2017 Fiscal Year Research-status Report
揮発性有機化合物の高感度検出用固体インピーダンス型ガスセンサの構築
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16K05939
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
清水 陽一 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (20192114)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ガスセンサ / 固体電解質 / インピーダンス / VOC / NOx / NH3 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds: VOC; アセトン、トルエン等）濃度測定用ガスセンサの開発は大きく遅れている。これは高い検知感度とガス選択性が要求されることに起因する。本研究では，これらの課題を解決するために、固体電解質をインピーダンストランスデューサとし、種々のレセプタ材料を組み合わせた新型のガスセンサデバイスの設計・開発を試み、そのセンサ特性について検討した。
トランスデューサ材料には，高イオン電性と高安定性を有するNa3Zr2Si2PO12, Na5DySi4O12 (Na＋導電体)，Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (Li＋導電体)の固体電解質を検討し，湿式法により合成した。特に、固体電解質の合成では中間体の処理が性能に大きく影響を与えることを見出し、単相の合成法を開発した。レセプタ材料には，従来は全く使用できなかった絶縁体である：ゼオライト、ハイドロソーダライト系の多孔質体を検討した。また、電気泳動法によるレセプタのトランスデューサへの高配向性化、高次成形法を開発した。各固体トランスデューサ，酸化物等レセプタを用いたセンサ素子の作製では、レセプタの接合は，スピンコート，電気泳動法等により行った。各素子のガスに対する基礎応答特性（応答感度，精度，選択性，作動安定性等）を素子のインピーダンス変化としてLCRメーターで測定したところ、NOx,NH3に高感度なセンサを開発した。界面機構解析は、高周波型LCRハイテスタにより解析した。反応前後における酸化物表面を，XPS，FT-IRを用いて，表面状態分析解析等を行い、界面構造について，SEM, EPMA，顕微赤外分光分析等により，構造解析，状態分析を行い、レセプタとトランスデューサの作用機構について解析を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
固体電解質をインピーダンストランスデューサとし、種々のレセプタ材料を組み合わせた新型のガスセンサデバイスの創製を試みた。固体電解質には、ケイ酸塩系ナトリウムイオン導電体の新規湿式合成法を検討し、単相の合成法を開発した。レセプタ材料には、各種酸化物の他、オキソ酸塩、さらに従来はセンサ材料としての使用が困難であった絶縁体であるゼオライトやハイドロソーダライト系の多孔質体を用いた新規インピダンス型ガスセンサを世界で初めて提案した。このゼオライトが高感度なNOx検知用レセプタとなることを見出した。また、ハイドロソーダライトをレセプタに用いると高感度なアンモニア検知が可能なことを新たに見出した。また、レセプタ材料開発において層状ペロブスカイト型酸化物が高性能なCOセンサとなることを見出した。また、これらより、レセプタ／トランスディーサ構成のインピーダンス型センサが多種多様なガスセンサ検知に応用可能なことを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、センサのさらなる高感度化を目指し、デバイスのマイクロ化・傾斜化を検討する。固体電解質は、薄膜化させ，絶縁体基板上に，スピンコート法，電気泳動法等により作製する。固体電解質ファイバーは，セルロースを用いる湿式紡糸法及び電界紡糸装置等によりナノファイバーを作製する。また出発原料に用いる前駆体（溶液）および微粉体は，錯体形成材を用いる高分子前駆体法により調製する。得られたセラミックスのイオン導電率，交流インピーダンス解析を行い，粒界・粒内の導電機構を調べる。また，調製条件と結晶構造，形態，及びイオン伝導特性との関連を調べる。
固体電解質薄膜・繊維と，種々のレセプタを組み合せた，新規センサデバイスを作製する。酸化物薄膜・厚膜，固体電解質薄膜・厚膜・繊維を用いて，スピンコート法，スクリーン印刷等でデバイスを成型する。さらに、レセプタ膜とトランスデューサ膜との結合法に，電気泳動法，電析法等の電気化学プロセスを導入する。これら素子の積層化・傾斜化によりセンサの構造制御を検討する。得られた各セラミック薄膜，厚膜，繊維材料を組み合わせて(薄膜/薄膜積層）型,（薄膜/繊維）型の全固体型VOCガスセンサデバイスへ展開する。
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| Causes of Carryover |
実験が予定よりもうまく行ったため実験補助のための人件費・謝金が不要であった。
また、想定の固体電解質成形装置については、比較的安価な部品の組み合わせで十分利用可能なことが判明したため、その分の節約ができた。
繰越金については、本研究で有効性が確認された新たなレセプタ材料用の試薬、及びデバイスのマイクロ化のための基板材料等の購入に有効に活用する予定である。
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Research Products
(14 results)
