JPS6129660B2 - - Google Patents

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JPS6129660B2
JPS6129660B2 JP54148431A JP14843179A JPS6129660B2 JP S6129660 B2 JPS6129660 B2 JP S6129660B2 JP 54148431 A JP54148431 A JP 54148431A JP 14843179 A JP14843179 A JP 14843179A JP S6129660 B2 JPS6129660 B2 JP S6129660B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
sensitivity
methane
sintered body
mixed
Prior art date
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Expired
Application number
JP54148431A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS5670451A (en
Inventor
Seiichi Nakatani
Yoshihiko Nakatani
Masayuki Sakai
Michio Matsuoka
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Emergency Alarm Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はガス検知素子にかかり、触媒を使用す
ることなくメタンに対しても高い感度を示すガス
検知素子を提供しようとするものである。 従来、ガス検知素子としては、白金線の抵抗変
化や塩化パラジウム水溶液の変色などの現象を利
用したものが知られているが、これらはいずれも
ガス感度が小さく、検知方法が簡単でないなどの
欠点を有している。また、ガスクロマトグラフや
化学分析法では精度が高いものの、分析に即時性
がなく、装置が大規模かつ高価であるなどの欠点
がある。 一方、比較的安価で、検知方法が簡単なものと
して、酸化第二錫(SnO2)や酸化亜鉛(ZnO)、
酸化カドミウム(CdO)のようなn型半導体を
用いたガス検知素子が知られている。この種のガ
ス検知素は、可燃性ガスを即座にかつ定量的に検
出することができるものであり、ガス感度の大き
いものが得られるようになつている。そして、こ
れらは、ガスの吸脱着の応答性を高めるために、
常時高温度に保持されて使用されるように構成さ
れている。しかし、この種の検知素子において
は、抵抗値の経時変化、すなわち、寿命が十分で
あるかどうかが、重要な問題となつている。前述
の金属酸化物半導体を用いた素子では、それ単独
で十分な感度と応答性を得ることができず、その
ため種々の貴金属触媒を添加して素子の活性化を
図つていることが、寿命に大きな疑問を残す要素
となつている。 最近、酸化第二鉄のうちスピネル構造を有する
ガンマ型酸化第二鉄(γ―Fe2O3)が優れたガス
感応特性を示すことが見出され、これを感応体と
したガス検知素子の開発が進められている。しか
し、このγ―Fe2O3は高温度下では、ガス感応特
性を有しないコランダム型の結晶構造のアルフア
型酸化第二鉄(α―Fe2O3)に変態するため、使
用動作温度によつては、抵抗値の経時変化の点
で、若干の問題を残しているものの、触媒を用い
ることなく、大きなガス感度を得るものとして注
目されている。 本発明は、一般式MxZn4-2xO4で示される立方
晶系スピネルを主成分とする焼結体(ただし、M
はSn,Ti)が、触媒の存在なくして、大きなガ
ス感度特にメタンガス(CH4)に対する感度を得
ることを見出したことにもとづくものである。 現在、一般家庭におけるエネルギー源としての
ガスの普及はめざましい。ところが、ガスのもつ
危険性は周知のように非常に大きい。ガスの危険
性を排除し、安全に使用できるようにするため
に、家庭用ガス漏れ警報器の開発が急がれている
のである。一般にガスにはLPガスと都市ガスが
ある。さらに都市ガスと呼ばれるものには、メタ
ンを主成分とする天然ガスと混合製造ガス(水素
およびブタン)とがある。さらにはそれらのガス
の組成も地域によつて異なつている。そのため、
同一のガス検知素子ですべての組成のガスを検知
させることが非常にむずかしい。これが検知素子
の開発を遅れさせている要因の一つとなつてい
る。特に、一般のセンサが、水素やブタン,プロ
パンに感じやすいのに比べて、メタンのような安
定ガスについてはあまり感応しないためと考えら
れる。 本発明はかかるガス検知素子が、経時的変化に
悪影響を及ぼすおそれのある貴金属触媒を用いず
に、かつ、メタンに対するガス感度の大きなガス
検知素子を実現したものである。 以下、本発明にかかる素子について、実施例に
基づいて、具体的に示す。詳細に説明する。 実施例 1 酸化亜鉛(ZnO)粉末に、種々の割合で酸化第
二錫(SnO2)粉末を加え、さらに水を加えて、モ
ノマロンポツトにて十分混合してから、乾燥させ
た。この混合粉を、電気炉で900℃の温度におい
て1時間空気中で仮焼した。その後、仮焼粉をモ
ノマロンポツトで微粉砕した。この仮焼粉砕粉に
有機バインダを添加し、造粒、整粒を行ない、長
さ2mm、直径2mmの円筒状にプレス成型を行なつ
た。このときの圧力は700Kg/cm2で、成型時に太
さ100μの白金線を2本埋め込んだ。これは素子
の電極となるものである。成型体を電気炉で空気
中において750℃の温度で1時間焼成した。この
焼結体の白金線の引張り強度は約100〜400gで、
これからも十分焼結していることがわかる。 次に、この焼結体を加熱するためのコイル状の
ヒータを準備し、第1図に示すように、焼結体を
コイル状ヒータ内に入れてボンデイングした。図
において、1は上記焼結体、2,2′は出力を取
出す白金電極線、3はニクロム線からなるコイル
状のヒータ、4はヒータ3を絶縁するためのセメ
ント、5,6,7,8はヒータ3および焼結体1
のための電気端子である。 上記の構造パツケージに従来の素子と同様にし
て防爆ネツトをかぶせ、ガス検知素子とした。 このガス検知素子における酸化第二錫およびそ
の製造条件を第1表に示す。
The present invention relates to a gas detection element, and an object thereof is to provide a gas detection element that exhibits high sensitivity even to methane without using a catalyst. Conventionally, gas detection elements have been known that utilize phenomena such as resistance changes in platinum wires and discoloration of palladium chloride aqueous solutions, but these all have drawbacks such as low gas sensitivity and difficult detection methods. have. Furthermore, although gas chromatographs and chemical analysis methods have high accuracy, they have drawbacks such as lack of immediacy in analysis and large-scale and expensive equipment. On the other hand, stannic oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO),
Gas sensing elements using n-type semiconductors such as cadmium oxide (CdO) are known. This type of gas detection element is capable of instantly and quantitatively detecting combustible gases, and has a high gas sensitivity. In order to increase the responsiveness of gas adsorption and desorption,
It is configured to be used while being kept at a high temperature at all times. However, in this type of sensing element, an important issue is whether the resistance value changes over time, that is, whether the life span is sufficient. Elements using the aforementioned metal oxide semiconductors cannot obtain sufficient sensitivity and responsiveness on their own, so adding various noble metal catalysts to activate the elements reduces the lifespan. This is an element that leaves a lot of questions. Recently, it has been discovered that among ferric oxides, gamma-type ferric oxide (γ-Fe 2 O 3 ), which has a spinel structure, exhibits excellent gas-sensitivity properties, and gas sensing elements using this as a sensitizer have been developed. Development is underway. However, at high temperatures, this γ-Fe 2 O 3 transforms into alpha-type ferric oxide (α-Fe 2 O 3 ) with a corundum-type crystal structure that does not have gas-sensitive properties, so it cannot be used at operating temperatures. Although some problems remain in terms of changes in resistance over time, this method is attracting attention as a method that provides high gas sensitivity without using a catalyst. The present invention relates to a sintered body mainly composed of cubic spinel represented by the general formula M x Zn 4-2x O 4 (however, M
This is based on the discovery that Sn, Ti) can provide high gas sensitivity, especially sensitivity to methane gas (CH 4 ), without the presence of a catalyst. Currently, gas is becoming increasingly popular as an energy source in general households. However, as is well known, gas is extremely dangerous. There is an urgent need to develop gas leak alarms for home use in order to eliminate the dangers of gas and make it safe to use. Generally speaking, there are two types of gas: LP gas and city gas. Furthermore, what is called city gas includes natural gas whose main component is methane and mixed production gas (hydrogen and butane). Furthermore, the composition of these gases also differs depending on the region. Therefore,
It is extremely difficult to detect gases of all compositions with the same gas detection element. This is one of the factors delaying the development of sensing elements. In particular, this is thought to be because general sensors are sensitive to stable gases such as methane, whereas they are sensitive to hydrogen, butane, and propane. The present invention realizes such a gas detection element that does not use a noble metal catalyst that may adversely affect changes over time and has high gas sensitivity to methane. Hereinafter, the device according to the present invention will be specifically described based on Examples. Explain in detail. Example 1 Tin oxide (SnO 2 ) powder was added to zinc oxide (ZnO) powder in various proportions, water was further added, and the mixture was thoroughly mixed in a monomaron pot and then dried. This mixed powder was calcined in air at a temperature of 900° C. for 1 hour in an electric furnace. Thereafter, the calcined powder was finely pulverized in a monomaron pot. An organic binder was added to the calcined and pulverized powder, which was then granulated and sized, and press-molded into a cylindrical shape with a length of 2 mm and a diameter of 2 mm. The pressure at this time was 700Kg/ cm2 , and two platinum wires with a thickness of 100μ were embedded during molding. This becomes the electrode of the element. The molded body was fired in an electric furnace in air at a temperature of 750°C for 1 hour. The tensile strength of the platinum wire of this sintered body is approximately 100 to 400 g.
It can be seen that sufficient sintering continues. Next, a coiled heater for heating this sintered body was prepared, and as shown in FIG. 1, the sintered body was placed inside the coiled heater and bonded. In the figure, 1 is the sintered body, 2, 2' are platinum electrode wires for outputting the output, 3 is a coiled heater made of nichrome wire, 4 is cement for insulating the heater 3, 5, 6, 7, 8 is the heater 3 and the sintered body 1
It is an electrical terminal for. The above structural package was covered with an explosion-proof net in the same manner as the conventional element to form a gas detection element. Table 1 shows the stannic oxide in this gas sensing element and its manufacturing conditions.

【表】 各端子の端子7,9間にオーム計を接続し、ヒ
ータ3に通電して、焼結体1の温度をほぼ450℃
に保持した。このときのヒータ電力は1.3Wであ
つた。 測定対象となる雰囲気が十分清浄な空気である
ことを確認した後、そのときの焼結体1の抵抗値
Aを測定した。次に天然ガスの代表例としての
メタン(CH4)を3000ppm含む空気中での抵抗値
C、およびイソブタン(i―C4H10)35%と水
素(H2)35%との混合ガスを3000ppm含む空気
中での抵抗値RMをそれぞれ測定した。その結果
を第2図に示す。 第2図はSnxZ4-2xO4の組成比率と各雰囲気中に
おける抵抗値RA,RC,RMとの関係を表わして
いる。これから明らかなように、メタンに対して
はxの値が0.5〜1.5の範囲内にあるとき感度の高
いことがわかる。ただし、混合ガスに対しては、
xの値が大きくなるに従つて、感度が低くなる。
このとき、天然ガスと混合ガスを同時に検知する
ためには、両者に対する感度ができるだけ近いこ
とが望ましい。その点からは、xが0.75〜1.25の
範囲内のとき比較的両者の感度が近く、汎用型都
市ガスセンサとしてはすぐれたものといえる。 これは、焼結体のX線解析からSnZn2O4を多く
含むことによつて得られるものであると推測され
る。 実施例 2 酸化亜鉛(ZnO)粉末に、種々の量の酸化チタ
ン(TiO2)粉末を加え、水をさらに加えて十分混
合してから、それを乾燥させた。混合粉を電気炉
で空気中において900℃で1時間仮焼した。得ら
れた仮焼粉を微粉砕してから、それに有機バイン
ダを添加し、造粒、整粒をし、長さ2mm、直径2
mmに加圧成型した。このときの圧力は700Kg/cm2
であつた。 以下、実施例1と同じ手順で検知素子を作製
し、それぞれの試料について抵抗値RA,RC,R
Mを測定した。 その結果を第2表にまとめて示す。
[Table] Connect an ohmmeter between terminals 7 and 9 of each terminal, turn on the heater 3, and set the temperature of the sintered body 1 to approximately 450℃.
was held at The heater power at this time was 1.3W. After confirming that the atmosphere to be measured was sufficiently clean air, the resistance value R A of the sintered body 1 at that time was measured. Next, we will look at the resistance value R C in air containing 3000 ppm of methane (CH 4 ) as a typical example of natural gas, and the mixed gas of 35% isobutane (i-C 4 H 10 ) and 35% hydrogen (H 2 ). The resistance value R M in air containing 3000 ppm of was measured. The results are shown in FIG. FIG. 2 shows the relationship between the composition ratio of Sn x Z 4-2x O 4 and the resistance values RA , RC , and RM in each atmosphere. As is clear from this, sensitivity to methane is high when the value of x is within the range of 0.5 to 1.5. However, for mixed gas,
As the value of x increases, the sensitivity decreases.
At this time, in order to simultaneously detect natural gas and mixed gas, it is desirable that the sensitivities for both be as similar as possible. From this point of view, when x is within the range of 0.75 to 1.25, the sensitivities of both sensors are relatively close, and it can be said that the sensors are excellent as general-purpose city gas sensors. It is estimated from X-ray analysis of the sintered body that this is obtained by containing a large amount of SnZn 2 O 4 . Example 2 Various amounts of titanium oxide (TiO 2 ) powder were added to zinc oxide (ZnO) powder, water was further added and mixed well, and then it was dried. The mixed powder was calcined in an electric furnace at 900°C for 1 hour in air. The obtained calcined powder is finely pulverized, an organic binder is added thereto, granulated and sized to form a powder with a length of 2 mm and a diameter of 2 mm.
Pressure molded to mm. The pressure at this time is 700Kg/cm 2
It was hot. Hereinafter, a detection element was manufactured using the same procedure as in Example 1, and the resistance values R A , R C , R
M was measured. The results are summarized in Table 2.

【表】 表において、空気中での抵抗値RAはTiO2量の
増大に従つて大きくなるが、メタンを3000ppm
含む空気中で中の抵抗値はTixZn4-2xO4において
x=1.00付近でほぼ一定になるため、xの値が
0.5〜1.5の範囲内ではメタンの感度が増大する。
また、混合ガスに対する抵抗値RMはRAの増加よ
り大きく、増大するので、感度は徐々に小さくな
つている。 以上から都市ガス用、天然ガス用としてのセン
サに用いるにはxの値が0.75〜1.25付近が望まし
いことがわかる。さらに詳細に述べるならば、x
の値が0.75より小さい場合は、混合ガスに対する
感度は大きいがメタンに対する感度が小さいた
め、メタンに警報濃度を設定すれば、混合ガスに
対しては、必要な警報濃度よりも非常に低い濃度
で警報を発することになり、誤報が多く発生する
可能性がある。逆に混合ガスに対して警報濃度を
設定すればメタンの濃度が非常に高くなければ警
報を発しないことになり危険であるといえる。 以上、述べた実施例においても明らかなよう
に、SnO2,TiO2およびZnO単独では、非常に不
完全であつたものが、立方晶系スピネル相である
MZn2O4(MSn,Ti)つまりx=1.00付近でのみ
効果的なメタン感度を得ることができるのであ
る。また、SnO2,TiO2,ZnO単独で用いる場合
には触媒を必要とするが、本発明においては、触
媒を用いなくとも、大きなガス感度を種々のガス
で得られる。
[Table] In the table, the resistance value R A in air increases as the amount of TiO 2 increases, but when methane is
The resistance value in air containing Ti x Zn 4-2x O 4 becomes almost constant around x = 1.00, so the value of x is
Within the range of 0.5 to 1.5, the sensitivity to methane increases.
Furthermore, the resistance value R M to the mixed gas is greater than the increase in R A and increases, so the sensitivity gradually decreases. From the above, it can be seen that the value of x is preferably around 0.75 to 1.25 for use in sensors for city gas and natural gas. To be more specific, x
If the value of is less than 0.75, the sensitivity for mixed gases is high but the sensitivity for methane is low, so if you set an alarm concentration for methane, the alarm concentration for mixed gases will be much lower than the required alarm concentration. This will result in an alarm being issued, and there is a possibility that many false alarms will occur. Conversely, if an alarm concentration is set for the mixed gas, the alarm will not be issued unless the concentration of methane is extremely high, which can be said to be dangerous. As is clear from the examples described above, when using SnO 2 , TiO 2 and ZnO alone, the cubic spinel phase was very incomplete.
MZn 2 O 4 (MSn, Ti), that is, effective methane sensitivity can only be obtained near x=1.00. Further, when using SnO 2 , TiO 2 , or ZnO alone, a catalyst is required, but in the present invention, high gas sensitivity can be obtained with various gases without using a catalyst.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明にかかるガス検知素子の構造の
一例を示し、第2図はその組成比率による抵抗値
変化の代表例を示す。 1……焼結体、2,2′……白金電極線、3…
…ヒータ、4……セメント。
FIG. 1 shows an example of the structure of the gas sensing element according to the present invention, and FIG. 2 shows a typical example of the resistance value change depending on the composition ratio. 1...Sintered body, 2,2'...Platinum electrode wire, 3...
...Heater, 4...Cement.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 一般式MxZn4-2xO4(ただし、MはTiおよび
Snから選択された少なくとも一種0.75≦x≦
1.25)で表わされる。立方晶系スピネル相を主成
分相とする焼結体をガス感応体として用いてなる
ことを特徴となるガス検知素子。
1 General formula M x Zn 4-2x O 4 (M is Ti and
At least one selected from Sn0.75≦x≦
1.25). A gas sensing element characterized in that it uses a sintered body whose main component phase is a cubic spinel phase as a gas sensitive body.
JP14843179A 1979-11-15 1979-11-15 Gas-detecting element Granted JPS5670451A (en)

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JPS5670451A JPS5670451A (en) 1981-06-12
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