JPH04225155A - 電気化学式ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気化学式ガスセンサ
素子に関し、詳しくは検知ガスが透過する絶縁基板に作
用極、対極及び参照極が設けられ、これらの電極と電極
間の絶縁基板を覆う固体電解質膜が設けられてなる電気
化学式ガスセンサ素子であって、酸化還元反応を利用し
て特定のガス成分を検出するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化還元反応を電気化学的に利用して、
雰囲気中のガス、例えば一酸化炭素、水素、アルコール
、窒素酸化物、硫黄酸化物等を検出する電気化学式ガス
センサは、これまでに数多く報告されている。一般的に
、この種のガスセンサーは、高い感度を有していること
から、工業用のガス濃度検出器の分野において利用され
ている。

【０００３】従来の電気化学式ガスセンサの検出機構を
電極構成面から説明すると、硫酸等の電解液を満たした
セルの対向する内壁の一方には作用極、他方には対極と
参照極を設けたものや上記の電解液に代えて固体電解質
膜を用いたものがあり、この構成は、特開昭５３−１１
５２９３号に開示されている。これに対して１枚の絶縁
基板上に、作用極、対極及び作用極に対する基準電位と
しての働きをする参照極の３種の電極を並べて形成し、
さらにこれらの電極と電極間の絶縁基板をスルホン化パ
ーフルオロカーボン等の高分子の固体電解質膜で覆った
電気化学式ガスセンサ素子は、特開平１−１５６６５７
号公報に開示され、この種の電気化学式ガスセンサ素子
は、プレーナ型センサ素子とも呼ばれ、特に薄膜形成技
術や微細加工技術を用いて、極めて小型かつ精密で品質
性能の優れたセンサ素子として期待されている。

【０００４】ところで、検知ガスが透過する絶縁基板に
作用極、対極及び参照極が設けられ、これらの電極と電
極間の絶縁基板を覆う固体電解質膜が設けられてなる電
気化学式ガスセンサ素子の検知ガスに対する感度は、絶
縁基板を透過した検知ガスが作用極上で反応することに
って生じるイオンの固体電解質膜内の移動度の大小に依
存する。このイオンの固体電解質膜内の移動度は、水分
を含んで初めて機能する固体電解質膜の含水率の高低に
左右される。すなわち、固体電解質膜の含水率が減少す
ると、固体電解質膜のインピーダンスが増大するととも
に感度の低下につながる。ところが、この含水率は雰囲
気の湿度によって非可逆的に変化し、経時的に減少する
ので、感度の低下は検出の信頼性をおとすことになり、
実用性が乏しくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
が解決する課題は、固体電解質膜内の含水率の低下に起
因する検知ガスに対する感度の低下を阻止した電気化学
式ガスセンサ素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、検知ガスが
表面から裏面に透過する絶縁基板の裏面に形成された作
用極、対極及び参照極を含む電極群、及びこれらの電極
とこれらの電極間に露出する絶縁基板を覆う固体電解質
膜とからなる電気化学式センサ素子において、絶縁基板
の表面から裏面に到る範囲に非透湿性の層を形成した点
を特徴とするものである。

【０００７】以下、本発明を図面に基づいて説明する。 図１は本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ素
子を示した断面斜視図で、図２は図１のＸ−Ｙ断面を模
式化して示した拡大断面図であり、図３は他の実施例に
係る電気化学式ガスセンサ素子の拡大断面図であり、図
４はガス感度の経時特性を出力電流で測定したグラフで
ある。

【０００８】図１、及び図２において、絶縁基板１は、
検知ガスが接触する表面から裏面に向かってこの検知ガ
スが拡散しながら透過する細孔１ａを無数に有するアル
ミナ基板や異方性エッチング等の微細加工により細孔を
設け、絶縁処理を施したシリコン基板等が用いられる。 この細孔１ａは、一定の径にする必要もなく、数１００
μｍ以下が適当である。また、細孔１ａの方向について
も特定するものではなく、要はガスの拡散を促進する働
きをするものが好ましい。

【０００９】上記の絶縁基板１の裏面には、透過した検
知ガスの存在によって酸化還元反応を励起する作用極２
、この作用極２における反応と対を成す酸化還元反応が
発生する対極３及び作用極２の酸化還元反応の基準電位
として機能する参照極４が設けられている。これらの電
極２，３，４は、白金あるいは金等、通常の各種電極材
料を真空蒸着法やスパッタリング法等により形成される
。通常、作用極２と対極３は白金が好ましく、参照極４
には金が好ましい。その他の電極材料を組み合わせて用
いることも勿論可能である。

【００１０】さらに、作用極２、対極３及び参照極４を
含む電極群が形成された絶縁基板１の裏面には、固体電
解質膜５が上記の電極群を覆って形成されている。この
固体電解質膜５は、例えばスルホン化パーフルオロカー
ボン、その他極性の高い高分子化合物が用いられ、膜の
形成手段はソリュウションキャスト法などが用いられる
。

【００１１】さらに、作用極２、対極３及び参照極４を
含む電極群が形成された絶縁基板１の裏面に存在する細
孔１ａを塞ぐために、非透湿性の層６が形成されている
。この非透湿性の層６は、検知ガスは透過する薄膜で構
成される。この非透湿性の層６は、例えばポリビニルフ
ロライド、ポリビニリデンフロライド、ポリクロロトリ
フルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ
化エチレン−プロピレンポリマー、エチレン−テトラフ
ルオロエチレンポリマー、エチレン−クロロフルオロエ
チレンコポリマー、テトラフルオロエチレンーパーフル
オロアルキルビニルエーテルコポリマー、パーフルオロ
ポリフラン、及びこれらの変性樹脂、ならびにポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリブデン、ポリメチルペンテ
ン及びこれらの変性樹脂などの樹脂液を例えばソリュウ
ションキャスト法で形成される。この他、例えばモノマ
ーガスをブラズマ重合法によって形成してもよい。この
層６の厚みは、水蒸気の透過を防ぐに必要な厚みであれ
ば十分である。

【００１２】また、この層６は、例えば図３に示す如く
、検知ガスが接触する絶縁基板１の表面に形成してもよ
い。要するに、この層６を形成する部位は、絶縁基板１
の表面から裏面に到る範囲であればよい。したがって、
この絶縁基板１を２層に分断し、その間に形成してもよ
い。

【００１３】このように構成された電気化学式ガスセン
サ素子８は、絶縁基板１の表面から検知ガスが浸透する
ように、一面が開口したハウジング９内に収容され、固
体電解質膜５は全面が封止され、この固体電解質膜５内
の水分の蒸発が防止され、常に高い含水率を維持する。

【００１４】

【作用】絶縁基板１の表面から裏面に到る範囲に形成さ
れた非透湿性の層６は、固体電解質膜５内の水分の蒸発
を防ぎ経時的な含水率の低下がなく、その結果固体電解
質膜５のインピーダンスの変化が小さい。

【００１５】

【実施例１】絶縁基板１には、ポーラスアルミナ基板を
用い、検知ガスの接触面である表面と反対の裏面に、作
用極２、対極３及び参照極４を高周波スパッタリング法
により形成した。作用極２及び対極３には白金を用い、
参照極４には金を用いた。そして非透過性の層６を図２
に示す如く、ポリパーフルオロフランをソリュウション
キャステイング法によって、０．５μｍの厚みで形成し
、さらにスルホン化パーフルオロカーボン（商品名：Ｎ
ａｆｉｏｎ　　デュポン社製）を用い電気化学式ガスセ
ンサ素子８とした。

【００１６】

【実施例２】実施例１と同様に高周波スパッタリング法
により、ポーラスアルミナ基板の絶縁基板１の上に作用
極２、対極３及び参照極４を形成した。作用極２と対極
３には白金を用い、参照極４には金を用いた。そして０
．５μｍの厚みを有する非透過性の層６を図３に示す如
く、モノマーガスとしてテトラフルオロエチレンを用い
、プラズマ重合法によってプラズマＣＶＤ装置によって
絶縁基板１の表面に形成した。さらにスルホン化パーフ
ルオロカーボン（商品名：Ｎａｆｉｏｎ　　デュポン社
製）を用い電気化学式ガスセンサ素子７とした。

【００１７】

【比較例１】実施例１と同一の条件で高周波スパッタリ
ング法により、ポーラスアルミナ基板の絶縁基板１の上
に作用極２、対極３及び参照極４を形成した。そして実
施例１と同一のスルホン化パーフルオロカーボンから成
る固体電解質膜５をこれらの電極２、３、４上に直に形
成し、非透過性の層を備えない電気化学式センサ素子を
構成した。

【００１８】以上の実施例１、実施例２と比較例１の電
気化学ガスセンサ素子の一酸化炭素に対するガス感度特
性を参照極４に対して作用極２の電圧を０．４０ｖに設
定し、かつ１００ｐｐｍの雰囲気中で測定した結果、図
４に示す如き出力電流を示した。この図から明らかな通
り、実施例１と２の素子は、比較例の素子に比べて出力
電流の経時変化が微小であることが確認できる。

【００１９】

【発明の効果】この発明に係る電気化学式ガスセンサ素
子によると、絶縁基板の表面から裏面に形成された作用
極に到達した検知ガスの電気化学反応によって生じたイ
オンは、対極に向かって水を含むんだ固体電解質膜内を
移動する。この場合、絶縁基板１の表面から裏面に到る
範囲に形成された非透湿性の層６は、固体電解質膜５内
の水分の蒸発を防ぎ経時的な含水率の低下がなく、その
結果固体電解質膜５のインピーダンスの変化が小さい。 したがってイオンの移動度の変化が小さく、感度の低下
がなく実用性の高いものである。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ
素子をハウジングに収容した状態の断面斜視図である。

【図２】図１のＸ−Ｙ断面を模式的に示した拡大断面図
である。

【図３】本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ
素子の他の実施例に係る図２に対応するＸ−Ｙ断面図で
ある。

【図４】実施例１の電気化学式ガスセンサ素子のガス感
度特性を出力電流値で示したグラフである。

【符号の説明】

１　　絶縁基板 １ａ細孔 ２　　作用極 ３　　対極 ４　　参照極 ５　　固体電解質膜 ６　　層 ８　　電気化学式ガスセンサ素子 ９　　ハウジング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　検知ガスが表面から裏面に透過する絶
   縁基板の裏面に形成された作用極、対極及び参照極を含
   む電極群、及びこれらの電極とこれらの電極間に露出す
   る絶縁基板を覆う固体電解質膜とからなる電気化学式セ
   ンサ素子において、絶縁基板の表面から裏面に到る範囲
   に非透湿性の層を形成したことを特徴とする電気化学式
   ガスセンサ素子。