JP4423127B2 - Semiconductor gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、検出電極を覆うと共に被検知ガスと接触自在に設けられたガス感応層を備えた半導体式ガス検知素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor-type gas detection element that includes a gas-sensitive layer that covers a detection electrode and is provided so as to be in contact with a gas to be detected.
従来、この種の半導体式ガス検知素子としては、例えば基板型半導体式ガス検知素子が知られていた。当該ガス検知素子は、例えば絶縁基板であるアルミナ基板上に一対の検出電極を蒸着し、その電極上を覆うガス感応層を形成してある。このガス感応層の抵抗は、ガス感応層の膜材料を構成する粒子表面の吸着酸素と被検知ガスとの酸化反応によって、トラップされていた電子が放されることで変化する。被検知ガスの検知はその抵抗の変化を測定して行う。 Conventionally, as this type of semiconductor gas detection element, for example, a substrate type semiconductor gas detection element has been known. In the gas detection element, for example, a pair of detection electrodes is vapor-deposited on an alumina substrate which is an insulating substrate, and a gas sensitive layer covering the electrodes is formed. The resistance of the gas sensitive layer is changed by releasing trapped electrons due to an oxidation reaction between adsorbed oxygen on the surface of the particles constituting the film material of the gas sensitive layer and the gas to be detected. The gas to be detected is detected by measuring the change in resistance.
ガス感応層の構成粒子は、粒子径を小さくすると比表面積が増えるため、ガス感応層の酸化活性が高くなってガス感度が高くなる。さらに、粒子径を小さくすると共に粒子間ネックのサイズを空間電荷層の厚みと同じオーダーにすると、電気抵抗の変化は鋭敏になり、さらにガス感度が高くなる。従って、ガス検知素子を高感度化するには、ガス感応層の構成粒子の粒子径が小さいことが望まれる。 Since the specific surface area of the constituent particles of the gas sensitive layer increases as the particle size is reduced, the oxidation sensitivity of the gas sensitive layer increases and the gas sensitivity increases. Further, when the particle diameter is reduced and the size of the interparticle neck is set to the same order as the thickness of the space charge layer, the change in electric resistance becomes sharp and the gas sensitivity is further increased. Therefore, in order to increase the sensitivity of the gas detection element, it is desired that the particle diameter of the constituent particles of the gas sensitive layer is small.
一方、電極付近のガス感応層の抵抗変化はガス感応層全体のバルク抵抗変化に最も敏感であるため、ガス検知素子の感度を上げるためには被検知ガスのガス感応層内部への拡散性を向上させる必要がある。ガス感応層内部への被検知ガスの拡散性は、ガス感応層のポーラス構造(多孔構造)、ガス感応層の構成粒子の粒子径によって大きく左右される。当該粒子径が大きくなるほど被検知ガスの拡散性は向上するが、一方で、ガス感応層の電気抵抗の変化は小さくなり、ガス感度は低下する。従って、当該粒子径と、拡散性を制御するガス感応層の構造との関係を最適化することが求められている。 On the other hand, the resistance change of the gas sensitive layer near the electrode is the most sensitive to the bulk resistance change of the entire gas sensitive layer, so in order to increase the sensitivity of the gas sensing element, the diffusibility of the gas to be detected inside the gas sensitive layer should be reduced. There is a need to improve. The diffusibility of the gas to be detected inside the gas sensitive layer is greatly influenced by the porous structure (porous structure) of the gas sensitive layer and the particle diameter of the constituent particles of the gas sensitive layer. As the particle diameter increases, the diffusibility of the gas to be detected is improved. On the other hand, the change in electric resistance of the gas sensitive layer is reduced, and the gas sensitivity is lowered. Therefore, it is required to optimize the relationship between the particle size and the structure of the gas sensitive layer that controls the diffusibility.
上述の基板型半導体ガス検知素子は、ガス感応層の膜厚により、厚膜型ガス検知素子と薄膜型ガス検知素子に分類できる。 The above-mentioned substrate type semiconductor gas detection element can be classified into a thick film type gas detection element and a thin film type gas detection element according to the film thickness of the gas sensitive layer.
厚膜型ガス検知素子は、金属酸化物をガス感応層の構成粒子とし、検出電極を設けた絶縁基板上に、膜厚が10〜50μm程度になるようにガス感応層を形成してある。
一方、薄膜型ガス検知素子は、金属酸化物をガス感応層の構成粒子とし、膜厚がおよそ1μm以下になるようにガス感応層を形成してある。このガス感応層は、真空蒸着・スパッタリング・液相析出(LPD)法などにより、検出電極を設けた絶縁基板上に金属酸化物薄膜を形成することで構成してあり、当該構成粒子の粒子径が非常に小さいため高いガス感度が得られる。
In the thick film type gas detection element, a metal oxide is used as a constituent particle of a gas sensitive layer, and a gas sensitive layer is formed on an insulating substrate provided with a detection electrode so as to have a film thickness of about 10 to 50 μm.
On the other hand, in the thin film type gas detection element, the gas sensitive layer is formed so that the metal oxide is a constituent particle of the gas sensitive layer and the film thickness is about 1 μm or less. This gas-sensitive layer is formed by forming a metal oxide thin film on an insulating substrate provided with a detection electrode by vacuum deposition, sputtering, liquid phase deposition (LPD), or the like. Is very small, and high gas sensitivity can be obtained.
尚、本発明における従来技術となる半導体式ガス検知素子は、一般的な技術であるため、特許文献等の従来技術文献は示さない。 In addition, since the semiconductor type gas detection element used as the prior art in this invention is a general technique, prior art documents, such as a patent document, are not shown.
上述した厚膜型ガス検知素子は、薄膜型ガス検知素子のガス感応層の構成粒子に比べて粒子径が大きいため、粒子間にできる被検知ガスのパスが大きくなって被検知ガスの拡散性は向上するが、ガス感応層の電気抵抗の変化は小さくなってガス感度が低下するという問題点があった。 The above-mentioned thick film type gas sensing element has a larger particle diameter than the constituent particles of the gas sensitive layer of the thin film type gas sensing element. However, there is a problem that the gas sensitivity is lowered because the change in electric resistance of the gas sensitive layer is reduced.
一方、薄膜型ガス検知素子は、厚膜型ガス検知素子のガス感応層の構成粒子に比べて粒子径が小さいために粒子間にできる被検知ガスのパスが小さく、被検知ガスの拡散性に欠ける。そのため、膜厚を非常に薄く制御しなければ所望のガス感度と応答速度が得られないという問題点があった。また、ガス検知素子は常に様々な種類のガスが存在する雰囲気中に暴露・被毒されているため、膜厚が薄い薄膜型ガス検知素子は厚膜型ガス検知素子より劣化し易くなるという問題点があった。 On the other hand, the thin-film gas sensing element has a smaller particle diameter than the constituent particles of the gas-sensitive layer of the thick-film gas sensing element, so the path of the gas to be detected between the particles is small, and the diffusibility of the gas to be detected is increased. Lack. Therefore, there has been a problem that the desired gas sensitivity and response speed cannot be obtained unless the film thickness is controlled to be very thin. In addition, since the gas detection element is always exposed and poisoned in an atmosphere where various types of gases exist, the thin film type gas detection element having a thin film thickness is more easily deteriorated than the thick film type gas detection element. There was a point.
つまり、ガス感応層の構成粒子の粒子径と、拡散性を制御するガス感応層の構造との関係を最適化して、被検知ガスのガス感度・ガス検知時の応答性・被毒ガスに対する耐久性に優れたガス感応部とするのは困難であった。 In other words, by optimizing the relationship between the particle size of the constituent particles of the gas-sensitive layer and the structure of the gas-sensitive layer that controls diffusivity, the gas sensitivity of the gas to be detected, the responsiveness at the time of gas detection, and the durability against the poisoned gas It was difficult to make a gas sensitive part excellent in the above.
従って、本発明の目的は、被検知ガスのガス感度、ガス検知時の応答性、被毒ガスに対する耐久性に優れたガス感応部を有する半導体式ガス検知素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor type gas detection element having a gas sensitive part excellent in gas sensitivity of gas to be detected, responsiveness at the time of gas detection, and durability against poison gas.
上記目的を達成するための本発明に係る半導体式ガス検知素子は、検出電極を覆うと共に被検知ガスと接触自在に設けられたガス感応層を備えた半導体式ガス検知素子であって、その第一特徴構成は、前記ガス感応層が、コア粒子と、当該コア粒子の表面を覆うと共にポーラス構造に形成した金属酸化物の微粒子層とからなる構成粒子を備え、前記ガス感応層を、前記構成粒子が集合したポーラス構造に形成してある点にある。 In order to achieve the above object, a semiconductor gas detection element according to the present invention is a semiconductor gas detection element that includes a gas sensitive layer that covers a detection electrode and is provided so as to be in contact with a gas to be detected. One characteristic configuration is that the gas sensitive layer includes constituent particles including core particles and a fine particle layer of a metal oxide that covers a surface of the core particles and has a porous structure, and the gas sensitive layer is configured as described above. It is in the point that it is formed in a porous structure in which particles are gathered.
上記第一特徴構成によれば、ガス感応層の構成粒子は、コア粒子の表面上を微粒子層によりコーティングした粒子となり、このコア粒子を覆う微粒子の平均粒子径を、例えば数〜数十nm程度の非常に微細な粒子とすることが可能である。そのため、微粒子層が被検知ガスと接触する比表面積が増大して、ガス感応層の酸化活性が高くなり、被検知ガスの微粒子層への到達によって吸着酸素との酸化反応によって抵抗値が大きく変化し易くなる。その結果、ガス感応層のバルク抵抗が大きく変化して高いガス感度が得られる。 According to the first characteristic configuration described above, the constituent particles of the gas sensitive layer are particles in which the surface of the core particle is coated with the fine particle layer, and the average particle diameter of the fine particles covering the core particle is, for example, about several to several tens of nm. It is possible to obtain very fine particles. Therefore, the specific surface area where the fine particle layer comes into contact with the gas to be detected increases, and the oxidation activity of the gas sensitive layer increases, and the resistance value changes greatly due to the oxidation reaction with the adsorbed oxygen when the gas to be detected reaches the fine particle layer. It becomes easy to do. As a result, the bulk resistance of the gas sensitive layer is greatly changed to obtain high gas sensitivity.
ここで、半導体式ガス検知素子の電気抵抗は、コア粒子表面上の金属酸化物微粒子層によって決定される。これは、ガス感応層の構成粒子を構成するコア粒子と金属酸化物微粒子層とが、共に導電体であっても、抵抗値の差が十分あれば、構成粒子の表面を形成する金属酸化物微粒子層に電流が流れ、コア粒子を流れる電流は小さくなるためである。そして、当該微粒子層には非常に微細な微粒子を適用しているため、当該微粒子層の電気抵抗の変化は鋭敏になり、さらにガス感度が高いガス感応層が得られる。
このように、本構成では、ガス感応層の構成粒子において、電流が流れる構成粒子の表層付近を、比表面積の制御が行える金属酸化物微粒子層とする。これにより、ガス感応層の酸化活性が高く、かつ、ガス感度が高いガス感応層が得られる。
Here, the electrical resistance of the semiconductor gas sensing element is determined by the metal oxide fine particle layer on the surface of the core particle. This is because the metal oxide that forms the surface of the constituent particle is sufficient if the core particle and the metal oxide fine particle layer constituting the constituent particle of the gas sensitive layer are both conductors, as long as there is a sufficient difference in resistance value. This is because current flows through the fine particle layer and current flowing through the core particle becomes small. Since very fine particles are applied to the fine particle layer, the change in electrical resistance of the fine particle layer becomes sharp, and a gas sensitive layer with higher gas sensitivity can be obtained.
Thus, in this configuration, in the constituent particles of the gas-sensitive layer, the vicinity of the surface layer of the constituent particles through which current flows is a metal oxide fine particle layer capable of controlling the specific surface area. As a result, a gas sensitive layer having high gas oxidation sensitivity and high gas sensitivity can be obtained.
また、ガス感応層の構成粒子は、比較的粒子径の大きいコア粒子の表面上に金属酸化物をコーティングした状態でポーラス構造に形成してあるため、被検知ガスのパスである構成粒子間の空間が大きくなって、被検知ガスのガス感応層内部への拡散が容易となり速い応答が得られる。 In addition, since the constituent particles of the gas sensitive layer are formed in a porous structure in which the surface of the core particle having a relatively large particle diameter is coated with a metal oxide, the constituent particles between the constituent particles that are paths of the gas to be detected are formed. The space becomes large, so that the gas to be detected can be easily diffused into the gas sensitive layer, and a quick response can be obtained.
また、被検知ガスのガス感応層内部への拡散が容易で速い応答が得られるため、ガス感応層の膜厚を大きくして被毒ガスに対する耐久性を向上できる。例えば、ガス感応層の膜厚は数十μmとすることが可能であり、これは従来の厚膜型ガス検知素子の膜厚(10〜50μm程度)と同程度の厚さを有するため、種々の被毒ガスによって被毒され難い、耐久性に優れたガス感応部を有する半導体式ガス検知素子となる。 Further, since the gas to be detected can be easily diffused into the gas sensitive layer and a quick response can be obtained, the thickness of the gas sensitive layer can be increased to improve the durability against the poisoning gas. For example, the thickness of the gas sensitive layer can be several tens of μm, which has the same thickness as that of a conventional thick film type gas sensing element (about 10 to 50 μm). This is a semiconductor type gas detection element having a gas sensitive part that is not easily poisoned by the poison gas and has excellent durability.
ここで、ガス感応層における被検知ガスの拡散性とガス感度という2つの特性の制御を例に、従来の半導体式ガス検知素子と本発明の半導体式ガス検知素子とを比較する。
従来の半導体式ガス検知素子のガス感応層における被検知ガスの拡散性は、ガス感応層の構成粒子の粒子径を大きくすることで改善できるが、それに伴い酸化活性が低くなってガス感度が低下することが避けられない。つまり、被検知ガスの拡散性とガス感度という2つの特性は、1つのパラメータ(ガス感応層の構成粒子の粒子径)によって制御されるため、両特性を共に向上させるのは限界があった。
Here, the conventional semiconductor gas detection element and the semiconductor gas detection element of the present invention will be compared by taking as an example the control of two characteristics of the gas sensitive layer in the gas sensitive layer, ie, diffusibility of the gas to be detected and gas sensitivity.
The diffusivity of the gas to be detected in the gas-sensitive layer of a conventional semiconductor gas detector can be improved by increasing the particle size of the constituent particles of the gas-sensitive layer. Inevitable to do. That is, since the two characteristics of the gas to be detected and the gas sensitivity are controlled by one parameter (the particle diameter of the constituent particles of the gas sensitive layer), there is a limit to improving both characteristics.
しかし、本発明のように構成することで、被検知ガスの拡散性を制御するためには、コア粒子の粒子径を調整すればよく、ガス感度を高めるために電気抵抗変化を制御するには、金属酸化物微粒子の粒子径を調整すればよい。つまり、従来のガス感応層と異なり、被検知ガスの拡散性とガス感度という2つの特性の制御は、異なるパラメータ(コア粒子の粒子径、金属酸化物微粒子の粒子径)によって行われる。従って、被検知ガスの拡散性とガス感度という両特性は、独立してコントロールできるため、両特性共に向上させることが可能となる。 However, in order to control the diffusivity of the gas to be detected by configuring as in the present invention, it is only necessary to adjust the particle diameter of the core particle, and to control the change in electrical resistance to increase the gas sensitivity. The particle diameter of the metal oxide fine particles may be adjusted. That is, unlike the conventional gas sensitive layer, the control of two characteristics of the diffusibility of the gas to be detected and the gas sensitivity is performed by different parameters (core particle diameter, metal oxide fine particle diameter). Therefore, both the diffusivity and gas sensitivity of the gas to be detected can be controlled independently, so that both characteristics can be improved.
従って、本発明の第一特徴構成に記載の半導体式ガス検知素子であれば、厚膜ガス検知素子の優れた被検知ガスの拡散性・耐被毒性と、薄膜ガス検知素子の高感度特性という、両方の長所を兼ね備えるガス感応層を有する半導体式ガス検知素子を提供することができる。 Therefore, if it is a semiconductor type gas detection element described in the first characteristic configuration of the present invention, the thick film gas detection element has excellent gas diffusibility and poisoning resistance, and the thin film gas detection element has high sensitivity characteristics. It is possible to provide a semiconductor type gas detecting element having a gas sensitive layer having both advantages.
本発明に係る半導体式ガス検知素子の第二特徴構成は、前記コア粒子が絶縁性である点にある。
従って、本発明の第二特徴構成に記載の半導体式ガス検知素子であれば、ガス感応層の構成粒子のコア粒子には電流が流れないため、その表面に形成してある金属酸化物微粒子層に確実に電流が流れる。そのため、ガス感応層における構成粒子の電気抵抗を制御し易くなる。
The second characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention is that the core particles are insulative.
Therefore, in the case of the semiconductor type gas detection element according to the second characteristic configuration of the present invention, since no current flows through the core particles of the constituent particles of the gas sensitive layer, the metal oxide fine particle layer formed on the surface thereof Current flows reliably. Therefore, it becomes easy to control the electrical resistance of the constituent particles in the gas sensitive layer.
本発明に係る半導体式ガス検知素子の第三特徴構成は、前記微粒子層の電気抵抗を、前記コア粒子の電気抵抗よりも小さく設定してある点にある。 A third characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention is that the electric resistance of the fine particle layer is set smaller than the electric resistance of the core particle.
仮に、コア粒子の電気抵抗と微粒子層の電気抵抗とが同程度であるとき、原子価制御する為、微粒子層の金属酸化物に、例えば、N型半導体の微粒子中の金属よりイオン化数の大きい金属等をドーピングすることで微粒子層の電気抵抗を小さく設定する。例えば、微粒子中の金属がN型半導体のSnO2の場合には、Sb等のV族元素を添加する。これにより、コア粒子より微粒子層に電流が流れやすくなって微粒子層の電気抵抗の変化を鋭敏化できる。
従って、本発明の第三特徴構成に記載の半導体式ガス検知素子であれば、ガス感応層の構成粒子の電気抵抗を制御して、ガス感度を向上できる。
If the electrical resistance of the core particle and the electrical resistance of the fine particle layer are about the same, the metal oxide of the fine particle layer has a higher ionization number than the metal in the fine particles of the N-type semiconductor, for example, to control the valence. The electric resistance of the fine particle layer is set small by doping with metal or the like. For example, when the metal in the fine particles is N-type semiconductor SnO 2, a group V element such as Sb is added. This makes it easier for the current to flow from the core particle to the fine particle layer, and the change in the electrical resistance of the fine particle layer can be sensitized.
Therefore, if it is a semiconductor type gas detection element as described in the 3rd characteristic structure of this invention, the electrical resistance of the structure particle of a gas sensitive layer can be controlled, and gas sensitivity can be improved.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明のガス検知素子は、検出電極を覆うと共に被検知ガスと接触自在に設けられたガス感応層を備えた半導体式ガス検知素子である。当該半導体式ガス検知素子として、例えば、絶縁基板上に一対の検出電極を設けると共に、これら一対の検出電極に亘ってガス感応層を設けた基板型半導体式ガス検知素子を例示するがこれに限られるものではない。その他の半導体式ガス検知素子としては、熱線型半導体式ガス検知素子、直熱型半導体式ガス検知素子、傍熱型半導体式ガス検知素子等が挙げられる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The gas detection element of the present invention is a semiconductor type gas detection element that includes a gas sensitive layer that covers a detection electrode and is provided so as to be in contact with a gas to be detected. Examples of the semiconductor gas detection element include a substrate type semiconductor gas detection element in which a pair of detection electrodes are provided on an insulating substrate and a gas sensitive layer is provided across the pair of detection electrodes. It is not something that can be done. Examples of other semiconductor gas detection elements include a hot-wire semiconductor gas detection element, a direct heat semiconductor gas detection element, and an indirectly heated semiconductor gas detection element.
図1〜2に示すように、基板型半導体式ガス検知素子10には、アルミナ基板1の表面に一対の金製櫛型電極2、3が蒸着して設けてあり、これら電極の上に、金属酸化物半導体を構成成分とするガス感応層5が設けてある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the substrate-type semiconductor
また、図3に示したように、ガス感応層5の構成粒子51は、コア粒子51aと、その表面を覆う金属酸化物の微粒子層51bとを有する。
コア粒子51aは、例えば、アルミナ粉体・シリカ粉体等の絶縁粒子、金属酸化物微粒子は、酸化スズ・酸化タングステン・酸化インジウム・酸化亜鉛および複合金属酸化物等の微粒子が好適に例示されるが、これに限られるものではない。特にコア粒子51aは、例えば種々の高分子化合物等、金属酸化物微粒子よりもある程度電気伝導度の小さい材料であれば、絶縁性あるいは導電性の何れの材料であっても適用できる。
コア粒子51aの平均粒子径は、例えば数十nm〜数μm程度とする。
また、微粒子層51bは、液相析出(LPD)法等によりコア粒子51aの表面に金属酸化物微粒子を析出させることで得られる。金属酸化物微粒子が酸化スズである場合、当該微粒子の平均粒子径は数〜数十nm、例えば5〜20nm程度となる。このとき、コア粒子51aを覆う微粒子層51bの膜厚は数十〜数百nm、例えば50〜800nm程度となる。
また、金属酸化物微粒子が酸化タングステン(WO3)である場合、まず、アルミナコアの表面に酸化チタン(TiO2)をコーティングした後、その上に酸化タングステンをコーティングする。この場合、酸化チタンの抵抗値は酸化タングステンよりはるかに高いので、絶縁体であるアルミナコア粒子51aの表面に直接酸化タングステンをコーティングしたものと同等の性質を有する構成粒子51となる。
この場合、アルミナコアと酸化チタンとの両者で形成される粒子がコア粒子51aとなる。
As shown in FIG. 3, the
The
The average particle diameter of the
The
When the metal oxide fine particles are tungsten oxide (WO 3 ), first, the surface of the alumina core is coated with titanium oxide (TiO 2 ), and then tungsten oxide is coated thereon. In this case, since the resistance value of titanium oxide is much higher than that of tungsten oxide, the
In this case, particles formed of both the alumina core and titanium oxide become the
基板型半導体式ガス検知素子10のガス感応層5の膜材料にこのような構成粒子51を使用すると、検出電極2,3間に流れる電流は、微粒子層51bを伝わる。そして、基板型半導体式ガス検知素子10の電気抵抗は、絶縁物であるコア粒子51a表面上の金属酸化物微粒子層51bによって決定される。つまり、電気抵抗変化を制御するためには、金属酸化物微粒子の粒子径を調整すればよいことになる。
When such
また、微粒子層51bの電気抵抗は、コア粒子51aの電気抵抗より小さく設定してある。
仮に、コア粒子51aの電気抵抗と微粒子層51bの電気抵抗とが同程度であるとき、原子価制御する為、微粒子層51bにおける微粒子中の金属Snよりイオン化数の大きい金属、例えばSb等をドーピングすることで微粒子層51bの電気抵抗を小さくすることが可能である。
これにより、コア粒子51aより微粒子層51bに電流が流れやすくなって微粒子層51bの電気抵抗の変化を鋭敏化できる。そのため、ガス感度を向上できる。
The electric resistance of the
If the electrical resistance of the
As a result, a current easily flows from the
このようにコア粒子51aと微粒子層51bとを有する構成粒子51は、ポーラス構造に形成してガス感応層5を構成する。
ここで、ポーラス構造とは、多孔構造を形成することを指す。そのため、構成粒子51間は、被検知ガスが流通する空間が形成される。
この構成は、構成粒子51にエチレングリコール等を添加して金属酸化物半導体ペーストにし、このペーストを、検出電極2,3を設けた絶縁基板1上に塗布して焼成することで得られる。
このようにして得られるガス感応層5の膜厚は、数十μm、例えば40〜50μm程度とする。
Thus, the
Here, the porous structure refers to forming a porous structure. Therefore, a space through which the gas to be detected flows is formed between the
This configuration can be obtained by adding ethylene glycol or the like to the
The film thickness of the gas
上述したように、ガス感応層5の構成粒子51は、コア粒子51aの表面上を微粒子層51bによりコーティングした粒子である。このコア粒子51aを覆う微粒子の平均粒子径は数〜数十nm程度の非常に微細な粒子である。そのため、微粒子層が被検知ガスと接触する比表面積が増大して、ガス感応層5の酸化活性が高くなり、被検知ガスの微粒子層51bへの到達によって吸着酸素との酸化反応によって抵抗値が大きく変化し易くなる。その結果、ガス感応層5のバルク抵抗が大きく変化して高いガス感度が得られる。
As described above, the
そして、上述したように、基板型半導体式ガス検知素子10の電気抵抗はコア粒子51a表面上の金属酸化物微粒子層51bによって決定される。つまり、非常に微細な粒子である金属酸化物微粒子を適用しているため、当該微粒子層51bの電気抵抗の変化は鋭敏になり、さらにガス感度が高いガス感応層5が得られる。
また、構成粒子51は比較的粒子径の大きいコア粒子51aの表面上に金属酸化物を析出してポーラス構造に形成してあるため、構成粒子51間の空間が大きく、被検知ガスのガス感応層5内部への拡散が容易となり速い応答が得られる。このような被検知ガスの拡散パスは、異なる粒子径のコア粒子51aを選ぶことにより自由に制御できる。つまり、被検知ガスの拡散性を制御するためには、コア粒子51aの粒子径を調整すればよいことになる。
さらに、被検知ガスの選択性も、この拡散性に依存するため、コア粒子51aの粒子径を調整することで、特定の被検知ガスを特異的に検知できるようにコントロールできる。
As described above, the electric resistance of the substrate type semiconductor
Further, since the
Furthermore, since the selectivity of the gas to be detected also depends on this diffusivity, it is possible to control the specific gas to be detected by adjusting the particle diameter of the
また、ガス感応層5の膜厚は数十μmであり、従来の厚膜型ガス検知素子の膜厚(10〜50μm程度)と同程度の厚さを有するため、種々の被毒ガスによって被毒され難い、耐久性に優れたガス感応部を有する基板型半導体式ガス検知素子10となる。
つまり、本発明の半導体式ガス検知素子は、厚膜ガス検知素子の優れた被検知ガスの拡散性・耐被毒性と、薄膜ガス検知素子の高感度特性という、両方の長所を兼ね備えることになる。
In addition, the gas
That is, the semiconductor gas detection element of the present invention combines the advantages of both the excellent gas diffusibility and poisoning resistance of the thick film gas detection element and the high sensitivity characteristics of the thin film gas detection element. .
また、図1に示したように、アルミナ基板1の裏面には、基板型半導体式ガス検知素子10の動作温度を維持するため、白金薄膜ヒーター6が設けてある。
Further, as shown in FIG. 1, a platinum thin film heater 6 is provided on the back surface of the
このように構成される基板型半導体式ガス検知素子10は、図4に示すように、ガス検知回路20に組み込み、ガス検知出力が得られるようにガス検知装置Xを構成する。また、基板型半導体式ガス検知素子10から得られたガス検知出力は制御部30に入力され、被検知ガス濃度が警報を要するレベルに達しているかどうかの判断がなされる。ここで、警報を要すると判断された場合、制御部30は警報部40に対して警報信号を出力し、警報部40において警報ブザー、警報音声等を鳴動させる。
As shown in FIG. 4, the substrate type semiconductor
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
酸化スズ(金属酸化物微粒子)を、アルミナ粉体(コア粒子)にLPD法で析出コーティングして得た粉体を、ガス感応層5の構成粒子51とした基板型半導体式ガス検知素子10の作製方法を以下に示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The substrate-type semiconductor
第一フッ化スズをイオン交換水に溶解させ、酸化により得られた酸化スズ沈殿をフッ化水素酸溶液に溶解させて反応母液(フッ化スズ錯体)を作製した。
アルミナ粉体を反応母液に添加して攪拌し、超音波振動器にて均一に分散させた後、反応開始剤であるホウ酸水溶液を添加した。攪拌しながら10時間酸化スズを析出させた。このとき、アルミナ粉体(コア粒子51a)表面に析出した酸化スズ粒子層(微粒子層51b)の厚さは約100nmであり、析出した酸化スズの平均粒子径は5nmであった。
Stannous fluoride was dissolved in ion-exchanged water, and a tin oxide precipitate obtained by oxidation was dissolved in a hydrofluoric acid solution to prepare a reaction mother liquor (tin fluoride complex).
Alumina powder was added to the reaction mother liquor, stirred, and uniformly dispersed with an ultrasonic vibrator, and then a boric acid aqueous solution as a reaction initiator was added. Tin oxide was precipitated for 10 hours with stirring. At this time, the thickness of the tin oxide particle layer (
その後、反応母液からアルミナ粉体表面に酸化スズ粒子層が析出コーティングした粒子を遠心分離機で分離(2500rpm、5分)し、イオン交換水で洗浄した。この遠心分離と洗浄処理とを数回繰り返して十分洗浄を行った後、分離された粒子を恒温槽で乾燥(80℃、180分)し、さらに200℃で焼いてガス感応層5の構成粒子51となる粉体を得た。 Thereafter, particles having a tin oxide particle layer deposited and coated on the surface of the alumina powder from the reaction mother liquor were separated with a centrifuge (2500 rpm, 5 minutes) and washed with ion-exchanged water. The centrifugal separation and the washing treatment are repeated several times to perform sufficient washing, and then the separated particles are dried in a thermostatic bath (80 ° C., 180 minutes) and further baked at 200 ° C. to constitute the constituent particles of the gas sensitive layer 5 A powder of 51 was obtained.
当該粉体にエチレングリコールを添加して金属酸化物半導体ペーストにし、このペーストを、櫛形検出電極2,3を設けた絶縁基板1上に塗布した後、800℃で2時間焼成して基板型半導体式ガス検知素子10を作製した。このとき、ガス感応層5の構成粒子51は、ポーラス構造となってガス感応層5を構成する。
また、アルミナ粉体(コア粒子51a)表面に析出した酸化スズ粒子層(微粒子層51b)の厚さは約100nmであり、酸化スズの平均粒子径は15nmであった。また、ガス感応層5の膜厚は40μmであり、ガス検知素子10の動作温度は450℃であった。
Ethylene glycol is added to the powder to form a metal oxide semiconductor paste, and this paste is applied onto the insulating
Moreover, the thickness of the tin oxide particle layer (
実施例1で作製した基板型半導体式ガス検知素子10を用いて、被検知ガスであるトルエンを検知したときの応答特性を調べた。結果を図5に示した。
Using the substrate-type semiconductor
基板型半導体式ガス検知素子10を、電源投入後、2秒、47秒、91秒、138秒、181秒、225秒の各時間においてそれぞれ濃度の異なるトルエンに暴露させた。各時間におけるトルエン濃度は、それぞれ、0.01ppm、0.03ppm、0.05ppm、0.1ppm、0.5ppm、1ppmであった。その結果、各時間において直ちに電気抵抗の変化を検出してその直後に電気抵抗が安定した結果が得られた。これより、本発明の半導体式ガス検知素子は、ガス感応膜5が厚膜(40μm)であるにもかかわらず、非常に応答速度が速く、被検知ガスに対して高いガス感度が得られるものと認められる。
これは、コア粒子51a上の酸化スズの金属酸化物微粒子層51bは高い酸化活性を持ち、100nmの微粒子層からなるポーラス構造が被検知ガスのガス感応層5内部への拡散を容易にしているため、ガス感度と応答速度が著しく向上していると考えられる。
The substrate-type semiconductor
This is because the metal oxide
実施例1で作製した基板型半導体式ガス検知素子10を用いて、被検知ガスであるトルエン・エチルベンゼン・パラキシレンを検知したときの感度特性を調べた。結果を図6に示した。尚、図中の「Rair」とは「空気中におけるセンサ抵抗」のこと、「Rs」とは「被検知ガスの異なった濃度におけるセンサ抵抗」のことを指す。
Using the substrate-type semiconductor
この結果、空気中の被検知ガス濃度の割合が増加するに従い、センサ出力も増加することが判明した。そのため、本発明の半導体式ガス検知素子は、種々の被検知ガスに対して優れた感度特性を有するものと認められる。 As a result, it has been found that the sensor output increases as the ratio of the detected gas concentration in the air increases. Therefore, it is recognized that the semiconductor gas detection element of the present invention has excellent sensitivity characteristics with respect to various detected gases.
[比較例1]
ガス感応層5の構成粒子51を酸化スズのみとしたこと以外は、実施例1で作製した基板型半導体式ガス検知素子10と同様の従来の薄膜型ガス検知素子を用いて、被検知ガスであるトルエンを検知したときの感度特性を調べた。ガス感応層はLPD法により膜厚が100nmおよび300nmとなるように制御した。
膜厚が100nmのときの結果を図7に、膜厚が300nmのときの結果を図8に示した。薄膜型ガス検知素子の動作温度は450℃であった。
薄膜型ガス検知素子によるガス検知時のトルエン濃度は、電源投入後、10秒、120秒、240秒、360秒、480秒、605秒の各時間において、それぞれ、0.03ppm、0.07ppm、0.1ppm、0.3ppm、0.7ppm、1ppmであった。
[Comparative Example 1]
Except that the
The result when the film thickness is 100 nm is shown in FIG. 7, and the result when the film thickness is 300 nm is shown in FIG. The operating temperature of the thin film gas sensing element was 450 ° C.
The toluene concentration at the time of gas detection by the thin film type gas detection element is 0.03 ppm, 0.07 ppm, respectively at 10 seconds, 120 seconds, 240 seconds, 360 seconds, 480 seconds, and 605 seconds after power-on. They were 0.1 ppm, 0.3 ppm, 0.7 ppm, and 1 ppm.
この結果、薄膜型ガス検知素子をトルエンに暴露させたとしても迅速な電気抵抗の変化を検出できず、トルエン検知後においても迅速な電気抵抗の安定には至らなかった。つまり、薄膜型ガス検知素子は、被検知ガスに対する感度特性が低く、応答速度も遅い結果が得られた。
特に、図8より、膜厚が大きくなることにより、緻密な薄膜中で被検知ガスの拡散が非常に遅くなり、ガス感応層内部まで拡散できずに被検知ガスは薄膜表面部で酸化されるため、感度が著しく低下しており、応答速度も非常に遅くなっている。
As a result, even when the thin-film gas sensing element was exposed to toluene, a rapid change in electrical resistance could not be detected, and even after toluene detection, the electrical resistance could not be stabilized quickly. That is, the thin film type gas detection element has a low sensitivity characteristic with respect to the gas to be detected and a slow response speed.
In particular, as shown in FIG. 8, as the film thickness increases, the diffusion of the gas to be detected in the dense thin film becomes very slow, and the gas to be detected cannot be diffused into the gas sensitive layer and is oxidized at the surface of the thin film. Therefore, the sensitivity is significantly reduced and the response speed is very slow.
[比較例2]
ガス感応層5の構成粒子51を酸化スズのみとしたこと以外は、実施例1で作製した基板型半導体式ガス検知素子10と同様の従来の厚膜型ガス検知素子を用いて、被検知ガスであるトルエンを検知したときの感度特性を調べた。ガス感応層はLPD法により膜厚が10μmとなるように制御した。結果を図9に示した。
厚膜型ガス検知素子によるガス検知時のトルエン濃度は、比較例1と同様とした。
[Comparative Example 2]
A gas to be detected using a conventional thick film type gas detection element similar to the substrate type semiconductor
The toluene concentration at the time of gas detection by the thick film type gas detection element was the same as in Comparative Example 1.
この結果、厚膜型ガス検知素子をトルエンに暴露させたとしても迅速な電気抵抗の変化を検出には至らなかった。つまり、厚膜型ガス検知素子は、膜の平均粒子径が大きく、酸化活性が低いため被検知ガスに対する感度特性が低く、応答速度も遅い結果が得られた。 As a result, even when the thick film type gas detection element was exposed to toluene, a rapid change in electric resistance could not be detected. That is, the thick film type gas detection element has a large average particle diameter of the film and low oxidation activity, so that the sensitivity characteristic with respect to the detection gas is low and the response speed is low.
1 絶縁基板
2,3 検出電極
5 ガス感応層
10 半導体式ガス検知素子
51a コア粒子
51b 微粒子層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ガス感応層は、コア粒子と、当該コア粒子の表面を覆うと共にポーラス構造に形成した金属酸化物の微粒子層とからなる構成粒子を備え、
前記ガス感応層を、前記構成粒子が集合したポーラス構造に形成してある半導体式ガス検知素子。 A semiconductor type gas detection element that includes a gas sensitive layer that covers a detection electrode and is provided so as to be in contact with a gas to be detected.
The gas sensitive layer includes constituent particles composed of a core particle and a metal oxide fine particle layer which covers the surface of the core particle and has a porous structure ,
A semiconductor type gas sensing element in which the gas sensitive layer is formed in a porous structure in which the constituent particles are aggregated.
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