JP5476632B2 - 水晶振動子用コーティング液、ガス検出素子、エチレン検出素子およびガス検出素子の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係るガス検出素子の一つの構成例を示す断面図である。ガス検出素子1は、水晶振動子2と、水晶振動子2の両表面に貼着されている電極3と、水晶振動子2および電極3の表面に形成されているガス吸着膜4とで構成されている。なお、電極3は、ソケット部6を介してリード5と接続されている。
図2は、ガス検出センサの構成を模式的に示すブロック図である。ガス検出センサ10は、主に、キャリアガス(乾燥空気、N2など)を充填したガスボンベ11と、パーミエータ12と、異なる複数種類のガス検出素子Sが設置されたサンプリングボックス13とを流路接続するようにして構成される。ガス検出素子Sとしては、上述の図1に示した水晶振動子からなるガス検出素子Sを用いる。ガス検出素子Sの個数は、測定対象により増減すればよい。
複数の物質に対する比較的広い範囲の感応性をもったガス検出素子を複数種類組み合わせて使用することで、物質の検知を可能とする。すなわち、所定の特性を有する物質に対して、相互に異なる感応性を示す複数種類のガス検出素子を組み合わせた場合に、この感応性の相違に由来してこれらから得られる検出情報は同一でない複数の情報となり、しかも一の物質に対してこれらの検出情報の相互関係は常に一定の傾向を示す。また、別の物質に対しては別の一定の傾向を示す。
図2に示すガス検出センサを用いて、サンプルガスの発振周波数値変化を測定した。ガス検出素子Sとしては、ガス吸着膜が異なる3種類のガス検出素子(ガス検出素子1〜3)を同時に用いて測定した。サンプルガスに反応した時点を基準とし、1秒毎に各センサの出力値を測定し、基準値からの変化量を記録した。サンプルガスとして、エチレン、エタノールを用いた。ガス検出素子1〜3の形成方法を以下に示し、周波数変化の測定結果を図4、5に示す。図4はサンプルガスとしてエチレンを用いた場合の結果であり、図5は試料ガスとしてエタノールを用いた場合の結果である。
エタノール15g、メチルトリエトキシシラン2.5g、2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシラン0.075g、水0.25gと30%の硝酸水溶液10μLを混合し、室温で1時間攪拌して、コーティング液を調製した。
エタノール9.6g、フェニルトリメトキシシラン1.5g、水1.0gと30%の硝酸水溶液20μLを混合し、室温で1時間攪拌して、コーティング液を調製した。あとは、水晶振動子1と同様にゲル薄膜であるガス吸着膜を形成した。
電極を貼着した市販の水晶振動子(9MHz、ATカット)にガス吸着膜を形成することなく、そのままガス検出素子として用いた。
図4および図5に示す実験結果から、フッ素元素を構成元素して有する金属アルコキシドである2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシランを配合したコーティング液を用いてガス吸着膜を形成することにより、エチレンおよびエタノールに対して高い感度を示すことがわかる。したがって、フッ素元素を構成元素して有する金属アルコキシドを配合したコーティング液を用いてガス吸着膜を形成することにより、特にエチレンあるいはエタノールの検出用センサーとして高感度・高精度のセンサーを構成することができることがわかる。
実験1で形成したガス検出素子1,3について、ガス検出素子表面のAMF写真(原子間顕微鏡写真)を撮像し、表面粗さを測定した。図6はガス検出素子1の結果を示し、図7はガス検出素子3の結果を示す。図6(a)はガス検出素子1のAMF写真であり、図6(b)はガス検出素子1の表面粗さの測定結果を示す図である。図7(a)はガス検出素子3のAMF写真であり、図7(b)はガス検出素子3の表面粗さの測定結果を示す図である。図6(b)、図7(b)において、横軸はガス検出素子表面の横方向の距離、縦軸は高さ(最も低い高さを0とした換算値)を表す。測定結果より、ガス検出素子1の表面の凹凸の高度差の平均値は46.7μmであり、ガス検出素子3の表面の凹凸の高度差の平均値は212μmであることが算出された。
図6、図7を対比すると、本発明に係るコーティング液によりガス吸着膜を形成したガス検出素子1の表面は、適度な凹凸を有するゲル膜で概ね均一に覆われていることが分かった。
図2に示すガス検出センサを用いて、実験1と同様に発振周波数値変化を測定した。ガス検出素子Sとしては、以下に示すガス検出素子4を一つ用いて測定した。サンプルガスに反応した時点を基準とし、1秒毎に各センサの出力値を測定し、基準値からの変化量を記録した。サンプルガスとして、エチレン、エタノール、トリエチルアミン、水、チモール、サリチル酸メチルを用いた。ガス検出素子4の形成方法を以下に示し、周波数変化の測定結果を図8、9に示す。図8は、エチレン、エタノール、水を用いた場合の測定結果を示し、図9は、サリチル酸メチル、チモール、トリエチルアミンの測定結果を示す。
エタノール30g、メチルトリメトキシシラン2.5g、2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシラン0.075g、水0.25gと30%の硝酸水溶液10μL、を混合し、室温で1時間攪拌して、コーティング液を調製した。
図8,9に示す結果から、上述の通り、各ガスの周波数変化の特性が異なることがわかる。例えば、最大周波数変化に達するまでの時間、波形の立ち上がりの勾配が異なっている。したがって、取得済みデータとの対比により、ガスの種類を特定することが可能となる。また、上述の通り、ニューラルネットワークで解析することにより、サンプルガスの種類あるいは濃度を識別することが可能となる。
(ガス検出素子5〜9)
エタノール15g、メチルトリエトキシシラン2.5g、、水0.25g、30%の硝酸水溶液10μLと、表1に記載の割合の2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシランを混合し、室温で1時間攪拌して、コーティング液を調製した。表1に記載の2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシラン割合は、具体的には、メチルトリエトキシシランの重量をW1、2−(パーフルオロオクチル)エチルトリエトキシシランの重量をW2とした場合に、{W2/(W1+W2)}×100で算出される値である。
Claims (5)
- 金属アルコキシド、前記金属アルコキシドの部分加水分解物および前記金属アルコキシドの縮合物からなる群から選択される一種以上よりなる主成分と、前記主成分を溶解する有機溶剤と、水とを含有し、
前記金属アルコキシドの少なくとも一部の化合物は、フッ素元素を構成元素として含む、水晶振動子用コーティング液。 - さらに酸性触媒を含有し、前記有機溶剤はアルコールである、請求項1に記載の水晶振動子用コーティング液。
- 水晶振動子と、水晶振動子用コーティング液を用いて前記水晶振動子表面に形成されたガス吸着膜と、を有し、
前記水晶振動子用コーティング液は、金属アルコキシド、前記金属アルコキシドの部分加水分解物および前記金属アルコキシドの縮合物からなる群から選択される一種以上よりなる主成分と、前記主成分を溶解する有機溶剤と、水とを含有し、
前記金属アルコキシドの少なくとも一部の化合物は、フッ素元素を構成元素として含む、ガス検出素子。 - 水晶振動子と、水晶振動子用コーティング液を用いて前記水晶振動子表面に形成されたガス吸着膜と、を有し、
前記水晶振動子用コーティング液は、金属アルコキシド、前記金属アルコキシドの部分加水分解物および前記金属アルコキシドの縮合物からなる群から選択される一種以上よりなる主成分と、前記主成分を溶解する有機溶剤と、水とを含有し、
前記金属アルコキシドの少なくとも一部の化合物は、フッ素元素を構成元素として含む、エチレン検出素子。 - 水晶振動子用コーティング液を用いて水晶振動子の表面にコーティング膜を形成する工程と、
前記コーティング膜を焼成しガス吸着膜を形成する工程と、を有し、
前記水晶振動子用コーティング液は、金属アルコキシド、前記金属アルコキシドの部分加水分解物および前記金属アルコキシドの縮合物からなる群から選択される一種以上よりなる主成分と、前記主成分を溶解する有機溶剤と、水とを含有し、
前記金属アルコキシドの少なくとも一部の化合物は、フッ素元素を構成元素として含む、ガス検出素子の製造方法。
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