されないが、例えば、アルコキシシラン1モルあたり0.1L〜10Lであり、好ましくは1L〜3Lとすることができる。 Examples of the solvent include methanol, ethanol, propanol, toluene, tetrahydrofuran and the like. As the solvent, ethanol is preferable from the viewpoint of high solubility of the intermediate of the precursor. The amount of the solvent is not particularly limited, but is, for example, 0.1 L to 10 L per mole of alkoxysilane, preferably 1 L to 3 L.

加水分解には、アルコキシシランのアルコキシ基と同モル数の水が必要であるが、等量の水を溶媒に加えてもよいし、反応系の気相中の水を用いて行ってもよい。加水分解には触媒を用いてもよい。触媒としては、ギ酸、酢酸、塩酸等の酸が挙げられる。触媒の除去の容易性の観点から、ギ酸が好ましい。触媒の量は、特に限定されないが、例えば、アルコキシシラン1モルあたり0.001L〜1Lであり、好ましくは0.01L〜0.1Lとすることができる。 Hydrolysis requires water having the same number of moles as the alkoxy group of alkoxysilane, but an equal amount of water may be added to the solvent, or water in the gas phase of the reaction system may be used. .. A catalyst may be used for hydrolysis. Examples of the catalyst include acids such as formic acid, acetic acid and hydrochloric acid. Formic acid is preferred from the standpoint of ease of catalyst removal. The amount of the catalyst is not particularly limited, but can be, for example, 0.001 L to 1 L per mole of alkoxysilane, preferably 0.01 L to 0.1 L.

アルコキシシラン溶液は、アルコキシシラン以外の成分を含んでいてもよい。そのような成分として、下記式においてXがCl、BrまたはIであるモノハロシランが挙げられる。ここで置換基R1は上記と同様である。また、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン(HMDS)を用いてもよい。モノアルコキシシラン、モノハロシラン、HMDSをシラノール基と反応させると、T単位のシランになるため、未反応のシラノール基を持つ場合には検出膜の疎水性を高めることができる。 The alkoxysilane solution may contain components other than alkoxysilane. Examples of such a component include monohalosilane in which X is Cl, Br or I in the following formula. Here, the substituent R1 is the same as described above. Further, 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane (HMDS) may be used. When monoalkoxysilane, monohalosilane, or HMDS is reacted with a silanol group, it becomes a T-unit silane. Therefore, when it has an unreacted silanol group, the hydrophobicity of the detection film can be enhanced.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

加水分解の反応条件は、特に限定されず、溶液中のアルコキシシランの組成および溶媒等に応じて適宜設定すればよい。一例において、加水分解の温度は、例えば0〜100℃、好ましくは30〜70℃とすることができる。加水分解の反応時間は、例えば1分〜48時間、好ましくは6時間〜24時間とすることができる。加水分解は溶媒の揮発に伴うシロキサン化合物のゲル化を防ぐ観点から、密閉系で行うことが好ましい。 The reaction conditions for hydrolysis are not particularly limited, and may be appropriately set according to the composition of the alkoxysilane in the solution, the solvent, and the like. In one example, the hydrolysis temperature can be, for example, 0-100 ° C, preferably 30-70 ° C. The reaction time for hydrolysis can be, for example, 1 minute to 48 hours, preferably 6 hours to 24 hours. Hydrolysis is preferably carried out in a closed system from the viewpoint of preventing gelation of the siloxane compound due to volatilization of the solvent.

加水分解工程により、アルコキシシランのアルコキシ基における置換基R2(少なくとも一部、好ましくは全部)が水素原子に置換され、ヒドロキシシランが生成される。なお、本開示において「ヒドロキシシラン」とは、アルコキシシランの(1つまたは複数の)アルコキシ基における置換基R2の少なくとも1つが水素原子に置換され、少なくとも1つのヒドロキシ基を有する化合物を指す。 By the hydrolysis step, the substituent R2 (at least a part, preferably all) in the alkoxy group of the alkoxysilane is substituted with a hydrogen atom to produce a hydroxysilane. In the present disclosure, the term "hydroxysilane" refers to a compound in which at least one of the substituents R2 in the (one or more) alkoxy groups of an alkoxysilane is substituted with a hydrogen atom and has at least one hydroxy group.

テトラアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシランとしては、例えば、下記構造式で表されるテトラヒドロキシシランが挙げられる。トリアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシランとしては、例えば、下記構造式で表されるトリヒドロキシシランが挙げられる。 Examples of the hydroxysilane obtained by hydrolyzing tetraalkoxysilane include tetrahydroxysilane represented by the following structural formula. Examples of the hydroxysilane obtained by hydrolyzing trialkoxysilane include trihydroxysilane represented by the following structural formula.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

上記式において、トリヒドロキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるT単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。 In the above formula, the substituent R1 of the trihydroxysilane is the above [1. Since it is the same as the description of the T-unit substituent R1 in the chemical sensor element], it is omitted here.

テトラアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシラン(テトラヒドロキシシラン等)は、シロキサン化合物におけるQ単位の前駆体であり得る。トリアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシラン(トリヒドロキシシラン等)は、シロキサン化合物におけるT単位の前駆体であり得る。 The hydroxysilane (tetrahydroxysilane, etc.) obtained by hydrolyzing tetraalkoxysilane can be a precursor of the Q unit in the siloxane compound. The hydroxysilane (trihydroxysilane, etc.) obtained by hydrolyzing trialkoxysilane can be a precursor of the T unit in the siloxane compound.

アルコキシシラン溶液にジアルコキシシランおよび/またはモノアルコキシシランが含まれている場合には、加水分解して得られるヒドロキシシランとして、それぞれ、下記構造式で表されるテトラヒドロキシシランおよびトリヒドロキシシランが挙げられる。 When the alkoxysilane solution contains dialkoxysilane and / or monoalkoxysilane, examples of the hydroxysilane obtained by hydrolysis include tetrahydroxysilane and trihydroxysilane represented by the following structural formulas, respectively. Be done.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

上記式において、ジヒドロキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるD単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。 In the above formula, the substituent R1 of dihydroxysilane is described in the above [1. Since it is the same as the description of the substituent R1 of the D unit in the chemical sensor element], it is omitted here.

上記式において、モノヒドロキシシランの置換基R1は、上記〔1.化学センサ素子〕におけるM単位の置換基R1の説明と同じであるため、ここでは省略する。 In the above formula, the substituent R1 of the monohydroxysilane is the above [1. Since it is the same as the description of the substituent R1 of the M unit in the chemical sensor element], it is omitted here.

ジアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシラン(ジヒドロキシシラン等)は、シロキサン化合物におけるD単位の前駆体であり得る。モノアルコキシシランを加水分解して得られるヒドロキシシラン(モノヒドロキシシラン等)は、シロキサン化合物におけるM単位の前駆体であり得る。 The hydroxysilane (dihydroxysilane, etc.) obtained by hydrolyzing the dialkoxysilane can be a precursor of the D unit in the siloxane compound. The hydroxysilane (monohydroxysilane, etc.) obtained by hydrolyzing monoalkoxysilane can be a precursor of M units in a siloxane compound.

(縮合工程)
縮合工程では、上記ヒドロキシシランを分子間脱水によって縮合させる。
(Condensation step)
In the condensation step, the hydroxysilane is condensed by intermolecular dehydration.

縮合工程における溶媒としては、メタノール、エタノール、トルエン、およびテトラヒドロフラン等が挙げられる。溶媒としては、ヒドロキシシランおよびシロキサン化合物の溶解性の観点から、エタノールが好ましい。溶媒の量は特に限定されないが、例えば、アルコキシシラン1モルあたり0.1L〜10Lであり、好ましくは1L〜3Lとすることができる。なお、加水分解工程と縮合工程とは、同一容器内で連続的に行ってもよい。 Examples of the solvent in the condensation step include methanol, ethanol, toluene, tetrahydrofuran and the like. As the solvent, ethanol is preferable from the viewpoint of solubility of the hydroxysilane and the siloxane compound. The amount of the solvent is not particularly limited, but is, for example, 0.1 L to 10 L per mole of alkoxysilane, preferably 1 L to 3 L. The hydrolysis step and the condensation step may be continuously performed in the same container.

縮合反応の反応条件は、特に限定されず、ヒドロキシシランの組成および溶媒等に応じて適宜設定すればよい。一例において、縮合反応の温度は、例えば20〜100℃、好ましくは40〜80℃とすることができる。縮合反応の圧力は、例えば大気圧で行ってもよいし、大気圧以下に減圧して行ってもよい。縮合反応の反応時間は、例えば1分〜48時間、好ましくは1時間〜24時間とすることができる。縮合反応は酸触媒の除去の観点から、開放系で行うことが好ましい。 The reaction conditions of the condensation reaction are not particularly limited and may be appropriately set according to the composition of hydroxysilane, the solvent and the like. In one example, the temperature of the condensation reaction can be, for example, 20 to 100 ° C, preferably 40 to 80 ° C. The pressure of the condensation reaction may be, for example, atmospheric pressure or reduced pressure below atmospheric pressure. The reaction time of the condensation reaction can be, for example, 1 minute to 48 hours, preferably 1 hour to 24 hours. The condensation reaction is preferably carried out in an open system from the viewpoint of removing the acid catalyst.

縮合工程により、ヒドロキシシランの分子間脱水が起こり、多数のヒドロキシシラン分子が重合(縮合)する。これにより、高分子(シロキサン化合物)が生成される。 The condensation step causes intermolecular dehydration of hydroxysilane, and a large number of hydroxysilane molecules are polymerized (condensed). As a result, a polymer (siloxane compound) is produced.

なお、加水分解と縮合とは同時進行で起きてもよい。 In addition, hydrolysis and condensation may occur at the same time.

(成膜工程)
本実施形態に係る製造方法は、縮合工程で得られた高分子を含む溶液を電極に付着させて成膜する成膜工程を含んでいてもよい。
(Film formation process)
The production method according to the present embodiment may include a film forming step of adhering a solution containing a polymer obtained in the condensation step to an electrode to form a film.

電極の説明は、〔1.化学センサ素子〕に記載のとおりである。 The description of the electrodes is as follows: [1. Chemical sensor element].

付着させる方法は特に限定されないが、例えば、塗布、噴霧、浸漬等、公知の方法が挙げられる。これらの工程の後に、スピンコートで膜厚を均一にする工程を経てもよい。付着後、溶媒を蒸発させるために、加熱してもよい。加熱条件は、特に限定されず、溶媒の種類等に応じて適宜設定すればよい。一例において、加熱の温度は、例えば100℃〜400℃、好ましくは200℃〜300℃とすることができる。加熱の反応時間は、例えば1分〜1時間、好ましくは10分〜30分とすることができる。 The method of adhering is not particularly limited, and examples thereof include known methods such as coating, spraying, and dipping. After these steps, a step of making the film thickness uniform by spin coating may be performed. After adhesion, it may be heated to evaporate the solvent. The heating conditions are not particularly limited and may be appropriately set according to the type of solvent and the like. In one example, the heating temperature can be, for example, 100 ° C. to 400 ° C., preferably 200 ° C. to 300 ° C. The reaction time of heating can be, for example, 1 minute to 1 hour, preferably 10 minutes to 30 minutes.

また、シロキサン化合物のさらなる縮合反応を生じさせるために加熱を行ってもよい。加熱条件は、特に限定されず、アルコキシシランの組成等に応じて適宜設定すればよい。一例において、加熱の温度は、例えば200〜500℃、好ましくは300〜400℃とすることができる。加熱の反応時間は、例えば1時間〜48時間、好ましくは6時間〜24時間とすることができる。 Further, heating may be performed to cause a further condensation reaction of the siloxane compound. The heating conditions are not particularly limited and may be appropriately set according to the composition of the alkoxysilane and the like. In one example, the heating temperature can be, for example, 200-500 ° C, preferably 300-400 ° C. The reaction time of heating can be, for example, 1 hour to 48 hours, preferably 6 hours to 24 hours.

(他の工程)
他の工程として、シロキサン化合物に修飾を行う修飾工程を含んでいてもよい。縮合工程の後、または成膜工程の後に行われることが好ましい。
(Other processes)
As another step, a modification step of modifying the siloxane compound may be included. It is preferably performed after the condensation step or after the film formation step.

縮合工程の後に行う場合、例えば、上記高分子を含む溶液にHMDSまたはトリアルキルハロシリル等を混合すればよい。これにより、末端のシラノール基の一部を、M単位に修飾することができる。 When it is carried out after the condensation step, for example, HMDS, trialkylhalosilyl, or the like may be mixed with the solution containing the polymer. As a result, a part of the terminal silanol group can be modified to the M unit.

成膜工程の後に行う場合、例えば、HMDSまたはトリアルキルハロシリル等を含む溶液を滴下するか、加熱したHMDS等の蒸気に曝露させる。これにより、表面上のシラノール基の一部を、M単位シリカに修飾することができる。 When performed after the film forming step, for example, a solution containing HMDS or trialkylhalosilyl or the like is dropped or exposed to heated vapor such as HMDS. This allows some of the silanol groups on the surface to be modified to M unit silica.

具体的な方法は、公知の方法に準じて行えばよい。HMDSによるシラノール基の修飾の一例を下記に示す。 The specific method may be carried out according to a known method. An example of modification of the silanol group by HMDS is shown below.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

本実施形態に係る製造方法は、〔1.化学センサ素子〕で説明した化学センサ素子の製造方法の一例であり、〔1.化学センサ素子〕で説明した化学センサ素子は、他の製造方法によって製造されてもよい。 The manufacturing method according to this embodiment is described in [1. This is an example of the manufacturing method of the chemical sensor element described in [Chemical sensor element]. The chemical sensor element described in [Chemical sensor element] may be manufactured by another manufacturing method.

本開示はまた、本実施形態に係る製造方法によって製造された化学センサ素子、およびそれを備える化学センサも提供する。これらの具体的な説明は、〔1.化学センサ素子〕および〔2.化学センサ〕に準じる。 The present disclosure also provides a chemical sensor element manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment, and a chemical sensor including the same. Specific explanations of these are described in [1. Chemical sensor element] and [2. Chemical sensor].

〔4.まとめ〕
以上のように、本開示は以下のものを包含する。
(1) Q単位およびT単位を全体の50モル%以上含み、かつ、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位を10モル%〜80モル%、T単位を90モル%〜20モル%含むシロキサン化合物を含む検出材料を備える、化学センサ素子。
(2) 上記T単位における置換基がメチル基またはフェニル基である、(1)に記載の化学センサ素子。
(3) 上記シロキサン化合物は、上記Q単位を20モル%〜60モル%を含む、(1)または(2)に記載の化学センサ素子。
(4) (1)〜(3)の何れかに記載の化学センサ素子を備える化学センサ。
(5) 検出対象がガス中の揮発性有機化合物である、(4)に記載の化学センサ。
(6) 上記検出材料に対する揮発性有機化合物の吸着に伴う静電容量の変化を測定する、(4)または(5)に記載の化学センサ。
(7) ガス中の水蒸気を定量するセンサ素子をさらに備え、
各センサ素子の信号量の差分に基づき測定対象ガス中の水蒸気および揮発性有機化合物を定量する、(4)〜(6)の何れかに記載の化学センサ。
(8) テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランをアルコキシシラン全体の50モル%以上含み、かつ、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランを10モル%〜80モル%、トリアルコキシシランを90モル%〜20モル%含むアルコキシシラン溶液において、アルコキシシランをヒドロキシシランへと加水分解する加水分解工程と、
上記ヒドロキシシランを分子間脱水によって縮合させる縮合工程とを含む、化学センサ素子の製造方法。
(9) 上記トリアルコキシシランがメチルトリアルコキシシランまたはフェニルトリアルコキシシランである、(8)に記載の化学センサ素子の製造方法。
(10) 上記縮合工程で得られた高分子を含む溶液を電極に付着させて成膜する成膜工程を含む、(8)または(9)に記載の化学センサ素子の製造方法。
[4. Summary]
As described above, the present disclosure includes the following.
(1) When Q units and T units are included in an amount of 50 mol% or more and the total of Q units and T units is 100 mol%, Q units are 10 mol% to 80 mol% and T units are 90. A chemical sensor element comprising a detection material containing a siloxane compound containing mol% to 20 mol%.
(2) The chemical sensor element according to (1), wherein the substituent in the T unit is a methyl group or a phenyl group.
(3) The chemical sensor element according to (1) or (2), wherein the siloxane compound contains 20 mol% to 60 mol% of the Q unit.
(4) A chemical sensor including the chemical sensor element according to any one of (1) to (3).
(5) The chemical sensor according to (4), wherein the detection target is a volatile organic compound in a gas.
(6) The chemical sensor according to (4) or (5), which measures a change in capacitance associated with adsorption of a volatile organic compound to the detection material.
(7) Further equipped with a sensor element for quantifying water vapor in the gas.
The chemical sensor according to any one of (4) to (6), which quantifies water vapor and volatile organic compounds in the gas to be measured based on the difference in the signal amount of each sensor element.
(8) When tetraalkoxysilane and trialkoxysilane are contained in an amount of 50 mol% or more of the total alkoxysilane and the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%, the amount of tetraalkoxysilane is 10 mol% to 80. In an alkoxysilane solution containing 90 mol% to 20 mol% of mol% and trialkoxysilane, a hydrolysis step of hydrolyzing alkoxysilane to hydroxysilane, and
A method for manufacturing a chemical sensor element, which comprises a condensation step of condensing the hydroxysilane by intermolecular dehydration.
(9) The method for producing a chemical sensor element according to (8), wherein the trialkoxysilane is methyltrialkoxysilane or phenyltrialkoxysilane.
(10) The method for manufacturing a chemical sensor element according to (8) or (9), which comprises a film forming step of adhering a solution containing a polymer obtained in the condensation step to an electrode to form a film.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.

本開示の一実施例について以下に説明する。 An embodiment of the present disclosure will be described below.

〔化学センサ素子の作製〕
T単位の前駆体であるフェニルトリメトキシシラン(PTMS)またはメチルトリメトキシシラン(MTMS)およびQ単位の前駆体であるテトラエトキシシラン(TEOS)を表1に示す割合で合計4.0mmolとなるように混合し、溶媒のエタノールに溶解した。さらに、触媒としてギ酸および蒸留水を適量滴下した。これを密閉系において60℃で12時間撹拌しながら反応させて加水分解を行った。
[Manufacturing of chemical sensor elements]
The total amount of phenyltrimethoxysilane (PTMS) or methyltrimethoxysilane (MTMS), which is a precursor of T units, and tetraethoxysilane (TEOS), which is a precursor of Q units, is 4.0 mmol in the ratio shown in Table 1. Was mixed with and dissolved in ethanol as a solvent. Further, formic acid and distilled water were added dropwise as catalysts. This was reacted in a closed system at 60 ° C. for 12 hours with stirring for hydrolysis.

さらに開放系においてエタノールを適宜追加しながら60℃で12時間反応させて、ギ酸を揮発させた。このようにして、不溶なゲルを含まない各高分子の10重量%のエタノール溶液を得た。 Further, in an open system, formic acid was volatilized by reacting at 60 ° C. for 12 hours while adding ethanol as appropriate. In this way, an ethanol solution of 10% by weight of each polymer containing no insoluble gel was obtained.

この溶液を1μmの幅および深さを有する櫛形電極上に塗布し、2000rpmでスピンコートした。次いで、200℃で1時間加熱して膜内に残中している溶媒を揮発させた。さらに、400℃で6時間加熱して、脱水縮合反応を行い、櫛形電極を覆う厚さ約1μmの透明な薄膜を得た。このようにして、シロキサン化合物を含む検出材料を備える化学センサ素子を作製した。 This solution was applied onto a comb electrode having a width and depth of 1 μm and spin coated at 2000 rpm. Then, it was heated at 200 ° C. for 1 hour to volatilize the solvent remaining in the membrane. Further, it was heated at 400 ° C. for 6 hours to carry out a dehydration condensation reaction to obtain a transparent thin film having a thickness of about 1 μm covering the comb-shaped electrode. In this way, a chemical sensor device including a detection material containing a siloxane compound was produced.

Figure 2021073433
Figure 2021073433

Figure 2021073433
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〔ガス測定方法〕
各濃度のガスの発生にはガステック社のパーミエーター装置(PD-1B-2)を用いた。純空気をキャリアガスとし、流量を制御することで所定の濃度の検出対象ガスを化学センサ素子に曝露し、その時の静電容量変化を測定した。検出対象ガスとして、アセトン、トルエン、エタノールを用いた。
[Gas measurement method]
A gas tech permeator device (PD-1B-2) was used to generate gas of each concentration. Pure air was used as the carrier gas, and the gas to be detected at a predetermined concentration was exposed to the chemical sensor element by controlling the flow rate, and the change in capacitance at that time was measured. Acetone, toluene, and ethanol were used as detection target gases.

〔結果〕
結果を図3〜4に示す。図3は、T単位の前駆体の置換基がフェニル基である実施例1〜4および比較例1について、各検出対象ガス1ppmあたりの静電容量変化のガス濃度依存性を示す両対数グラフを示す図である。図4は、T単位の前駆体の置換基がメチル基である実施例5〜8および比較例3について、各検出対象ガス1ppmあたりの静電容量変化のガス濃度依存性を示す両対数グラフを示す図である。
〔result〕
The results are shown in FIGS. 3-4. FIG. 3 is a log-log graph showing the gas concentration dependence of the capacitance change per 1 ppm of each detection target gas for Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 in which the substituent of the T unit precursor is a phenyl group. It is a figure which shows. FIG. 4 is a log-log graph showing the gas concentration dependence of the capacitance change per 1 ppm of each detection target gas for Examples 5 to 8 and Comparative Example 3 in which the substituent of the T unit precursor is a methyl group. It is a figure which shows.

検出材料のシロキサン化合物のQ単位の割合が多いほど、同じ濃度の検出対象ガスに対する静電容量の変化量が大きいことがわかった。また、検出対象ガスの濃度が低いほど、検出対象ガス1ppmあたりの応答量が増加していることから、検出材料がガスの吸着に適した1nm以下の細孔を有していることが示唆された。 It was found that the larger the proportion of the Q unit of the siloxane compound in the detection material, the larger the amount of change in capacitance with respect to the detection target gas having the same concentration. Further, the lower the concentration of the detection target gas, the higher the response amount per 1 ppm of the detection target gas, suggesting that the detection material has pores of 1 nm or less suitable for adsorbing the gas. It was.

また、極性ガスであるアセトン、低極性ガスであるトルエンに対して、共に静電容量変化量が増加する傾向を示すことは、細孔表面のガスに対する親和力が変化した結果ではなく、揮発性有機化合物が吸着可能な細孔が増加した結果であることを示している。 In addition, the fact that the amount of change in capacitance tends to increase with respect to acetone, which is a polar gas, and toluene, which is a low-polarity gas, is not the result of changes in the affinity of the pore surface for gas, but is volatile organic. It is shown that this is a result of the increase in the pores to which the compound can be adsorbed.

図5は、各実施例および比較例について、水蒸気(相対湿度1%)および各検出対象ガス500ppmに対する静電容量変化を示すグラフを示す図である。TEOSの割合が増すにつれて、静電容量変化量が大きくなる傾向がみられた。しかしながら、TEOSの割合が100%である場合には、水蒸気に対する静電容量変化量が急激に大きくなり、一方検出対象ガスに対する静電容量変化量が急激に小さくなった。 FIG. 5 is a graph showing a change in capacitance with respect to water vapor (relative humidity 1%) and 500 ppm of each detection target gas for each Example and Comparative Example. As the proportion of TEOS increased, the amount of change in capacitance tended to increase. However, when the ratio of TEOS is 100%, the amount of change in capacitance with respect to water vapor sharply increases, while the amount of change in capacitance with respect to the gas to be detected sharply decreases.

図6は、実施例1で作製した化学センサ素子を用いて測定した各濃度のアセトンおよび水蒸気に対する静電容量の変化を示す図である。図6に示されるように、アセトンと比較して水蒸気による応答量の変化が十分に小さかった。 FIG. 6 is a diagram showing changes in capacitance with respect to acetone and water vapor at each concentration measured using the chemical sensor element produced in Example 1. As shown in FIG. 6, the change in the response amount due to water vapor was sufficiently small as compared with acetone.

〔参考例〕
MTMS60%とTEOS40%を前駆体として合成した実施例6の試料を300℃で1時間焼成した固体に対し、29Si−NMRをSingle Pulse法で3日間測定した。得られたスペクトルを図7に示す。スペクトルの(T2+T3):(Q3+Q4)の比は1:0.652となっており、T単位およびQ単位が原料モノマーにおける存在比のまま重合していることが示された。
[Reference example]
29 Si-NMR was measured for 3 days by the Single Pulse method on a solid obtained by calcining the sample of Example 6 synthesized with 60% MTMS and 40% TEOS as precursors at 300 ° C. for 1 hour. The obtained spectrum is shown in FIG. The ratio of (T2 + T3): (Q3 + Q4) in the spectrum was 1: 0.652, indicating that the T unit and the Q unit were polymerized with the abundance ratio in the raw material monomer.

本開示は、ガス検出のための化学センサに利用することができる。 The present disclosure can be used for chemical sensors for gas detection.

1 化学センサ素子
2 基板
3 検出部
4 櫛形電極
4a 第1電極
4b 第2電極
4c、4d 端子
5 検出材料
6 絶縁層
7 ビア孔
10 化学センサ
20 制御部
30 信号処理部
40 出力部
50 外部装置
1 Chemical sensor element 2 Substrate 3 Detection unit 4 Comb electrode 4a 1st electrode 4b 2nd electrode 4c, 4d terminal 5 Detection material 6 Insulation layer 7 Via hole 10 Chemical sensor 20 Control unit 30 Signal processing unit 40 Output unit 50 External device

Claims (10)

Q単位およびT単位を全体の50モル%以上含み、かつ、Q単位およびT単位の合計を100モル%としたときに、Q単位を10モル%〜80モル%、T単位を90モル%〜20モル%含むシロキサン化合物を含む検出材料を備える、化学センサ素子。 When the Q unit and the T unit are included in an amount of 50 mol% or more and the total of the Q unit and the T unit is 100 mol%, the Q unit is 10 mol% to 80 mol% and the T unit is 90 mol% to 90 mol%. A chemical sensor element comprising a detection material containing a siloxane compound containing 20 mol%. 上記T単位における置換基がメチル基またはフェニル基である、請求項1に記載の化学センサ素子。 The chemical sensor element according to claim 1, wherein the substituent in the T unit is a methyl group or a phenyl group. 上記シロキサン化合物は、上記Q単位を20モル%〜60モル%を含む、請求項1または2に記載の化学センサ素子。 The chemical sensor element according to claim 1 or 2, wherein the siloxane compound contains 20 mol% to 60 mol% of the Q unit. 請求項1〜3の何れか一項に記載の化学センサ素子を備える化学センサ。 A chemical sensor comprising the chemical sensor element according to any one of claims 1 to 3. 検出対象がガス中の揮発性有機化合物である、請求項4に記載の化学センサ。 The chemical sensor according to claim 4, wherein the detection target is a volatile organic compound in a gas. 上記検出材料に対する揮発性有機化合物の吸着に伴う静電容量の変化を測定する、請求項4または5に記載の化学センサ。 The chemical sensor according to claim 4 or 5, which measures a change in capacitance associated with adsorption of a volatile organic compound to the detection material. ガス中の水蒸気を定量するセンサ素子をさらに備え、
各センサ素子の信号量の差分に基づき測定対象ガス中の水蒸気および揮発性有機化合物を定量する、請求項4〜6の何れか一項に記載の化学センサ。
Further equipped with a sensor element that quantifies water vapor in the gas,
The chemical sensor according to any one of claims 4 to 6, which quantifies water vapor and volatile organic compounds in the gas to be measured based on the difference in the signal amount of each sensor element.
テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランをアルコキシシラン全体の50モル%以上含み、かつ、テトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシランの合計を100モル%としたときに、テトラアルコキシシランを10モル%〜80モル%、トリアルコキシシランを90モル%〜20モル%含むアルコキシシラン溶液において、アルコキシシランをヒドロキシシランへと加水分解する加水分解工程と、
上記ヒドロキシシランを分子間脱水によって縮合させる縮合工程とを含む、化学センサ素子の製造方法。
When tetraalkoxysilane and trialkoxysilane are contained in an amount of 50 mol% or more of the total alkoxysilane and the total of tetraalkoxysilane and trialkoxysilane is 100 mol%, the amount of tetraalkoxysilane is 10 mol% to 80 mol%. In an alkoxysilane solution containing 90 mol% to 20 mol% of trialkoxysilane, a hydrolysis step of hydrolyzing alkoxysilane into hydroxysilane, and
A method for manufacturing a chemical sensor element, which comprises a condensation step of condensing the hydroxysilane by intermolecular dehydration.
上記トリアルコキシシランがメチルトリアルコキシシランまたはフェニルトリアルコキシシランである、請求項8に記載の化学センサ素子の製造方法。 The method for manufacturing a chemical sensor element according to claim 8, wherein the trialkoxysilane is methyltrialkoxysilane or phenyltrialkoxysilane. 上記縮合工程で得られた高分子を含む溶液を電極に付着させて成膜する成膜工程を含む、請求項8または9に記載の化学センサ素子の製造方法。 The method for manufacturing a chemical sensor element according to claim 8 or 9, further comprising a film forming step of adhering a solution containing a polymer obtained in the condensation step to an electrode to form a film.
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