JP2860708B2 - 一酸化炭素(co)検出センサの製造方法 - Google Patents

一酸化炭素(co)検出センサの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、一酸化炭素の存否を検出するための一酸化
炭素(CO)検出センサの製造方法に関する。
発明の背景 一般に製鋼プラントにおいては、人体に有害な各種の
ガスを発生するが、これらのガスの中で、CO(一酸化炭
素)ガスは2000ppm以下の濃度においてさえも、人体に
対して致命的な影響を与えるほど危険性が高い。
これまでCOガスの存否を検出するための多くのCOガス
センサが開発されているが、SnO2系COガス検出センサは
以下のようにして使用されている。すなわち、ガスの一
部に付着している酸素イオン(O-)が作用ガスと反応す
ることによって分離され、酸素イオンによって捕捉され
ていた電子が自由電子に変化し、それによってガスの導
電率が変化することを利用している。この導電率を測定
し、COガスの存在を決定している。しかしながら、この
COガス検出センサは水素ガスまたはプロパンガスとも同
様に反応してしまう欠点がある(日本化学ジャーナル
1987、No.3、p447〜488)。
このような問題を解決するため、近年、n形半導体
(CuO)およびp形半導体(ZnO)を物理的に接合したタ
イプの他の形式のCOガス検出センサが開発されている。
日本国、特開昭62−90529号公報によれば、このCOガス
検出センサはCOガスのみに選択的に反応する利点があ
る。しかし、このセンサは異なる2つの半導体の相互接
合部を有し、これら半導体が測定後分離される。したが
って、COガスを繰り返し測定する場合には、二つの半導
体の完全な接触を保っていることは稀であり、COガス検
出感度が変化しがちである。
発明の概要 本発明の目的は、上述のような従来技術の欠点を解消
することにある。したがって、本発明の目的は、従来の
SnO2系COガス検出センサに比してCOガス検出特性が大幅
に改善され、さらに繰り返し測定性が従来のp−n接合
形COガス検出センサに比して大きく改善されたCOガス検
出センサを得るための製造方法を提供することである。
この目的を達成するために、本発明にかかる製造方法に
よって得られるCOガス検出センサは、焼結された亜鉛酸
化物(ZnO)本体と;該亜鉛酸化物焼結体の一面上に形
成された銅酸化物(CuO)被覆層と;該銅酸化物被覆層
に対して電気的に接続された正の金属電極と;そして前
記亜鉛酸化物焼結体の他面上に形成された負の金属電極
と;を包含するものであり、本発明にかかるCOガス検出
センサの製造方法によれば、通常の手段により亜鉛酸化
物の粉末を加圧成形し、かつ650〜1000℃で30分ないし
3時間焼結するステップと;化合物半導体を形成するた
めに、硝酸銅(Cu(NO33H2O)溶液に前記亜鉛酸化物
焼結体の一部を浸漬するステップと、;化合物半導体の
硝酸銅を銅酸化物に変化させて薄い銅酸化合物層を形成
するために加熱処理を行うステップと;前記焼結された
亜鉛酸化物本体の銅酸化物層を含まない部分の上および
銅酸化物層の上に、それぞれ正負電極を形成するために
金属層を延伸するステップと;そして、これら正負両電
極を加熱処理するステップと;を包含する。
図面の簡単な説明 本発明の上記目的およびその他の特徴は、本発明の好
適な実施例を添付図と対応せしめる詳細な説明によって
より明らかとなろう。ここに添付する図は、 図1(A)および(B)は、本発明にかかる製造方法
によって得られるCOガス検出センサの構成を示す斜視図
および断面図である。
図2(A)および(B)は、COガス検出センサによっ
てCOガス雰囲気および水素ガス雰囲気を250℃および400
℃で電流変化を測定する状態を示すグラフである。
図3は、本発明にかかる製造方法によって得られるCO
ガス検出センサによってCOガス雰囲気および水素ガス雰
囲気を測定する場合の、感度変化対測定温度の関係を示
すグラフである。
図4は、本発明にかかる製造方法によって得られるCO
ガス検出センサの感度変化対COガス濃度の関係を示すグ
ラフである。
好適な実施例の説明 図1は、本発明にかかるCOガス検出センサの好適な実
施例の構造を示すものであり、図1(A)は斜視図、そ
して図1(B)は断面図である。
本発明にかかるCOガス検出センサの構造は、亜鉛酸化
物の焼結体1の表面に形成された銅酸化物の被覆層2、
および銀からなる正の電極層3と銀および亜鉛の化合物
からなる負の電極層4であって、それぞれ亜鉛酸化物焼
結体の銅酸化物の上面および亜鉛酸化物焼結体の底面に
形成された両電極層からなる。
COガス検出センサの当の電極層は、電気伝導度ならび
に被覆密着特性の観点から銀(Ag)が好ましい。しか
し、銀に代えて、その他の良伝導体をも使用することが
できる。負の電極層は、銀と亜鉛の化合物とすることが
望ましく、この理由はこの物質が接触抵抗が低く、かつ
電子の移動が容易な点にある。もしも、電極層が銀のみ
からなり、銀と亜鉛との化合物が使用されない場合に
は、電流−電圧特性は非直線性となる。これは、接触抵
抗が大きく、したがって望ましくないことを意味する。
本発明にかかるCOガス検出センサの製造方法では、最
初に亜鉛酸化物粉末を加圧成形し、そして650〜1000℃
の温度で30分ないし3時間かけて焼結することが望まし
い。もしも、加圧成形体が650℃以下で、かつ30分より
も短時間の焼結工程であると、亜鉛酸化物本来の特性の
全てを引き出すことができない。もしも、焼結工程が10
00℃以上の温度で、かつ3時間以上行われたとすると、
相対密度が95%以上となり、その結果、後続工程におけ
る硝酸銅(Cu(NO33H2O)の含浸が不可能となる。
亜鉛酸化物焼結体の一部は、化合物半導体を形成する
ために硝酸銅溶液に浸漬され、そしてこの化合物半導体
は、硝酸銅の表面層を銅酸化物に変化させるために加熱
処理される。この加熱処理は、温度範囲470〜800℃で10
分ないし2時間にわたり行われる。もしも、加熱処理が
470℃以下で10分以下であったとすると、硝酸銅の反応
温度が450℃であるため、硝酸銅はごく僅かしか銅酸化
物に変化しないことになる。他方、もしも加熱処理が80
0℃以上の温度で2時間以上行われたとすると、銅酸化
物の粒子が過度に成長して亜鉛酸化物の、銅酸化物およ
び外部誘導ガスとの接触面積が減少し、測定感度の低下
をもたらし、そしてCOガス適合性が損なわれ、結果的に
望ましくない結果を招来する。
銀および亜鉛の化合物からなる電極層は、亜鉛酸化物
焼結体の片面に形成され、そして導電性の電極層は銅酸
化物の片面に被層される。その後加熱処理が行われる
が、処理条件は温度範囲550〜700℃で10分乃至1時間で
あることが好ましい。もしも、加熱処理が550℃以下の
温度で10分よりも短いと、被層された電極層が剥離す
る。他方、もしも加熱処理が700℃以上の温度で1時間
以上行われたとすると、被層された電極層が焼結体内部
に浸入し、銀電極層および亜鉛酸化物焼結体が直接溶け
合うことになり、そして銅酸化物層によるCOガスの捕捉
効果が減少し、望ましくない結果を招来する。
ここに、本発明を添付図を参照しつつ実際の実験例に
即して以下に詳述する。
最初に、平均粒径1μmの亜鉛酸化物粉末は圧力1kgf
/mm2で加圧成形され、複数の亜鉛酸化物成形体が作成さ
れる。ついで、焼結工程は、温度範囲600〜1200℃で30
分間、1時間、3時間にわたってそれぞれ実施された。
その後、亜鉛酸化物焼結体の焼結特性は目視評価され、
そして有孔率が測定され、表1のような結果が得られ
た。
次いで、亜鉛酸化物焼結体1は、硝酸銅の沈積によっ
て焼結体の1面上に薄い化合物半導体層を形成するため
に硝酸銅溶液中に部分的に浸漬される。続いて、加熱処
理が、温度範囲450〜1000℃で、10分間、1時間、2時
間にわたりそれぞれ実施され、硝酸銅の薄層が薄い銅酸
化物層に変化する。その後、ガス流に対する電流量が測
定され、その結果は表2に示す通りであった。
続いて、銀が銅酸化物層の上面に延伸され、さらに亜
鉛酸化物の下面に亜鉛と混合した銀が延伸される。さら
に加熱処理が、温度500℃、550℃、600℃、700℃、800
℃で、それぞれ10分間、30分間、1時間実施され、その
結果銀電極3および銀−亜鉛電極4が形成された。その
後、電極間の接触は目視点検され、そして浸入度は走査
形電子顕微鏡によって測定された。その結果は表3に示
す通りである。
表1から明らかなように、焼結温度が600℃以下であ
ると、理論密度に対する相対密度の測定値は70%以下と
なり、焼結が不可能な状態となる。さらに、焼結および
侵入が良好な状態であるのは、650〜1000℃の温度範囲
である。もしも、焼結温度が1200℃よりも高いと、理論
密度に対して測定された相対密度が高くなりすぎ、侵入
が不可能な状態となる。
また、表2に示すように、ガス感度およびガス選択性
と加熱処理温度および時間とは、450℃で悪化する。ま
た、加熱処理温度1000℃ではガス感度は良好であるが、
ガス選択性は悪化する。
さらに、表3に示すように、電極層が剥離したので、
完全な接触は得られなかった。温度800℃では、侵入現
象が起こるため、銀電極と亜鉛酸化物焼結体が電気的に
接続され、銅酸化物層におけるCOガス捕捉効果が損なわ
れる。
適正な条件下で製造されたCOガスセンサーの評価結果
は以下の通りである。
200ppmのCOを含む空気と、2000ppmのH2を含む空気と
を、250℃に保たれた異なる時点で放出した。直流30Vの
電圧が、COガスセンサーの両電極間に印加し、電流変化
を測定したところ、図2(A)のような結果が得られ
た。図2(A)に示すように、COガスの電流は9μAで
あり、H2の電流は6.5μAであった。このようにCOガス
の感度はH2のそれよりも大きいことが確認された。さら
に、同じ方法で400℃の温度で電流を測定した結果は図
2(B)の通りである。図2(B)に示すように、COガ
スの電流は130μAであり、H2の電流は190μAであっ
た。このようにCOガスの感度はH2のそれよりも低いこと
が確認された。
図3は、温度範囲を200〜400℃とした同様の方法によ
る感度の測定結果を示すものである。図3によれば、CO
ガスの優位性は300℃以下で現れるが、350℃以下ではH2
の感度がCOのそれよりも大きくなり、優位性はない。さ
らに、200℃においては、反応速度が遅いばかりでなく
偏差も大きいため、実用的ではない。
また、図4に示すように、空気中に含まれるCOガスの
濃度と感度との関係が温度250℃および50ppmにおいても
測定された。
本発明によれば、上述のように、COガス検出センサ
は、従来のSnO2系のCOガス検出センサに比して、COガス
の選択性が優れている。さらに、測定特性の繰り返し性
が、従来のCuO/ZnO系のCOガス検出センサに比して改善
される。このように、本発明にかかるCOガス検出センサ
は、法定レベルである50ppmの濃度のCOガスであっても
測定可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 宮山 勝 神奈川県川崎市多摩区中野島6−29―3 ―609 (72)発明者 宮山 勝 神奈川県川崎市多摩区中野島6―29―3 ―609 (72)発明者 シン・ビョン・チュル 大韓民国、790―330 キョン・サン・ブ ク―ドー、ポハン・シティー、ヒョウジ ャ−ドン、サン 32 (56)参考文献 特開 平5−264490(JP,A) 特開 平5−249064(JP,A) 特開 平4−188056(JP,A) 特開 平4−343058(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/12 JICST

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】通常の手段により亜鉛酸化物の粉末を加圧
    成形し、かつ650〜1000℃で30分ないし3時間焼結する
    ステップと; 化合物半導体を形成するために、前記焼結ステップによ
    って得られた亜鉛酸化物焼結体の一部を硝酸銅(Cu(NO
    33H2O)溶液に浸漬するステップと; 化合物半導体表面の硝酸銅層を銅酸化物に変化させ、薄
    い銅酸化物層を形成するために加熱処理を行うステップ
    と; 前記亜鉛酸化物焼結体の銅酸化物層の表面上および銅酸
    化物層が形成されていない部分の表面上に、それぞれ正
    および負の電極を形成するために金属層を延伸するステ
    ップと;そして これら正および負の両電極を加熱処理するステップと; からなるCOガス検出センサの製造方法。
  2. 【請求項2】前記正の電極を形成する金属層として銀
    (Ag)が延伸され、そして前記負の電極を形成する金属
    層として亜鉛を含む銀(Ag−Zn)が延伸された、請求項
    1に記載のCOガス検出センサの製造方法。
  3. 【請求項3】前記化合物半導体表面の硝酸銅が、温度範
    囲470〜800℃の温度範囲で、10分間ないし2時間の加熱
    処理によって薄い銅酸化物層に変化せしめられる、請求
    項1に記載のCOガス検出センサの製造方法。
  4. 【請求項4】前記第1および第2の電極層が、550〜700
    ℃の温度範囲で10分間ないし1時間にわたり加熱処理さ
    れる、請求項1ないし3のいずれかに記載のCOガス検出
    センサの製造方法。
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