JPH05203612A - 電気化学式ガスセンサ - Google Patents
電気化学式ガスセンサInfo
- Publication number
- JPH05203612A JPH05203612A JP3127938A JP12793891A JPH05203612A JP H05203612 A JPH05203612 A JP H05203612A JP 3127938 A JP3127938 A JP 3127938A JP 12793891 A JP12793891 A JP 12793891A JP H05203612 A JPH05203612 A JP H05203612A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrodes
- solid electrolyte
- gas sensor
- electrochemical gas
- pores
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 電気化学式ガスセンサの小型化を維持して、
センサ感度を上げる。 【構成】 絶縁基板１０上に複数の電極が設けられ、こ
れらの電極および電極間を覆うようにして固体電解質膜
５０が設けられており、前記電極が形成された、絶縁基
板１０の界面６０を含む表層部７０に相互に連通する細
孔８０を有し、その細孔８０内部に固体電解質９０を充
填したことを特徴とする電気化学式がすセンサ。
センサ感度を上げる。 【構成】 絶縁基板１０上に複数の電極が設けられ、こ
れらの電極および電極間を覆うようにして固体電解質膜
５０が設けられており、前記電極が形成された、絶縁基
板１０の界面６０を含む表層部７０に相互に連通する細
孔８０を有し、その細孔８０内部に固体電解質９０を充
填したことを特徴とする電気化学式がすセンサ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電気化学式ガスセン
サに関し、詳しくは酸化還元反応を利用し特定のガス成
分を検出する電解型の電気化学式ガスセンサに関するも
のである。
サに関し、詳しくは酸化還元反応を利用し特定のガス成
分を検出する電解型の電気化学式ガスセンサに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】電気化学的な酸化反応を利用して、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、これまでにも報告されている。一般的に、この種
のガスセンサは高い感度を有していることから、工業用
のガス濃度検出器等の分野において利用されている。
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、これまでにも報告されている。一般的に、この種
のガスセンサは高い感度を有していることから、工業用
のガス濃度検出器等の分野において利用されている。
【０００３】その一つとして、１枚の絶縁基板の同じ面
に、作用極、対極及び参照極の３つの電極を並べて形成
し、これらの電極及び電極間を覆って、スルホン化パー
フルオロカーボン等の高分子固体電解質膜を形成した構
造の電気化学式ガスセンサが提案されている。このよう
に、絶縁基板の同一面に全ての電極を形成する平面型電
極構造の電気化学式ガスセンサは、プレーナ型センサと
も呼ばれており、従来、半導体製造分野等で利用されて
きた薄膜形成技術や微細加工技術を用いて、極めて小型
かつ精密なセンサが製造でき、品質性能の大幅な向上が
図れるものとして、期待されている。
に、作用極、対極及び参照極の３つの電極を並べて形成
し、これらの電極及び電極間を覆って、スルホン化パー
フルオロカーボン等の高分子固体電解質膜を形成した構
造の電気化学式ガスセンサが提案されている。このよう
に、絶縁基板の同一面に全ての電極を形成する平面型電
極構造の電気化学式ガスセンサは、プレーナ型センサと
も呼ばれており、従来、半導体製造分野等で利用されて
きた薄膜形成技術や微細加工技術を用いて、極めて小型
かつ精密なセンサが製造でき、品質性能の大幅な向上が
図れるものとして、期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な固体電解質を用いたプレーナ型ガスセンサの場合、固
体電解質膜のイオン伝導度が小さいため、作用極上にお
ける反応生成物、例えばプロトン等の移動が遅いため
に、いわゆる電荷移動律速状態となり、ガス等の反応物
の固体電解質膜における電極上への拡散量に見合った反
応状態、すなわち拡散律速状態にならず、本来の反応電
流より小さい電流しか流れず、ガスの検出感度が低い。
な固体電解質を用いたプレーナ型ガスセンサの場合、固
体電解質膜のイオン伝導度が小さいため、作用極上にお
ける反応生成物、例えばプロトン等の移動が遅いため
に、いわゆる電荷移動律速状態となり、ガス等の反応物
の固体電解質膜における電極上への拡散量に見合った反
応状態、すなわち拡散律速状態にならず、本来の反応電
流より小さい電流しか流れず、ガスの検出感度が低い。
【０００５】また、イオン伝導度を大きくするために、
固体電解質膜の厚みを大きくすれば、イオン伝導度が大
きくなる反面、固体電解質膜を拡散して電極上へ到達す
るガス等の反応物の量が減少し、その結果同様にガスの
検出感度が低い。
固体電解質膜の厚みを大きくすれば、イオン伝導度が大
きくなる反面、固体電解質膜を拡散して電極上へ到達す
るガス等の反応物の量が減少し、その結果同様にガスの
検出感度が低い。
【０００６】センサ出力が小さくなり、微小な検知信号
しか得られないと、検知信号を処理する検出回路にかか
る負担が大きくなり、検出装置全体の構造の複雑化やコ
ストアップを招くことになり、プレーナ型センサを採用
したことによる、小型化や生産性の向上効果等が十分に
発揮されなくなってしまう。
しか得られないと、検知信号を処理する検出回路にかか
る負担が大きくなり、検出装置全体の構造の複雑化やコ
ストアップを招くことになり、プレーナ型センサを採用
したことによる、小型化や生産性の向上効果等が十分に
発揮されなくなってしまう。
【０００７】そこで、この発明の課題は、センサ素子を
小型化しても、センサ出力すなわちセンサ感度が低下せ
ず、高いセンサ感度を発揮することのできる電気化学式
ガスセンサを提供することにある。
小型化しても、センサ出力すなわちセンサ感度が低下せ
ず、高いセンサ感度を発揮することのできる電気化学式
ガスセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明に係る電気化学式ガスセンサは、絶縁基板上に複
数の電極が設けられ、これらの電極および電極間を覆う
ようにして固体電解質膜が設けられており、前記電極が
形成された、絶縁基板の界面を含む表層部に相互に連通
する細孔を有し、その細孔内部に固体電解質が充填され
ている点を特徴とするものである。
の発明に係る電気化学式ガスセンサは、絶縁基板上に複
数の電極が設けられ、これらの電極および電極間を覆う
ようにして固体電解質膜が設けられており、前記電極が
形成された、絶縁基板の界面を含む表層部に相互に連通
する細孔を有し、その細孔内部に固体電解質が充填され
ている点を特徴とするものである。
【０００９】以下、本発明を図面を参照しながら説明す
る。図１乃至図３において、絶縁基板１０の上に導電性
薄膜からなる作用極２０とこの作用極２０に対をなす対
極４０とさらに作用極２０に対して基準電位として機能
する参照極３０が形成されている。ここで絶縁基板１０
としては、シリコン基板、アルミナ基板、その他種々の
セラミックス基板などを用いることができる。そしてこ
れらの電極２０、３０、４０は、例えば絶縁基板１０上
に白金、金などの各種電極材料を真空蒸着やスパッタリ
ング等により形成される。通常、作用極２０には白金が
好ましく、参照極３０には金が好ましいが、その他の電
極材料を組み合わせることも勿論可能である。また対極
３０は、白金、金のどちらを用いても良い。さらに電極
２０、３０、４０は、固体電解質膜５０によって覆われ
ている。この固体電解質膜５０は、例えばポリスチレン
スルホネートポリマ、パーフルオロスルホネートポリマ
等のプロトン伝導性を有する高分子電解質材料やアンチ
モン酸化合物で構成され、キャステング、ディップ、蒸
着、スパッタリング等により薄膜に成膜することができ
る。
る。図１乃至図３において、絶縁基板１０の上に導電性
薄膜からなる作用極２０とこの作用極２０に対をなす対
極４０とさらに作用極２０に対して基準電位として機能
する参照極３０が形成されている。ここで絶縁基板１０
としては、シリコン基板、アルミナ基板、その他種々の
セラミックス基板などを用いることができる。そしてこ
れらの電極２０、３０、４０は、例えば絶縁基板１０上
に白金、金などの各種電極材料を真空蒸着やスパッタリ
ング等により形成される。通常、作用極２０には白金が
好ましく、参照極３０には金が好ましいが、その他の電
極材料を組み合わせることも勿論可能である。また対極
３０は、白金、金のどちらを用いても良い。さらに電極
２０、３０、４０は、固体電解質膜５０によって覆われ
ている。この固体電解質膜５０は、例えばポリスチレン
スルホネートポリマ、パーフルオロスルホネートポリマ
等のプロトン伝導性を有する高分子電解質材料やアンチ
モン酸化合物で構成され、キャステング、ディップ、蒸
着、スパッタリング等により薄膜に成膜することができ
る。
【００１０】このような構成の電気化学式ガスセンサに
あって、本発明においては、図２に示す如く、作用極２
０が形成された絶縁基板１０の界面６０を含む表層部７
０に、相互に連通する細孔８０が多数形成され、この細
孔８０内には固体電解質膜５０と同一の固体電解質９０
が充填されている。なお、細孔８０内に充填された固体
電解質は、固体電解質膜５０と同一の物質に限定するも
のではなく、異なる物質でもよい。ここで、細孔８０の
大きさは、一定の値にする必要はなく、好ましくは数１
００μｍ以下が適当である。また、細孔８０による、表
層部７０の空隙率は、好ましくは６０％程度で、且つ界
面６０の単位面積当たりの開孔率は７０％程度が適当で
ある。
あって、本発明においては、図２に示す如く、作用極２
０が形成された絶縁基板１０の界面６０を含む表層部７
０に、相互に連通する細孔８０が多数形成され、この細
孔８０内には固体電解質膜５０と同一の固体電解質９０
が充填されている。なお、細孔８０内に充填された固体
電解質は、固体電解質膜５０と同一の物質に限定するも
のではなく、異なる物質でもよい。ここで、細孔８０の
大きさは、一定の値にする必要はなく、好ましくは数１
００μｍ以下が適当である。また、細孔８０による、表
層部７０の空隙率は、好ましくは６０％程度で、且つ界
面６０の単位面積当たりの開孔率は７０％程度が適当で
ある。
【００１１】
【作 用】絶縁基板１０上に複数の電極２０、３０、４
０が設けられ、これらの電極２０、３０、４０を覆う固
体電解質膜５０が設けられており、前記絶縁基板１０の
表層部７０に相互に連通する細孔８０を有し、その細孔
８０内に固体電解質９０が充填されているので、細孔８
０内に充填された高分子固体電解質９０が、イオン伝導
のパスとして働く。
０が設けられ、これらの電極２０、３０、４０を覆う固
体電解質膜５０が設けられており、前記絶縁基板１０の
表層部７０に相互に連通する細孔８０を有し、その細孔
８０内に固体電解質９０が充填されているので、細孔８
０内に充填された高分子固体電解質９０が、イオン伝導
のパスとして働く。
【００１２】すなわち、作用極２０上での反応生成物が
このパスを通っても対極３０側に移動することが可能に
なり、センサとしてみた場合の作用極２０と対極４０の
間のイオン伝導度は、絶縁基板１０の上に形成された固
体電解質膜５０内のイオン伝導度と比べて著しく増大す
る。
このパスを通っても対極３０側に移動することが可能に
なり、センサとしてみた場合の作用極２０と対極４０の
間のイオン伝導度は、絶縁基板１０の上に形成された固
体電解質膜５０内のイオン伝導度と比べて著しく増大す
る。
【００１３】作用極２０上で反応生成物が生成される
と、直ちに対極４０側へ移動すれば、電極反応における
律速状態は電荷移動律速から拡散律速に変わり反応物の
拡散量に見合った反応が進行することになる。前記電極
間のイオン伝導度が著しく大きい場合、前記の反応が進
行することとなる。したがって、電気化学式センサの感
度が著しく上昇することになる。
と、直ちに対極４０側へ移動すれば、電極反応における
律速状態は電荷移動律速から拡散律速に変わり反応物の
拡散量に見合った反応が進行することになる。前記電極
間のイオン伝導度が著しく大きい場合、前記の反応が進
行することとなる。したがって、電気化学式センサの感
度が著しく上昇することになる。
【００１４】
【発明の効果】この発明に係る電気化学式ガスセンサに
よれば、絶縁基板上に複数の電極が設けられ、これらの
電極および電極間を覆うようにして固体電解質層が設け
られており、前記絶縁基板の表層部に細孔を有し、その
細孔内部に固体電解質が充填されていることにより、電
極間のイオン伝導度を著しく大きくし、作用極上での電
極反応が円滑に行える。
よれば、絶縁基板上に複数の電極が設けられ、これらの
電極および電極間を覆うようにして固体電解質層が設け
られており、前記絶縁基板の表層部に細孔を有し、その
細孔内部に固体電解質が充填されていることにより、電
極間のイオン伝導度を著しく大きくし、作用極上での電
極反応が円滑に行える。
【００１５】その結果、センサ感度に優れた高性能な電
気化学式ガスセンサが提供できる。また、検知回路等に
負担をかけずに高性能化することができる。
気化学式ガスセンサが提供できる。また、検知回路等に
負担をかけずに高性能化することができる。
【図１】本発明の実施例に係る電気化学式ガスセンサの
平面図である。
平面図である。
【図２】図１のＸーＹにおける断面図である。
１０ 絶縁基板 ２０ 作用極 ３０ 参照極 ４０ 対 極 ５０ 固体電解質膜 ９０ 固体電解質
Claims (1)
- 【請求項１】 絶縁基板上に複数の電極が設けられ、こ
れらの電極および電極間を覆う固体電解質膜が設けられ
て成る電気化学式ガスセンサにおいて、電極が形成され
た、絶縁基板の界面を含む表層部に相互に連通する細孔
を有し、その細孔内部に固体電解質が充填されているこ
とを特徴とする電気化学式ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3127938A JPH05203612A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 電気化学式ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3127938A JPH05203612A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 電気化学式ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05203612A true JPH05203612A (ja) | 1993-08-10 |
Family
ID=14972354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3127938A Pending JPH05203612A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 電気化学式ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05203612A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11346804B2 (en) * | 2020-02-19 | 2022-05-31 | Labsys Llc | Microfabricated electrochemical gas sensor |
-
1991
- 1991-05-30 JP JP3127938A patent/JPH05203612A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11346804B2 (en) * | 2020-02-19 | 2022-05-31 | Labsys Llc | Microfabricated electrochemical gas sensor |
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