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JP4589376B2 - Gas sensor - Google Patents
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JP4589376B2 - Gas sensor - Google Patents

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Description

本発明は、感ガス膜を有するガスセンサに関し、特に、感ガス膜が酸化物半導体からなり、この感ガス膜上にガス透過性を有する保護層が形成されたガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor having a gas-sensitive film, and more particularly to a gas sensor in which the gas-sensitive film is made of an oxide semiconductor and a protective layer having gas permeability is formed on the gas-sensitive film.

従来より、被検知ガスの濃度変化によって電気的特性が変化する感ガス膜を備え、被検知ガスの有無や濃度を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサの中には、感ガス膜が酸化スズなどの酸化物半導体からなり、この感ガス膜上にガス透過性を有する保護層が形成されたものがある。例えば、特許文献1や特許文献2にこのようなガスセンサが開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a gas sensor that includes a gas-sensitive film whose electrical characteristics change depending on the concentration change of a gas to be detected and detects the presence or concentration of the gas to be detected is known. In some gas sensors, the gas sensitive film is made of an oxide semiconductor such as tin oxide, and a protective layer having gas permeability is formed on the gas sensitive film. For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose such a gas sensor.

このようなガスセンサは、シリコン等の被毒ガス成分に接触すると、酸化物半導体からなる感ガス膜が被毒し、ガスセンサの特性が劣化することがあるので、経時的に安定したガス検知を行うことができないことがある。このような問題を解決するために、予想される被毒物質を用いてガスセンサの特性を予めある程度変化させておくことで、実使用時の特性変化を抑制する手法が用いられることがある。しかしながら、ガスセンサの使用環境には多様な状況が存在するため、予め行う被毒の程度を規定することは困難であり、その上、その効果も被毒初期の大きな特性変化を抑えるだけに過ぎなかった。   When such a gas sensor comes into contact with a poisoning gas component such as silicon, the gas-sensitive film made of an oxide semiconductor may be poisoned and the characteristics of the gas sensor may be deteriorated. May not be possible. In order to solve such a problem, there is a case in which a technique for suppressing characteristic changes during actual use is used by changing the characteristics of the gas sensor to some extent by using an expected poisoning substance. However, since there are various situations in the usage environment of the gas sensor, it is difficult to prescribe the degree of poisoning to be performed in advance, and the effect is only to suppress a large characteristic change at the initial stage of poisoning. It was.

これに対し、特許文献1のガスセンサでは、酸化スズからなる酸化物半導体の感ガス膜を覆うように、酸化スズと無定型アルミナ等の混合物からなるフィルタ層(保護層)を形成することを提案している(特許文献1の特許請求の範囲等を参照)。このようなフィルタ層を設けることにより、被毒に対する耐久性を高め、かつ、経時的安定性、初期安定化時間の短縮等について優れた効果が得られる旨が記載されている。   On the other hand, in the gas sensor of Patent Document 1, it is proposed to form a filter layer (protective layer) made of a mixture of tin oxide and amorphous alumina so as to cover a gas-sensitive film of an oxide semiconductor made of tin oxide. (Refer to the claims of Patent Document 1). It is described that by providing such a filter layer, durability against poisoning can be enhanced, and excellent effects can be obtained with respect to stability over time, shortening of the initial stabilization time, and the like.

一方、特許文献2には、酸化スズからなる酸化物半導体の感ガス膜上に、酸化タングステンや酸化チタン、酸化亜鉛等からなるコーティング層(保護層)を設けたガスセンサが記載されている(引用文献2の特許請求の範囲等を参照)。このようなガスセンサは、検知対象の各種の臭いに対する感度を高めると共に、無臭ガスに対する感度を低下させることで、S/N比を向上させ、より低濃度で臭いの計測を正確に行うことができることが記載されている。   On the other hand, Patent Document 2 describes a gas sensor in which a coating layer (protective layer) made of tungsten oxide, titanium oxide, zinc oxide, or the like is provided on a gas-sensitive film of an oxide semiconductor made of tin oxide (quotation). (Refer to claim 2 of literature 2). Such a gas sensor can increase the sensitivity to various odors to be detected and reduce the sensitivity to odorless gas, thereby improving the S / N ratio and accurately measuring odors at a lower concentration. Is described.

特開平9−166567号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-166567 特許第3171745号公報Japanese Patent No. 3171745

しかしながら、特許文献1に記載のガスセンサも、特許文献2に記載のガスセンサも、シリコン等の被毒物質に対する被毒耐性が十分ではなく、ガス感度の経時的な変化を長期間に亘って抑えることができなかった。   However, neither the gas sensor described in Patent Document 1 nor the gas sensor described in Patent Document 2 has sufficient poisoning resistance against poisonous substances such as silicon, and suppresses a change in gas sensitivity over time over a long period of time. I could not.

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、シリコン等の被毒物質に対する被毒耐性が高く、ガス感度の経時的な変化を長期間に亘って抑制できるガスセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the present situation, and provides a gas sensor that has high poisoning resistance to poisoning substances such as silicon and can suppress a change in gas sensitivity over time over a long period of time. Objective.

その解決手段は、酸化物半導体からなる感ガス膜と、この感ガス膜上に形成されたガス透過性を有する保護層と、を備えるガスセンサであって、前記保護層は、平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されてなり、この保護層に含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径以下の細孔径を有する細孔の割合が、50%以上とされてなるガスセンサである。 The solution is a gas sensor comprising a gas-sensitive film made of an oxide semiconductor and a gas-permeable protective layer formed on the gas-sensitive film, wherein the protective layer has an average particle diameter of 500 nm. Ri Na consists of the following oxide particles, gas sensor occupying the volume of the whole pores contained in the protective layer, the proportion of pores having a pore diameter below the mean particle size or less is formed by more than 50% It is.

前述の特許文献1,2の記載事項からも明らかなように、従来は、どのような材質を用いて保護層を形成するかを検討することにより、ガスセンサの被毒耐性や経時的安定性を向上させる技術思想に過ぎなかった。しかしながら、保護層をなす材質を適宜選択するだけでは、十分な被毒耐性を得られず、ガス感度の経時的な変化を長期間に亘って抑制することができなかった。
これに対し、本発明では、保護層を酸化物粒子から形成するとした上で、更にその平均粒子径をも考慮している。酸化物粒子の平均粒子径を特定することにより、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填された保護層を得ることができる。このような保護層を感ガス膜上に設けることにより、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、シリコン等の被毒物質の捕捉効果を高くして、被毒物質が透過して感ガス膜に接触するのを抑制できる。従って、被毒物質に対する被毒耐性を高くし、ガス感度の経時的な変化を少なくすることができる。
このように小さな細孔が多く存在する保護層は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。
As is clear from the description in Patent Documents 1 and 2 described above, conventionally, by examining what kind of material is used to form the protective layer, the poisoning resistance and temporal stability of the gas sensor can be improved. It was just a technical idea to improve. However, by simply selecting the material forming the protective layer, sufficient poisoning resistance cannot be obtained, and the change over time in gas sensitivity cannot be suppressed over a long period of time.
On the other hand, in the present invention, the protective layer is formed from oxide particles, and the average particle diameter is further taken into consideration. By specifying the average particle diameter of the oxide particles, it is possible to obtain a protective layer in which the oxide particles are densely packed while having gas permeability. By providing such a protective layer on the gas-sensitive film, it is possible to enhance the trapping effect of the poisoning substance such as silicon without impairing the gas permeability of the gas to be detected, and the poisoning substance permeates and senses. The contact with the gas film can be suppressed. Therefore, the poisoning resistance against the poisoning substance can be increased, and the change in gas sensitivity over time can be reduced.
Such a protective layer having many small pores is densely filled with oxide particles while having gas permeability. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The resistance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

なお、シリコン等の被毒物質を保護層内で効果的に捕捉すべく、酸化物粒子の比表面積を高めておくという理由から、平均粒子径が150nm以下、更に好ましくは100nm以下の酸化物粒子を用いて保護層を構成するのがよい。
また、ガス流通が過度に律速すると、ガス検知の応答性が低下する可能性があることから、平均粒子径が5nm以上の酸化物粒子を用いて保護層を形成するのが好ましい。
In order to effectively trap poisonous substances such as silicon in the protective layer, the oxide particles having an average particle diameter of 150 nm or less, more preferably 100 nm or less, because the specific surface area of the oxide particles is increased. It is preferable to form a protective layer using
Further, if the gas flow rate is excessively limited, the gas detection responsiveness may be lowered. Therefore, it is preferable to form the protective layer using oxide particles having an average particle diameter of 5 nm or more.

「ガスセンサ」としては、一酸化炭素ガス、炭化水素系ガス(LPG、都市ガス、天然ガス、メタンガス、ハロゲン化炭化水素系ガス等)、アルコール系ガス、アルデヒド系ガス、水素ガスなどの還元性ガスを検知できるものや、二酸化窒素などの酸化性ガスを検知できるものなどが挙げられる。また、「ガスセンサ」としては、アンモニア、硫化水素ガス、酢酸エチルといった臭気性の強い臭気ガスを検知できるものも挙げられる。   “Gas sensors” include reducing gases such as carbon monoxide gas, hydrocarbon gas (LPG, city gas, natural gas, methane gas, halogenated hydrocarbon gas, etc.), alcohol gas, aldehyde gas, hydrogen gas, etc. And those capable of detecting an oxidizing gas such as nitrogen dioxide. Further, examples of the “gas sensor” include those capable of detecting a strong odor gas such as ammonia, hydrogen sulfide gas, and ethyl acetate.

「保護層」は、平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されていればよく、1層からなるものでも複数層からなるものでもよい。また、「保護層」は、1種類の酸化物粒子により構成されたものでもよいし、平均粒子径の異なる、または、材質の異なる複数種類の酸化物粒子から構成されたものでもよい。更に、酸化物粒子が複数種類の場合には、「保護層」は、これらの粒子が均一に混ざった状態で分布しているものでもよいし、例えば保護層のうち感ガス膜側の部分と表面側の部分とで異なる種類の酸化物粒子が分布しているなど、複数種類の酸化物粒子が場所によって異なる状態で分布しているものでもよい。   The “protective layer” may be composed of oxide particles having an average particle diameter of 500 nm or less, and may be composed of one layer or a plurality of layers. The “protective layer” may be composed of one type of oxide particles, or may be composed of a plurality of types of oxide particles having different average particle diameters or different materials. Furthermore, when there are a plurality of types of oxide particles, the “protective layer” may be one in which these particles are uniformly mixed and distributed, for example, a portion on the gas sensitive film side of the protective layer. A plurality of types of oxide particles may be distributed in different states depending on the location, for example, different types of oxide particles may be distributed in the surface side portion.

また、「保護層」は、主として、平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されていればよく、このような酸化物粒子のみから構成されたものでよいし、酸化物以外の粒子(例えば触媒粒子)が若干混在したものでもよい。但し、「保護層」は、その内部に触媒粒子を含まないもの、つまり、感ガス膜に付着していない状態の触媒粒子を含まないものがよい。保護層内部に触媒粒子を含んでいると、被検知ガスの触媒反応が保護層内部でも起こり得るため、その結果、感ガス膜上の触媒粒子における触媒反応が少なくなって、ガス感度が低下するおそれがあるからである。   In addition, the “protective layer” only needs to be mainly composed of oxide particles having an average particle diameter of 500 nm or less, and may be composed only of such oxide particles. For example, the catalyst particles may be slightly mixed. However, the “protective layer” preferably does not contain catalyst particles therein, that is, does not contain catalyst particles that are not attached to the gas-sensitive film. If catalyst particles are contained inside the protective layer, the catalytic reaction of the gas to be detected can also occur inside the protective layer. As a result, the catalytic reaction at the catalyst particles on the gas-sensitive film is reduced, resulting in a decrease in gas sensitivity. Because there is a fear.

保護層を構成する「酸化物粒子」としては、酸化チタン粒子、酸化タングステン粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化スズ粒子などが挙げられる。
なお、保護層をなす酸化物粒子の「平均粒子径」は、例えば、日立製FB−2100などの装置を用いてFIB加工を行った後、日立製HD−2000などの装置を用いて、少なくとも30ヶの酸化物粒子が観察される視野にてTEM観察することにより、求めることができる。
Examples of the “oxide particles” constituting the protective layer include titanium oxide particles, tungsten oxide particles, alumina particles, silica particles, and tin oxide particles.
The “average particle size” of the oxide particles forming the protective layer is, for example, at least using an apparatus such as Hitachi HD-2000 after performing FIB processing using an apparatus such as Hitachi FB-2100. This can be determined by TEM observation in a visual field where 30 oxide particles are observed.

「感ガス膜」としては、例えば酸化スズや酸化インジウム等の酸化物半導体から構成されているものが挙げられる。また、感ガス膜は、薄膜形成されたものでも、厚膜形成されたものでもよい。なお、感ガス膜に対して、触媒粒子を組み合せてもよく、その具体的な形態として、感ガス膜上に触媒粒子を分散させた形態を採ってもよいし、感ガス膜内に触媒粒子を分散させた形態を採ってもよい。
なお、「細孔径」の分布は、水銀圧入法(JIS R1655)、または、窒素ガス吸着法により求めることができる。水銀圧入法により細孔径分布を測定する場合には、例えば、島津製作所製オートポアIV9510を使用し、0.5psia〜36000psiaの圧力入力により、細孔径分布を求めることができる。また、窒素ガス吸着法により細孔径分布を測定する場合には、例えば、日本ベル株式会社製高精度全自動ガス吸着装置を使用し、吸着曲線を測定することにより、細孔径分布を求めることができる。
また、大きな細孔径の測定は水銀圧入法がより適しており、小さな細孔径の測定は窒素ガス吸着法がより適しているので、例えば、100nm以上の細孔径を水銀圧入法で測定すると共に、100nm未満の細孔径を窒素ガス吸着法で測定するなど、細孔径の大きさに応じて測定方法を適宜変更することもできる。
更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記保護層は、これに含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径の3倍以上の細孔径を有する細孔の割合が、10%以下(0%を含む)とされてなるガスセンサとすると良い。
このように大きな細孔が少ない保護層は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。
さらに、酸化物半導体からなる感ガス膜と、この感ガス膜上に形成されたガス透過性を有する保護層と、を備えるガスセンサであって、前記保護層は、平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されてなり、この保護層に含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径の3倍以上の細孔径を有する細孔の割合が、10%以下(0%を含む)とされてなるガスセンサとすると良い。
本発明では、保護層を酸化物粒子から形成するとした上で、更にその平均粒子径をも考慮している。酸化物粒子の平均粒子径を特定することにより、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填された保護層を得ることができる。このような保護層を感ガス膜上に設けることにより、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、シリコン等の被毒物質の捕捉効果を高くして、被毒物質が透過して感ガス膜に接触するのを抑制できる。従って、被毒物質に対する被毒耐性を高くし、ガス感度の経時的な変化を少なくすることができる。
また大きな細孔が少ない保護層は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。
Examples of the “gas sensitive film” include those composed of an oxide semiconductor such as tin oxide and indium oxide. Further, the gas sensitive film may be a thin film or a thick film. In addition, catalyst particles may be combined with the gas-sensitive film, and as a specific form thereof, a form in which the catalyst particles are dispersed on the gas-sensitive film may be adopted, or the catalyst particles may be included in the gas-sensitive film. You may take the form which distributed.
The distribution of “pore diameter” can be determined by a mercury intrusion method (JIS R1655) or a nitrogen gas adsorption method. When the pore size distribution is measured by the mercury intrusion method, for example, the pore size distribution can be obtained by using an autopore IV9510 manufactured by Shimadzu Corporation and a pressure input of 0.5 psia to 36000 psia. In addition, when measuring the pore size distribution by the nitrogen gas adsorption method, for example, the pore size distribution can be obtained by measuring an adsorption curve using a high-precision fully automatic gas adsorption device manufactured by Nippon Bell Co., Ltd. it can.
Further, the mercury intrusion method is more suitable for measuring large pore diameters, and the nitrogen gas adsorption method is more suitable for measuring small pore diameters. For example, while measuring pore diameters of 100 nm or more by mercury intrusion method, The measuring method can be appropriately changed according to the size of the pore diameter, such as measuring the pore diameter of less than 100 nm by a nitrogen gas adsorption method.
Furthermore, in the gas sensor according to any one of the above, the ratio of pores having a pore diameter of three times or more of the average particle diameter in the volume of the entire pores included in the protective layer, It is preferable that the gas sensor be 10% or less (including 0%).
Such a protective layer with few large pores is densely filled with oxide particles while having gas permeability. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.
The gas sensor further comprises a gas-sensitive film made of an oxide semiconductor and a gas-permeable protective layer formed on the gas-sensitive film, wherein the protective layer has an average particle diameter of 500 nm or less. 10% or less (including 0%) of the pores having a pore diameter of 3 times or more of the average particle diameter in the total pore volume contained in the protective layer. It is preferable to use a gas sensor.
In the present invention, the protective layer is formed from oxide particles, and the average particle diameter is further taken into consideration. By specifying the average particle diameter of the oxide particles, it is possible to obtain a protective layer in which the oxide particles are densely packed while having gas permeability. By providing such a protective layer on the gas-sensitive film, it is possible to enhance the trapping effect of the poisoning substance such as silicon without impairing the gas permeability of the gas to be detected, and the poisoning substance permeates and senses. The contact with the gas film can be suppressed. Therefore, the poisoning resistance against the poisoning substance can be increased, and the change in gas sensitivity over time can be reduced.
In addition, the protective layer having few large pores is densely filled with oxide particles while having gas permeability. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

更に、上記のガスセンサであって、前記保護層は、前記平均粒子径をD(nm)、前記保護層の厚みをTH(nm)としたとき、20≦TH/D≦500とされてなるガスセンサとすると良い。   Further, in the gas sensor described above, the protective layer is a gas sensor in which 20 ≦ TH / D ≦ 500 when the average particle diameter is D (nm) and the thickness of the protective layer is TH (nm). And good.

平均粒子径Dと保護層の厚みTHとの関係をTH/D≧20とすることにより、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。
一方、TH/Dの値が500を超えると、ガス透過性が阻害されるなどのおそれがあるため、TH/D≦500を満たすことがよく、ガス検知の応答性を良好に得るには、TH/D≦300とするのが好ましい。
なお、保護層の厚みTHは、感ガス膜の表面から保護層の表面までの寸法を指す。
By making the relationship between the average particle diameter D and the thickness TH of the protective layer TH / D ≧ 20, the capturing effect of the poisoning substance is further improved, and the poisoning substance comes into contact with the gas sensitive film more effectively. Therefore, the resistance to poisoning can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.
On the other hand, if the TH / D value exceeds 500, gas permeability may be hindered. Therefore, it is preferable to satisfy TH / D ≦ 500. In order to obtain good gas detection response, It is preferable that TH / D ≦ 300.
The thickness TH of the protective layer refers to the dimension from the surface of the gas sensitive film to the surface of the protective layer.

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記感ガス膜上に分散された触媒粒子を備え、前記保護層は、前記感ガス膜及び前記触媒粒子上に形成されてなるガスセンサとすると良い。   Furthermore, the gas sensor according to any one of the above, comprising catalyst particles dispersed on the gas sensitive film, wherein the protective layer is a gas sensor formed on the gas sensitive film and the catalyst particles. good.

このように、感ガス膜上に触媒粒子を分散させることで、保護層を透過したガスが触媒粒子及び感ガス膜の両者に効果的に接することになるため、ガス感度を高めることができる。   Thus, by dispersing the catalyst particles on the gas-sensitive film, the gas that has permeated the protective layer effectively contacts both the catalyst particles and the gas-sensitive film, so that the gas sensitivity can be increased.

更に、上記のガスセンサであって、前記保護層は、前記触媒粒子が露出しない膜厚を有してなるガスセンサとすると良い。   Furthermore, in the gas sensor described above, the protective layer may be a gas sensor having a thickness that does not expose the catalyst particles.

保護層が、触媒粒子が露出しない膜厚を有することにより、保護層の持つ被毒物質の捕捉効果をより向上させて、被毒物質が感ガス膜に接触するのをより効果的に抑制できる。従って、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   Since the protective layer has a film thickness at which the catalyst particles are not exposed, the effect of capturing the poisonous substance of the protective layer can be further improved, and the poisoning substance can be more effectively suppressed from coming into contact with the gas-sensitive film. . Therefore, the poisoning resistance against the poisoning substance can be further increased, and the change in gas sensitivity with time can be further reduced.

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記保護層は、これに含まれる細孔全体の容積に占める、水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔の割合が、5%以下(0%を含む)とされてなるガスセンサとすると良い。   Furthermore, the gas sensor according to any one of the above, wherein the protective layer occupies the entire volume of the pores contained therein, and the proportion of pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by a mercury intrusion method However, the gas sensor is preferably 5% or less (including 0%).

このように大きな細孔が少ない保護層は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   Such a protective layer with few large pores is densely filled with oxide particles while having gas permeability. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記保護層は、その表面から見たときに、前記平均粒子径の10倍以上の開口径を有する細孔が観察されない形態とされてなるガスセンサとすると良い。   Furthermore, in the gas sensor according to any one of the above, the protective layer is configured such that pores having an opening diameter of 10 times or more the average particle diameter are not observed when viewed from the surface. A gas sensor is recommended.

このように大きな細孔が観察されない保護層は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   The protective layer in which such large pores are not observed is densely filled with oxide particles while being in a gas permeable state. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

更に、上記のいずれかに記載のガスセンサであって、前記保護層は、前記感ガス膜上に前記酸化物粒子を堆積させ、前記酸化物粒子同士が焼結しない温度範囲で熱処理させてなるガスセンサとすると良い。   The gas sensor according to any one of the above, wherein the protective layer is formed by depositing the oxide particles on the gas-sensitive film and heat-treating the oxide particles in a temperature range in which the oxide particles do not sinter. And good.

このような保護層は、酸化物粒子同士が焼結しない温度範囲で熱処理されることで、酸化物粒子同士が良好に物理結合されて、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   Such a protective layer is heat-treated in a temperature range in which the oxide particles do not sinter, so that the oxide particles are physically bonded to each other and have gas permeability. Is closely packed. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

更に、上記にいずれかに記載のガスセンサであって、前記酸化物粒子として酸化チタン粒子を用いてなるガスセンサとすると良い。   Furthermore, the gas sensor according to any one of the above may be a gas sensor using titanium oxide particles as the oxide particles.

酸化物粒子として、金属酸化物粒子、特に酸化チタン粒子を用いることにより、その他の酸化物粒子を用いる場合に比して、シリコン等の被毒物質を捕捉する能力が高いため、効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できる。このため、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   By using metal oxide particles, particularly titanium oxide particles as oxide particles, the ability to capture poisonous substances such as silicon is higher than when other oxide particles are used. It can suppress that a toxic substance contacts a gas-sensitive film. For this reason, the poisoning tolerance with respect to a poisoning substance can be made still higher, and the change with time of gas sensitivity can further be reduced.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1〜図4に本実施形態に係るガスセンサ100を示す。図2は、図1に示すガスセンサ100のA−A断面の一部を示す部分拡大図に相当し、図3は、図1に示すガスセンサ100のB−B断面の一部を示す部分拡大図に相当する。また、図4は、ガスセンサ100のうち、感ガス膜131、触媒粒子133及び保護層140近傍の部分拡大断面図を示す。なお、図2では触媒粒子133を便宜上、層状に示しているが、実際は、図4に示したように、感ガス膜131上に分散されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4 show a gas sensor 100 according to the present embodiment. 2 corresponds to a partially enlarged view showing a part of the AA cross section of the gas sensor 100 shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a partially enlarged view showing a part of the BB cross section of the gas sensor 100 shown in FIG. It corresponds to. FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of the gas sensor 100 in the vicinity of the gas sensitive film 131, the catalyst particles 133, and the protective layer 140. In FIG. 2, the catalyst particles 133 are shown in a layered form for convenience, but actually, the catalyst particles 133 are dispersed on the gas-sensitive film 131 as shown in FIG. 4.

このガスセンサ100は、二酸化窒素などの酸化性ガスの存在により後述する感ガス膜131の電気的特性(具体的には、電気抵抗値)が変化することを利用して、被検知ガスによる濃度変化の検知(汚染検知)を行う。このガスセンサ100は、図1に示すように平面視矩形状をなし、図2〜図4に示すように、厚み400μmのシリコン基板101の表面101b及び裏面101c上に表面側絶縁被膜110及び裏面側絶縁被膜120が形成され、更に表面側絶縁被膜110上に感ガス膜131、触媒粒子133及び保護層140が形成された構造を有する。   This gas sensor 100 utilizes the fact that an electric characteristic (specifically, an electric resistance value) of a gas-sensitive film 131, which will be described later, changes due to the presence of an oxidizing gas such as nitrogen dioxide. Detection (contamination detection). This gas sensor 100 has a rectangular shape in plan view as shown in FIG. 1, and as shown in FIGS. 2 to 4, a front-side insulating coating 110 and a back-side are formed on the front surface 101b and the rear surface 101c of a 400 μm thick silicon substrate 101 An insulating coating 120 is formed, and a gas-sensitive film 131, catalyst particles 133, and a protective layer 140 are further formed on the surface-side insulating coating 110.

このうち、表面側絶縁被膜110は、シリコン基板101の表面101b上に形成された4層の絶縁層111,112,113,114からなり、一方の裏面側絶縁被膜120は、シリコン基板101の裏面101c上に形成された2層の絶縁層121,122からなる。絶縁層111及び絶縁層121は、酸化ケイ素からなり、シリコン基板101の表面101b及び裏面101c上にそれぞれ形成されている。絶縁層112及び絶縁層122は、窒化ケイ素からなり、絶縁層111及び絶縁層121上にそれぞれ形成されている。また、絶縁層113は、酸化ケイ素からなり、絶縁層112上に形成されている。更に、絶縁層114は、窒化ケイ素からなり、絶縁層113上に形成されている。   Among these, the front-side insulating coating 110 includes four insulating layers 111, 112, 113, and 114 formed on the front surface 101 b of the silicon substrate 101, and one back-side insulating coating 120 serves as the back surface of the silicon substrate 101. It consists of two insulating layers 121 and 122 formed on 101c. The insulating layer 111 and the insulating layer 121 are made of silicon oxide, and are formed on the front surface 101b and the back surface 101c of the silicon substrate 101, respectively. The insulating layer 112 and the insulating layer 122 are made of silicon nitride, and are formed on the insulating layer 111 and the insulating layer 121, respectively. The insulating layer 113 is made of silicon oxide and is formed on the insulating layer 112. Further, the insulating layer 114 is made of silicon nitride and is formed on the insulating layer 113.

表面側絶縁被膜110の絶縁層113の内部には、発熱抵抗体151が埋設されている。この発熱抵抗体151は、通電により発熱し、酸化物半導体からなる感ガス膜131を200℃以上に加熱して、当該感ガス膜131の活性化を図るものである。また、この絶縁層113の内部には、発熱抵抗体151に電気的に接続し、発熱抵抗体151に通電するための一対のリード部153が埋設されている。このリード部153は、図1及び図3に示すように、その末端において、外部回路と接続するための一対の発熱抵抗体コンタクト部160と電気的に接続している。この発熱抵抗体コンタクト部160は、平面視矩形状をなす。発熱抵抗体151及びリード部153は、白金層とタンタル層とからなる2層構造を有する。また、発熱抵抗体コンタクト部160は、チタン層及び白金層からなる引き出し電極161上に、金からなる発熱体コンタクトパッド163が形成された構造を有する(図3参照)。   A heating resistor 151 is embedded in the insulating layer 113 of the surface-side insulating coating 110. The heat generating resistor 151 generates heat when energized, and heats the gas sensitive film 131 made of an oxide semiconductor to 200 ° C. or more to activate the gas sensitive film 131. In addition, a pair of lead portions 153 that are electrically connected to the heating resistor 151 and energize the heating resistor 151 are embedded in the insulating layer 113. As shown in FIGS. 1 and 3, the lead portion 153 is electrically connected to a pair of heating resistor contact portions 160 for connection to an external circuit at the end thereof. The heating resistor contact portion 160 has a rectangular shape in plan view. The heating resistor 151 and the lead portion 153 have a two-layer structure including a platinum layer and a tantalum layer. Further, the heating resistor contact portion 160 has a structure in which a heating element contact pad 163 made of gold is formed on an extraction electrode 161 made of a titanium layer and a platinum layer (see FIG. 3).

また、ガスセンサ100には、図2に示すように、裏面側絶縁被膜120及びシリコン基板101が部分的に凹状に除去されて、表面側絶縁被膜110の絶縁層111が底面に露出した凹部103が形成されている。この凹部103は、上述の発熱抵抗体151に対応した位置に設けられている。   Further, as shown in FIG. 2, the gas sensor 100 has a recess 103 in which the back-side insulating coating 120 and the silicon substrate 101 are partially removed in a concave shape, and the insulating layer 111 of the front-side insulating coating 110 is exposed on the bottom surface. Is formed. The recess 103 is provided at a position corresponding to the heating resistor 151 described above.

図2に示すように、表面側絶縁被膜110上(絶縁層114上)のうち、発熱抵抗体151に対応した位置には、電極155が形成されている。また、表面側絶縁被膜110上(絶縁層114上)には、この電極155と電気的に接続し、電極155に通電するための一対のリード部157(図3参照)が形成されている。これら電極155及びリード部157は、発熱抵抗体コンタクト部160の引き出し電極161と同様に、絶縁層114上に形成されたチタン層とその上に形成された白金層とから構成されている。また、このリード部157は、図1及び図3に示すように、その末端において、外部回路と接続するための一対の検知体コンタクトパッド170と電気的に接続している。この検知体コンタクトパッド170は、金からなり、平面視矩形状をなす。   As shown in FIG. 2, an electrode 155 is formed at a position corresponding to the heating resistor 151 on the surface-side insulating coating 110 (on the insulating layer 114). A pair of lead portions 157 (see FIG. 3) for electrically connecting to the electrode 155 and energizing the electrode 155 are formed on the surface-side insulating coating 110 (on the insulating layer 114). Similar to the lead electrode 161 of the heating resistor contact portion 160, the electrode 155 and the lead portion 157 are composed of a titanium layer formed on the insulating layer 114 and a platinum layer formed thereon. Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the lead portion 157 is electrically connected to a pair of detector contact pads 170 for connection to an external circuit at the end thereof. The detector contact pad 170 is made of gold and has a rectangular shape in plan view.

また、図2に示すように、感ガス膜131は、酸化物半導体である酸化スズからなり、表面側絶縁被膜110上(絶縁層114上)で電極155を覆うように形成されている。そして、この感ガス膜131上には、金からなる触媒粒子133が分散した状態で配置されている(図4も参照)。   As shown in FIG. 2, the gas-sensitive film 131 is made of tin oxide, which is an oxide semiconductor, and is formed so as to cover the electrode 155 on the surface-side insulating coating 110 (on the insulating layer 114). On the gas sensitive film 131, gold catalyst particles 133 are arranged in a dispersed state (see also FIG. 4).

更に、感ガス膜131及び触媒粒子133全体の上には、これらを覆う保護層140が形成されている。この保護層140は、平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子、具体的には、平均粒子径20nmの酸化チタン粒子141が密に充填されることにより構成されると共に、厚み方向に沿ってガス透過性を有するように構成されている。また、この保護層140は、酸化チタン粒子141の平均粒子径をD(nm)、保護層140の厚みをTH(nm)としたときに、20≦TH/D≦500を満たす形態、具体的には、保護層140の厚みTHが1000nmであるので、TH/D=50となる形態とされている。また、この厚みTHは、触媒粒子133が外部に露出しない膜厚でもある。   Further, a protective layer 140 is formed on the gas sensitive film 131 and the catalyst particles 133 as a whole. The protective layer 140 is configured by densely filling oxide particles having an average particle diameter of 500 nm or less, specifically, titanium oxide particles 141 having an average particle diameter of 20 nm, and gas along the thickness direction. It is configured to have transparency. Further, the protective layer 140 has a form satisfying 20 ≦ TH / D ≦ 500, where the average particle diameter of the titanium oxide particles 141 is D (nm) and the thickness of the protective layer 140 is TH (nm). In this case, since the thickness TH of the protective layer 140 is 1000 nm, TH / D = 50. The thickness TH is also a thickness at which the catalyst particles 133 are not exposed to the outside.

後述するように、更にこの保護層140は、この保護層140に含まれる細孔全体の容積(全細孔容積)に占める、平均粒子径D以下の細孔径を有する細孔の割合が、50%以上とされている。具体的には、平均粒子径Dは上記のように20nmであり、20nm以下の細孔径を有する細孔の上記割合が、約88%である。
また、この保護層140は、これに含まれる細孔全体の容積(全細孔容積)に占める、平均粒子径Dの3倍以上の細孔径を有する細孔の割合が、10%以下とされている。具体的には、平均粒子径D=20nmの3倍(60nm)以上の細孔径を有する細孔の上記割合が、約1%である。
また、この保護層140は、これに含まれる細孔全体の容積(全細孔容積)に占める、水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔の割合が、5%以下(0%を含む)とされている。具体的には、水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔が全く存在しない。
As will be described later, the protective layer 140 further has a ratio of pores having a pore diameter equal to or smaller than the average particle diameter D to 50% of the total pore volume (total pore volume) contained in the protective layer 140. % Or more. Specifically, the average particle diameter D is 20 nm as described above, and the ratio of pores having a pore diameter of 20 nm or less is about 88%.
Further, the protective layer 140 has a ratio of pores having a pore diameter that is three times or more of the average particle diameter D in the total pore volume (total pore volume) contained in the protective layer 140 to 10% or less. ing. Specifically, the above-mentioned ratio of pores having a pore diameter that is 3 times (60 nm) or more of the average particle diameter D = 20 nm is about 1%.
In addition, the protective layer 140 has a ratio of pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by a mercury intrusion method to a total volume of pores (total pore volume) contained therein of 5% or less. (Including 0%). Specifically, there are no pores having a pore diameter of 200 nm or more as measured by mercury porosimetry.

また、この保護層140は、その表面から見たときに、平均粒子径Dの10倍以上の開口径を有する細孔が観察されない形態とされている。具体的には、表面のSEM像を見たときに、平均粒子径D=20nmの10倍(200nm)以上の開口径を有する細孔が全く観察されない形態とされている。
また、保護層140は、感ガス膜131及び触媒粒子133上に、酸化チタン粒子141を堆積させ、酸化チタン粒子141同士が焼結しない温度範囲で熱処理させることにより形成されている。
Further, the protective layer 140 is configured such that pores having an opening diameter of 10 times or more the average particle diameter D are not observed when viewed from the surface. Specifically, when an SEM image of the surface is viewed, pores having an opening diameter of 10 times (200 nm) or more of the average particle diameter D = 20 nm are not observed at all.
The protective layer 140 is formed by depositing titanium oxide particles 141 on the gas-sensitive film 131 and the catalyst particles 133 and performing a heat treatment in a temperature range in which the titanium oxide particles 141 do not sinter.

このように、本実施形態のガスセンサ100は、保護層140が、平均粒子径500nm以下の酸化物粒子141から構成されているので、被検知ガスに対する透過性を有しつつも、シリコン等の被毒物質を効果的に捕捉して、被毒物質が保護層140を透過して感ガス膜131に接触するのを抑制できる。従って、被毒物質に対する被毒耐性を高くし、ガス感度の経時的な変化を少なくすることができる。   As described above, in the gas sensor 100 of the present embodiment, the protective layer 140 is composed of the oxide particles 141 having an average particle diameter of 500 nm or less. It is possible to effectively capture the poisonous substance and prevent the poisonous substance from passing through the protective layer 140 and coming into contact with the gas sensitive film 131. Therefore, the poisoning resistance against the poisoning substance can be increased, and the change in gas sensitivity over time can be reduced.

更に、本実施形態では、保護層140は、前述のように、酸化チタン粒子141の平均粒子径D(nm)と保護層140の厚みTH(nm)との関係が、TH/D=50となる形態とされているので、シリコン等の被毒物質の捕捉能力を向上させて、被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくできる。   Furthermore, in the present embodiment, as described above, the protective layer 140 has a relationship between the average particle diameter D (nm) of the titanium oxide particles 141 and the thickness TH (nm) of the protective layer 140 as TH / D = 50. Therefore, the ability to capture poisonous substances such as silicon can be improved, the poisoning resistance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

また、保護層140は、これに含まれる細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=20nm以下の細孔径を有する細孔の割合が約88%である。また、保護層140は、これに含まれる細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=20nmの3倍(60nm)以上の細孔径を有する細孔の割合が約1%である。また、保護層140は、水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔が全く存在しない。また、保護層140は、その表面をSEMで観察したときに、平均粒子径D=20nmの10倍(200nm)以上の開口径を有する細孔が全く観察されない形態とされている。また、保護層140は、後述するように、感ガス膜131及び触媒粒子133上に、酸化チタン粒子141を堆積させ、酸化チタン粒子141同士が焼結しない温度範囲で熱処理されている。このような保護層140は、ガス透過性を有した状態でありながら、酸化物粒子141が密に充填されている。このため、被検知ガスのガス透過性を阻害することなく、被毒物質の捕捉効果をより向上させて、より効果的に被毒物質が感ガス膜に接触するのを抑制できるので、被毒物質に対する被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくすることができる。   Further, the protective layer 140 has a ratio of pores having a pore diameter of an average particle diameter D = 20 nm or less to a volume of the whole pores included therein of about 88%. Further, the protective layer 140 has a ratio of pores having a pore diameter that is three times the average particle diameter D = 20 nm (60 nm) or more in the entire pore volume contained in the protective layer 140 at about 1%. Further, the protective layer 140 has no pores having a pore diameter of 200 nm or more as measured by the mercury intrusion method. Further, when the surface of the protective layer 140 is observed with an SEM, pores having an opening diameter of 10 times (200 nm) or more of the average particle diameter D = 20 nm are not observed at all. Further, as will be described later, the protective layer 140 is heat-treated in a temperature range in which titanium oxide particles 141 are deposited on the gas-sensitive film 131 and the catalyst particles 133 and the titanium oxide particles 141 are not sintered together. Such a protective layer 140 is densely filled with oxide particles 141 while having gas permeability. For this reason, it is possible to improve the trapping effect of the poisoning substance without inhibiting the gas permeability of the gas to be detected, and more effectively suppress the poisoning substance from contacting the gas sensitive film. The poisoning resistance to the substance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced.

また、保護層140を構成する酸化物粒子として酸化チタン粒子141を用いているので、被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくできる。また、保護層140は、触媒粒子133が露出しない膜厚(厚みTH)を有しているので、被毒耐性を更に高くし、ガス感度の経時的な変化を更に少なくできる。   Further, since the titanium oxide particles 141 are used as the oxide particles constituting the protective layer 140, the poisoning resistance can be further increased, and the change in gas sensitivity over time can be further reduced. Further, since the protective layer 140 has a film thickness (thickness TH) at which the catalyst particles 133 are not exposed, the poisoning resistance can be further increased and the change in the gas sensitivity over time can be further reduced.

次いで、このガスセンサ100の製造方法について説明する。
まず、厚みが400μmのシリコン基板101を用意し、これを洗浄液中に浸して、洗浄処理を行う。
次に、洗浄したシリコン基板101を熱処理炉に入れ、熱酸化処理により厚みが100nmの酸化ケイ素層(絶縁層111,121)をシリコン基板101の表面101b及び裏面101cの全面に形成する。
その後、LP−CVDにてSiH2Cl2、NH3をソースガスとし、シリコン基板101の表面101b側(絶縁層111上)に、厚み200nmの窒化ケイ素層(絶縁層112)を形成する。また同様に、シリコン基板101の裏面101c側(絶縁層121上)に、厚み100nmの窒化ケイ素層(絶縁層122)を形成する。これにより、絶縁層11と絶縁層122とからなる裏面側絶縁被膜120が形成される。
Next, a method for manufacturing the gas sensor 100 will be described.
First, a silicon substrate 101 having a thickness of 400 μm is prepared and immersed in a cleaning solution to perform a cleaning process.
Next, the cleaned silicon substrate 101 is placed in a heat treatment furnace, and a silicon oxide layer (insulating layers 111 and 121) having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface 101b and back surface 101c of the silicon substrate 101 by thermal oxidation.
Thereafter, a silicon nitride layer (insulating layer 112) having a thickness of 200 nm is formed on the surface 101b side (on the insulating layer 111) of the silicon substrate 101 using SiH 2 Cl 2 and NH 3 as source gases by LP-CVD. Similarly, a silicon nitride layer (insulating layer 122) having a thickness of 100 nm is formed on the back surface 101c side (on the insulating layer 121) of the silicon substrate 101. Thereby, the back surface side insulating film 120 which consists of the insulating layer 11 and the insulating layer 122 is formed.

次に、プラズマCVDにてTEOS、O2をソースガスとし、表面101b側の絶縁層112上に厚み100nmの酸化ケイ素層(絶縁層113の下側の一部となる絶縁層)を形成する。
その後、DCスパッタ装置を用いて、絶縁層113上に厚み20nmのタンタル層を形成し、更にその上に厚み220nmの白金層を形成する。このスパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストを形成してパターニングを行い、ウェットエッチング処理を施して、発熱抵抗体151及びリード部153を形成する。
Next, a silicon oxide layer having a thickness of 100 nm (an insulating layer to be a part of the lower side of the insulating layer 113) is formed over the insulating layer 112 on the surface 101b side using TEOS and O 2 as source gases by plasma CVD.
Thereafter, using a DC sputtering apparatus, a tantalum layer having a thickness of 20 nm is formed on the insulating layer 113, and a platinum layer having a thickness of 220 nm is further formed thereon. After this sputtering, a resist is formed by photolithography, patterning is performed, and a wet etching process is performed to form the heating resistor 151 and the lead portion 153.

そして、プラズマCVDにてTEOS、O2をソースガスとし、上記の酸化ケイ素層(絶縁層113の下側の一部)、発熱抵抗体151及びシード部153上に、厚み100nmの酸化ケイ素層(絶縁層113の上側の一部となる絶縁層)を形成する。かくして、厚み200nmの絶縁層113を形成し、この内部に発熱抵抗体151及びリード部153を埋設する。
その後、LP−CVDにてSiH2Cl2、NH3をソースガスとし、絶縁層113上に厚み200nmの窒化ケイ素層(絶縁層114)を形成する。これにより、絶縁層111、絶縁層112、絶縁層113及び絶縁層114からなる表面側絶縁被膜110が形成される。
Then, a silicon oxide layer having a thickness of 100 nm is formed on the silicon oxide layer (a part of the lower side of the insulating layer 113), the heating resistor 151, and the seed portion 153 using TEOS and O 2 as source gases by plasma CVD. An insulating layer that is a part of the upper side of the insulating layer 113 is formed. Thus, the insulating layer 113 having a thickness of 200 nm is formed, and the heating resistor 151 and the lead portion 153 are embedded therein.
Thereafter, a silicon nitride layer (insulating layer 114) having a thickness of 200 nm is formed on the insulating layer 113 by LP-CVD using SiH 2 Cl 2 and NH 3 as source gases. As a result, the surface-side insulating coating 110 composed of the insulating layer 111, the insulating layer 112, the insulating layer 113, and the insulating layer 114 is formed.

次に、フォトリソグラフィによりレジストを形成してパターニングを行い、ドライエッチング法により絶縁層113及び絶縁層114のエッチングを行って、発熱抵抗体コンタクト部160を形成する部分に穴をあけ、リード部153の一部を露出させる。
次に、DCスパッタ装置を用いて、絶縁層114上に厚み20nmのチタン層を形成し、更にその上に厚み40nmの白金層を形成する。このスパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストを形成してパターニングを行い、ウエットエッチング処理により所定パターンの電極151、リード部157及び引き出し電極161を形成する。
そして、DCスパッタ装置を用いて、基板の絶縁層114側に厚み400nmの金層を形成する。このスパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストを形成してパターニングを行い、ウエットエッチング処理を施して発熱体コンタクトパッド163及び検知体コンタクトパッド170を形成する。
Next, a resist is formed by photolithography, patterning is performed, the insulating layer 113 and the insulating layer 114 are etched by a dry etching method, holes are formed in portions where the heating resistor contact portions 160 are formed, and lead portions 153 are formed. To expose a part of
Next, using a DC sputtering apparatus, a titanium layer having a thickness of 20 nm is formed on the insulating layer 114, and a platinum layer having a thickness of 40 nm is further formed thereon. After this sputtering, a resist is formed by photolithography and patterning is performed, and electrodes 151, lead portions 157, and extraction electrodes 161 having a predetermined pattern are formed by wet etching.
Then, using a DC sputtering apparatus, a gold layer having a thickness of 400 nm is formed on the insulating layer 114 side of the substrate. After this sputtering, a resist is formed by photolithography, patterning is performed, and wet etching is performed to form the heating element contact pad 163 and the sensing element contact pad 170.

次に、フォトリソグラフィによりレジストを形成してパターニングを行い、ドライエッチング処理により、発熱抵抗体151に対応する部分の裏面側絶縁被膜120をエッチングする。そして、この基板をTMAH溶液中に浸し、シリコン基板101の異方性エッチングを行うことにより、発熱抵抗体151に対応する部分の表面側絶縁被膜110(具体的には絶縁層111)が底面に露出する凹部103を形成する。   Next, a resist is formed by photolithography, patterning is performed, and the back-side insulating film 120 corresponding to the heating resistor 151 is etched by dry etching. Then, the substrate is immersed in the TMAH solution and anisotropic etching of the silicon substrate 101 is performed, so that the surface-side insulating coating 110 (specifically, the insulating layer 111) corresponding to the heating resistor 151 is formed on the bottom surface. An exposed recess 103 is formed.

次に、表面側絶縁被膜110の絶縁層114上のうち、発熱抵抗体151及び凹部103に対応する位置に、RFスパッタ装置を用いて、酸化スズからなる感ガス膜131を形成する。具体的には、RFスパッタ装置に、アルゴンガスと酸素ガスをAr/(Ar+O2 )の割合が28%となるように導入し、ガス圧を2.0Pa、電力密度を4.34kW/cm2 、成膜速度を4.8nm/min、基板温度を240℃として42分間スパッタ処理を行い、厚み200nmの感ガス膜131を形成する。なお、このスパッタ処理のターゲット面積は5インチ×10インチ(12.7cm×25.4cm)を使用する。 Next, a gas-sensitive film 131 made of tin oxide is formed on the insulating layer 114 of the surface-side insulating coating 110 at a position corresponding to the heating resistor 151 and the recess 103 using an RF sputtering apparatus. Specifically, Ar / (Ar + O 2) is used in an RF sputtering apparatus with argon gas and oxygen gas. ) Is 28%, the gas pressure is 2.0 Pa, the power density is 4.34 kW / cm 2 , the deposition rate is 4.8 nm / min, and the substrate temperature is 240 ° C. for 42 minutes. The gas sensitive film 131 having a thickness of 200 nm is formed. Note that the target area for this sputtering process is 5 inches × 10 inches (12.7 cm × 25.4 cm).

次に、感ガス膜131上に、DCスパッタ装置を用いて、金を付着させて触媒粒子133を形成する。具体的には、DCスパッタ装置に、アルゴンガスを導入し、ガス圧を2.0Pa、電力密度を0.62kW/cm2 、成膜速度を11.4nm/min、基板を加熱しない状態で48秒間スパッタ処理を行い、触媒粒子133を形成する。なお、このスパッタ処理のターゲット面積も5インチ×10インチ(12.7cm×25.4cm)とする。
その後、RFスパッタ装置を用いて、酸素濃度が10ppm以下の雰囲気下において360℃で3時間、熱処理を行った。なお、この熱処理は、RFスパッタ装置を用いる代わりに真空熱処理炉を用いても良い。また、酸素濃度は0.2ppm〜5ppmとするのが好ましい。
Next, the catalyst particles 133 are formed on the gas-sensitive film 131 by depositing gold using a DC sputtering apparatus. Specifically, argon gas is introduced into a DC sputtering apparatus, the gas pressure is 2.0 Pa, the power density is 0.62 kW / cm 2 , the film formation rate is 11.4 nm / min, and the substrate is not heated. Sputtering is performed for 2 seconds to form catalyst particles 133. The target area for this sputtering process is also 5 inches × 10 inches (12.7 cm × 25.4 cm).
Thereafter, heat treatment was performed at 360 ° C. for 3 hours in an atmosphere having an oxygen concentration of 10 ppm or less using an RF sputtering apparatus. For this heat treatment, a vacuum heat treatment furnace may be used instead of using an RF sputtering apparatus. The oxygen concentration is preferably 0.2 ppm to 5 ppm.

次に、感ガス膜131及び触媒粒子133上に、保護層140を形成した。具体的には、まず、発熱抵抗体コンタクト部160及び検知体コンタクトパッド170をマスキングする。その後、所望の大きさ(本実施形態では平均粒子径Dが20nm)の酸化チタン粉末を、分散剤であるポリアクリル酸アンモニウムと共に水に分散させた所定の粘度を有する(本実施形態では粘度50mPa・s)ゾルを作成し、感ガス膜131及び触媒粒子133上にスピンコートする。なお、スピンコート時の条件を調整することで、保護層140を所望の厚みに調整することができ、本実施形態では、スピンコート時の回転数を5000rpm、基板温度を25℃、周辺相対湿度を40%RHに調整してスピンコートを行うことで、厚みTHが1000nmとなる保護層140を形成した。そして、自然乾燥後、更に熱処理炉において、酸化チタン粒子141同士が焼結しない温度範囲(本実施形態では350℃)で1時間加熱を行って保護層140を乾燥させ、更に酸化チタン粒子141同士を物理結合させて、酸化チタン粒子141が密に充填された保護層140を形成する。
その後は、ダイシングソーを用いて基板を平面視2.6mm×2mmの大きさに切断し、上記ガスセンサ100を完成させた。
Next, the protective layer 140 was formed on the gas sensitive film 131 and the catalyst particles 133. Specifically, first, the heating resistor contact portion 160 and the detector contact pad 170 are masked. Thereafter, the titanium oxide powder having a desired size (in this embodiment, the average particle diameter D is 20 nm) has a predetermined viscosity obtained by dispersing it in water together with ammonium polyacrylate as a dispersant (in this embodiment, a viscosity of 50 mPa). S) A sol is prepared and spin-coated on the gas-sensitive film 131 and the catalyst particles 133. The protective layer 140 can be adjusted to a desired thickness by adjusting the conditions during spin coating. In this embodiment, the rotational speed during spin coating is 5000 rpm, the substrate temperature is 25 ° C., and the ambient relative humidity. Was adjusted to 40% RH, and spin coating was performed to form a protective layer 140 having a thickness TH of 1000 nm. Then, after natural drying, in a heat treatment furnace, the protective layer 140 is dried by heating in a temperature range where the titanium oxide particles 141 do not sinter (350 ° C. in the present embodiment) for 1 hour, and further the titanium oxide particles 141. To form a protective layer 140 in which the titanium oxide particles 141 are closely packed.
Thereafter, the substrate was cut into a size of 2.6 mm × 2 mm in plan view using a dicing saw to complete the gas sensor 100.

(実施例)
本発明の効果を検証するために、本発明に係る実施例1〜4のガスセンサとして、上記実施形態のガスセンサ100において保護層140を構成する酸化物粒子の材質及び粒径を変更したガスセンサを4種類用意した。具体的には、実施例1として、平均粒子径D=7nmの酸化チタン粒子から形成された保護層140を有するガスセンサ100を用意した。また、実施例2として、平均粒子径D=20nmの酸化チタン粒子から形成された保護層140を有するガスセンサ100を用意した。また、実施例3として、平均粒子径D=100nmの酸化チタン粒子から形成された保護層140を有するガスセンサ100を用意した。また、実施例4として、平均粒子径D=300nmの酸化タングステン粒子から形成された保護層140を有するガスセンサ100を用意した。なお、保護層140を構成する酸化物粒子の平均粒子径Dは、日立製FB−2100を用いてFIB加工を行った後、日立製HD−2000を用いてTEM観察することによりそれぞれ求めた。
(Example)
In order to verify the effects of the present invention, as gas sensors of Examples 1 to 4 according to the present invention, 4 gas sensors in which the material and the particle diameter of the oxide particles constituting the protective layer 140 in the gas sensor 100 of the above embodiment are changed are shown. Kind prepared. Specifically, as Example 1, a gas sensor 100 having a protective layer 140 formed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 7 nm was prepared. Further, as Example 2, a gas sensor 100 having a protective layer 140 formed from titanium oxide particles having an average particle diameter D = 20 nm was prepared. Further, as Example 3, a gas sensor 100 having a protective layer 140 formed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 100 nm was prepared. Further, as Example 4, a gas sensor 100 having a protective layer 140 formed of tungsten oxide particles having an average particle diameter D = 300 nm was prepared. The average particle diameter D of the oxide particles constituting the protective layer 140 was determined by performing TEM observation using Hitachi HD-2000 after performing FIB processing using Hitachi FB-2100.

一方、比較例1〜4として、上記実施形態に係るガスセンサ100の保護層140の構成を変更したガスセンサを4種類用意した。具体的には、比較例1として、平均粒子径D=700nmの酸化アルミニウム粒子から形成された保護層を有するガスセンサを用意した。また、比較例2として、平均粒子径D=1000nmの酸化チタン粒子から形成された保護層を有するガスセンサを用意した。また、比較例3として、平均粒子径D=3000nmの酸化ケイ素粒子から形成された保護層を有するガスセンサを用意した。また、比較例4として、保護層を有しないガスセンサを用意した。   On the other hand, as Comparative Examples 1 to 4, four types of gas sensors were prepared in which the configuration of the protective layer 140 of the gas sensor 100 according to the above embodiment was changed. Specifically, as Comparative Example 1, a gas sensor having a protective layer formed from aluminum oxide particles having an average particle diameter D = 700 nm was prepared. Further, as Comparative Example 2, a gas sensor having a protective layer formed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 1000 nm was prepared. Further, as Comparative Example 3, a gas sensor having a protective layer formed of silicon oxide particles having an average particle diameter D = 3000 nm was prepared. As Comparative Example 4, a gas sensor having no protective layer was prepared.

次に、これら実施例1〜4及び比較例1〜4のガスセンサ100等について、被毒物質としてのシリコンが存在する状況下で、二酸化窒素ガス(NO2)に対する感度についての耐久試験を行った。具体的には、各ガスセンサ100等を、金ワイヤーを用いて測定治具に電気的に接続した。そして、試験ガス中に各ガスセンサ100等を配置し、発熱抵抗体151の温度が250℃となるように発熱抵抗体151に通電した状態で、400時間保持し、二酸化窒素ガスに対する感度の変化を求めた。この耐久試験中、感ガス膜131等に対してガス検知電圧の印加も継続的に行った。試験ガスとしては、相対湿度40%RHとする酸素の分量が20.9Vol%である窒素との混合ガスをベースガスとし、このベースガスを25℃として、これに有機シリコンであるヘキサメチルジシラザンを3ppm加えたものを使用した。 Next, the gas sensor 100 or the like of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, in a situation where silicon as a poisoning substance is present, a durability test was carried out for sensitivity to nitrogen dioxide (NO 2) . Specifically, each gas sensor 100 etc. was electrically connected to the measurement jig using a gold wire. Then, each gas sensor 100 or the like is arranged in the test gas, and the heating resistor 151 is energized so that the temperature of the heating resistor 151 is 250 ° C., and is held for 400 hours to change the sensitivity to nitrogen dioxide gas. Asked. During this durability test, the gas detection voltage was continuously applied to the gas sensitive film 131 and the like. As a test gas, a mixed gas with nitrogen having a relative humidity of 40% RH and an oxygen content of 20.9 Vol% is used as a base gas, this base gas is set at 25 ° C., and hexamethyldisilazane which is organic silicon The one with 3 ppm added was used.

この耐久試験では、各ガスセンサ100等について、通電開始前と通電100時間後と通電200時間後と通電400時間後に、それぞれ二酸化窒素ガスに対する感度を求めた。ここで、このガス感度は、以下の方法で測定したガスセンサ100の抵抗値に基づいて求めた。まず、25℃にされた上記のベースガスに晒された雰囲気中でガスセンサ100の抵抗値Raを測定する。その後、ガスセンサ100の周囲の雰囲気を、ベースガスに酸化性ガスとして二酸化窒素ガスを1ppm混合した雰囲気とし、5秒後にガスセンサ100等の抵抗値Rgを測定する。そして両抵抗値の比(Rg/Ra)を求め、これをガス感度Rg/Raとした。なお、二酸化窒素ガスの検知が十分に可能となる感度は、1.1以上である。その結果を表1に示し、更に図5にグラフで示す。   In this durability test, the sensitivity to nitrogen dioxide gas was determined for each gas sensor 100 and the like before the start of energization, after 100 hours of energization, after 200 hours of energization, and after 400 hours of energization. Here, this gas sensitivity was calculated | required based on the resistance value of the gas sensor 100 measured with the following method. First, the resistance value Ra of the gas sensor 100 is measured in an atmosphere exposed to the base gas set at 25 ° C. Thereafter, the atmosphere around the gas sensor 100 is set to an atmosphere in which 1 ppm of nitrogen dioxide gas as an oxidizing gas is mixed with the base gas, and the resistance value Rg of the gas sensor 100 or the like is measured after 5 seconds. And the ratio (Rg / Ra) of both resistance values was calculated | required and this was made into gas sensitivity Rg / Ra. Note that the sensitivity at which nitrogen dioxide gas can be sufficiently detected is 1.1 or more. The results are shown in Table 1 and further shown graphically in FIG.

表1及び図5から明らかなように、実施例1〜4のガスセンサ100は、いずれも、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合でも、ガス感度Rg/Raが閾値(1.1)よりも十分に高かった、即ち、十分に高いガス感度を維持していた。一方、比較例1〜4のガスセンサは、いずれも、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合に、ガス感度Rg/Raが徐々に低下し、ガス感度Rg/Raが閾値(1.1)近くまで低くなっていた。   As is clear from Table 1 and FIG. 5, the gas sensors 100 of Examples 1 to 4 have gas sensitivity Rg / E even when energized for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon). Ra was sufficiently higher than the threshold (1.1), that is, sufficiently high gas sensitivity was maintained. On the other hand, in the gas sensors of Comparative Examples 1 to 4, the gas sensitivity Rg / Ra gradually decreases when energization is performed for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon), and the gas sensitivity Rg. / Ra was as low as close to the threshold (1.1).

また、上記耐久試験から、ガス感度の変化率も求めた。即ち、ガス感度変化率Scを、耐久試験前のガス感度をA、耐久試験の所定時間経過後のガス感度をBとして、次式により求めた。
Sc=logB/logA
その結果を表2に示し、更に図6にグラフで示す。なお、ガス感度変化率Scの良否判断基準をSc≧0.5とした。
Further, the rate of change in gas sensitivity was also determined from the above durability test. That is, the gas sensitivity change rate Sc was obtained by the following equation, where A is the gas sensitivity before the durability test and B is the gas sensitivity after the predetermined time of the durability test.
Sc = logB / logA
The results are shown in Table 2 and further shown graphically in FIG. In addition, the quality criterion for the gas sensitivity change rate Sc was set to Sc ≧ 0.5.

表2及び図6から明らかなように、実施例1〜4のガスセンサ100は、いずれも、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合でも、ガス感度変化率Scが良否判断基準(Sc≧0.5)よりも十分に高い、即ち、十分に高いガス感度を維持していた。一方、比較例1〜4のガスセンサは、いずれも、通電を400時間行った場合或いはそれ以前に、ガス感度変化率Scが良否判断基準(Sc≧0.5)よりも下回り、即ち、ガス感度が大きく低下していた。   As is clear from Table 2 and FIG. 6, the gas sensors 100 of Examples 1 to 4 all have a gas sensitivity change rate even when energized for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon). Sc was sufficiently higher than the quality criterion (Sc ≧ 0.5), that is, sufficiently high gas sensitivity was maintained. On the other hand, in all of the gas sensors of Comparative Examples 1 to 4, the gas sensitivity change rate Sc is lower than the pass / fail judgment criterion (Sc ≧ 0.5) when the energization is performed for 400 hours or before, that is, the gas sensitivity. Was greatly reduced.

以上の結果から、平均粒子径Dの小さい(500nm以下)の酸化物粒子を用いて保護層140を形成することにより、シリコン(有機シリコン)に対する被毒耐性が向上し、ガス感度の経時的な変化が少なくなることが判る。   From the above results, by forming the protective layer 140 using oxide particles having a small average particle diameter D (500 nm or less), the poisoning resistance to silicon (organic silicon) is improved, and the gas sensitivity over time is improved. It can be seen that there is less change.

次に、本発明に係る別の実施例5〜7のガスセンサ100を用意した。これら実施例5〜7のガスセンサ100は、上記実施形態のガスセンサ100において保護層140を構成する酸化チタン粒子141の平均粒子径D(nm)を一定(D=20nm)とし、これに対する保護層の厚みTH(nm)の比(TH/D)を変更したガスセンサである。具体的には、実施例5として、TH/D=25の保護層140を有するガスセンサ100を用意した。また、実施例6として、TH/D=50の保護層140を有するガスセンサ100を用意した。また、実施例7として、TH/D=100の保護層140を有するガスセンサ100を用意した。   Next, gas sensors 100 of other Examples 5 to 7 according to the present invention were prepared. In the gas sensors 100 of Examples 5 to 7, the average particle diameter D (nm) of the titanium oxide particles 141 constituting the protective layer 140 in the gas sensor 100 of the above embodiment is constant (D = 20 nm), and the protective layer for this This is a gas sensor in which the ratio (TH / D) of the thickness TH (nm) is changed. Specifically, as Example 5, a gas sensor 100 having a protective layer 140 of TH / D = 25 was prepared. As Example 6, a gas sensor 100 having a protective layer 140 of TH / D = 50 was prepared. As Example 7, a gas sensor 100 having a protective layer 140 of TH / D = 100 was prepared.

一方、比較例5,6として、上記実施形態に係るガスセンサ100の保護層140の構成を変更したガスセンサを用意した。具体的には、比較例5として、TH/D=15の保護層を有するガスセンサを用意した。また、比較例6として、保護層を有しないガスセンサを用意した。なお、この比較例6のガスセンサは、前述の比較例4のガスセンサと同様である。   On the other hand, as Comparative Examples 5 and 6, gas sensors in which the configuration of the protective layer 140 of the gas sensor 100 according to the above embodiment was changed were prepared. Specifically, as Comparative Example 5, a gas sensor having a protective layer of TH / D = 15 was prepared. As Comparative Example 6, a gas sensor having no protective layer was prepared. The gas sensor of Comparative Example 6 is the same as the gas sensor of Comparative Example 4 described above.

次に、これら実施例5〜7及び比較例5,6のガスセンサ100等について、前述した実施例1〜4及び比較例1〜4と同様に、被毒物質としての有機シリコンが存在する状況下で、二酸化窒素ガスに対する感度についての耐久試験を行った。その結果を表3及び図7に示す。   Next, for the gas sensors 100 and the like of Examples 5 to 7 and Comparative Examples 5 and 6, as in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 described above, organic silicon as a poisonous substance is present. Then, a durability test for sensitivity to nitrogen dioxide gas was performed. The results are shown in Table 3 and FIG.

表3及び図7から明らかなように、実施例5〜7のガスセンサ100は、いずれも、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合でも、ガス感度Rg/Raが閾値(1.1)よりも十分に高かった、即ち、十分に高いガス感度を維持していた。一方、比較例5,6のガスセンサは、共に、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合に、ガス感度Rg/Raが徐々に低下し、ガス感度Rg/Raが閾値(1.1)近くまで低くなっていた。   As is apparent from Table 3 and FIG. 7, the gas sensors 100 of Examples 5 to 7 all have gas sensitivities Rg / E even when energized for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon). Ra was sufficiently higher than the threshold (1.1), that is, sufficiently high gas sensitivity was maintained. On the other hand, in the gas sensors of Comparative Examples 5 and 6, when energization was performed for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon), the gas sensitivity Rg / Ra gradually decreased, and the gas sensitivity Rg / Ra was as low as close to the threshold (1.1).

また、上記耐久試験から、前述の実施例1〜4及び比較例1〜4と同様に、ガス感度変化率Scも求めた。算出式(Sc=logB/logA)や良否判断基準(Sc≧0.5)は前述の耐久試験の場合と同様である。その結果を表4及び図8に示す。   Further, the gas sensitivity change rate Sc was also obtained from the above durability test in the same manner as in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 described above. The calculation formula (Sc = logB / logA) and pass / fail judgment criteria (Sc ≧ 0.5) are the same as those in the above-described durability test. The results are shown in Table 4 and FIG.

表3及び図7から明らかなように、実施例5〜7のガスセンサ100は、いずれも、通電を400時間行っても、ガス感度変化率Scが良否判断基準(Sc≧0.5)よりも十分に高い、即ち、十分に高い感度を維持していた。一方、比較例5,6のガスセンサは、共に、通電を400時間行った場合或いはそれ以前に、ガス感度変化率Scが良否判断基準(Sc≧0.5)よりも下回り、即ち、ガス感度が大きく低下していた。   As is apparent from Table 3 and FIG. 7, the gas sensors 100 of Examples 5 to 7 have a gas sensitivity change rate Sc that is higher than the pass / fail judgment criterion (Sc ≧ 0.5) even when energized for 400 hours. Sufficiently high, that is, sufficiently high sensitivity was maintained. On the other hand, in both of the gas sensors of Comparative Examples 5 and 6, the gas sensitivity change rate Sc was lower than the pass / fail judgment criterion (Sc ≧ 0.5) when the energization was performed for 400 hours or before that, that is, the gas sensitivity was low. It was greatly reduced.

以上の結果から、酸化チタン粒子141の平均粒子径D(nm)に対する保護層140の厚みTH(nm)の比(TH/D)が大きい(20以上)保護層140を形成することにより、シリコン(有機シリコン)に対する被毒耐性が向上し、ガス感度の経時的な変化が少なくなることが判る。   From the above results, by forming the protective layer 140 having a large ratio (TH / D) of the thickness TH (nm) of the protective layer 140 to the average particle diameter D (nm) of the titanium oxide particles 141 (20 or more), silicon is formed. It can be seen that the poisoning resistance to (organic silicon) is improved and the change in gas sensitivity with time is reduced.

次に、本発明に係る別の実施例8のガスセンサ100を用意した。この実施例8のガスセンサ100は、上記実施形態のガスセンサ100において保護層140を構成する酸化チタン粒子141の粒径を変更したガスセンサであり、具体的には、平均粒子径D=150nmの酸化チタン粒子から形成された保護層140を有する。この実施例8のガスセンサ100について、前述した実施例1〜7及び比較例1〜6と同様に、被毒物質としての有機シリコンが存在する状況下で、二酸化窒素ガスに対する感度についての耐久試験を行った。その結果を表5及び図9に示す。   Next, another gas sensor 100 of Example 8 according to the present invention was prepared. The gas sensor 100 of Example 8 is a gas sensor in which the particle size of the titanium oxide particles 141 constituting the protective layer 140 in the gas sensor 100 of the above embodiment is changed, and specifically, titanium oxide having an average particle size D = 150 nm. It has a protective layer 140 formed from particles. About the gas sensor 100 of this Example 8, the durability test about the sensitivity with respect to nitrogen dioxide gas is carried out similarly to Examples 1-7 and Comparative Examples 1-6 mentioned above in the condition where the organic silicon as a poisoning substance exists. went. The results are shown in Table 5 and FIG.

表5及び図9から明らかなように、この実施例8のガスセンサ100は、被毒物質(有機シリコン)が含まれるガス中で通電を400時間行った場合でも、ガス感度Rg/Raが閾値(1.1)よりも十分に高かった、即ち、十分に高いガス感度を維持していた。   As is apparent from Table 5 and FIG. 9, the gas sensor 100 of Example 8 has a gas sensitivity Rg / Ra of a threshold value (even when energized for 400 hours in a gas containing a poisoning substance (organic silicon). It was much higher than 1.1), that is, it maintained a sufficiently high gas sensitivity.

また、上記耐久試験から、前述の実施例1〜7及び比較例1〜6と同様に、ガス感度変化率Scも求めた。算出式(Sc=logB/logA)や良否判断基準(Sc≧0.5)は前述の耐久試験の場合と同様である。その結果を表6及び図9に示す。   In addition, the gas sensitivity change rate Sc was also obtained from the durability test in the same manner as in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 6 described above. The calculation formula (Sc = logB / logA) and pass / fail judgment criteria (Sc ≧ 0.5) are the same as those in the above-described durability test. The results are shown in Table 6 and FIG.

表6及び図9から明らかなように、この実施例8のガスセンサ100は、通電を400時間行っても、ガス感度変化率Scが良否判断基準(Sc≧0.5)よりも十分に高い、即ち、十分に高い感度を維持していた。
この結果から、平均粒子径Dの小さい(150nm)の酸化物粒子を用いて保護層140を形成することにより、シリコン(有機シリコン)に対する被毒耐性が向上し、ガス感度の経時的な変化が少なくできることが判る。
As is apparent from Table 6 and FIG. 9, the gas sensor 100 of Example 8 has a gas sensitivity change rate Sc sufficiently higher than the pass / fail judgment criterion (Sc ≧ 0.5) even when energization is performed for 400 hours. That is, a sufficiently high sensitivity was maintained.
From this result, by forming the protective layer 140 using oxide particles having a small average particle diameter D (150 nm), the resistance to poisoning against silicon (organic silicon) is improved, and the gas sensitivity changes over time. You can see that it can be reduced.

次に、上記実施例1,2,4,8のガスセンサ100の保護層140について、これに形成された細孔の細孔径分布を調べた。
具体的には、まず、各実施例1,2,4,8の保護層140と同様な多孔質をなす保護層140のバルク体をそれぞれ用意した。即ち、実施例1に対応したバルク体として、平均粒子径D=7nmの酸化チタン粒子から構成されたバルク体を用意した。また、実施例2に対応したバルク体として、平均粒子径D=20nmの酸化チタン粒子から構成されたバルク体を用意した。また、実施例4に対応したバルク体として、平均粒子径D=300nmの酸化タングステン粒子から構成されたバルク体を用意した。また、実施例8に対応したバルク体として、平均粒子径D=150nmの酸化チタン粒子から構成されたバルク体を用意した。各バルク体の寸法は、直径10mm、厚さ15mmである。
Next, the pore diameter distribution of the pores formed in the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Examples 1, 2, 4, and 8 was examined.
Specifically, first, bulk bodies of the protective layer 140 having the same porosity as the protective layer 140 of each of Examples 1, 2, 4, and 8 were prepared. That is, as a bulk body corresponding to Example 1, a bulk body composed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 7 nm was prepared. Moreover, as a bulk body corresponding to Example 2, a bulk body composed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 20 nm was prepared. Moreover, as a bulk body corresponding to Example 4, a bulk body composed of tungsten oxide particles having an average particle diameter D = 300 nm was prepared. Moreover, as a bulk body corresponding to Example 8, a bulk body composed of titanium oxide particles having an average particle diameter D = 150 nm was prepared. Each bulk body has a diameter of 10 mm and a thickness of 15 mm.

なお、これらのバルク体は、ガスセンサ100の保護層140を作製する工程と同様のスピンコート工程、熱処理工程を通じて、上記寸法のものを作製した。即ち、酸化物粒子141を、分散剤(ポリアクリル酸アンモニウム)と共に水に分散させたゾル(粘度50mPa・s)を作成し、基板上に所望の厚さにスピンコートした。その後、自然乾燥させ、更に熱処理炉において、酸化物粒子141同士が焼結しない温度範囲(350℃)で1時間加熱を行い、酸化物粒子141同士を物理結合させて、酸化物粒子141が密に充填された上記バルク体を得た。   These bulk bodies were manufactured in the above dimensions through the same spin coat process and heat treatment process as the process of manufacturing the protective layer 140 of the gas sensor 100. That is, a sol (viscosity 50 mPa · s) in which the oxide particles 141 were dispersed in water together with a dispersant (ammonium polyacrylate) was prepared and spin-coated on a substrate to a desired thickness. Thereafter, it is naturally dried, and further heated in a heat treatment furnace in a temperature range (350 ° C.) at which the oxide particles 141 do not sinter together to physically bond the oxide particles 141, so that the oxide particles 141 are densely packed. The bulk body filled in was obtained.

そして、実施例1,2に対応した各バルク体については、100nm以上の細孔径を水銀圧入法で測定すると共に、100nm未満の細孔径を窒素ガス吸着法で測定して、細孔径分布を求めた。その理由は、100nm未満の小さな細孔径の測定は、水銀圧入法よりも窒素ガス吸着法の方がより正確に測定できるからである。一方、実施例4,8に対応した各バルク体については、水銀圧入法のみで細孔径を測定して、細孔径分布を求めた。   And about each bulk body corresponding to Example 1, 2, while measuring the pore diameter of 100 nm or more by the mercury intrusion method, the pore diameter of less than 100 nm is measured by the nitrogen gas adsorption method, and pore diameter distribution is calculated | required. It was. The reason is that the measurement of small pore diameters of less than 100 nm can be measured more accurately by the nitrogen gas adsorption method than by the mercury intrusion method. On the other hand, for each bulk body corresponding to Examples 4 and 8, the pore diameter was measured only by mercury porosimetry to obtain the pore diameter distribution.

水銀圧入法では、JIS R1655に準拠し、島津製作所製オートポアIV9510を使用して、0.5psia〜36000psiaの圧力入力により測定して、細孔径分布を求めた。また、窒素ガス吸着法では、日本ベル株式会社製高精度全自動ガス吸着装置を使用して、吸着曲線を測定することにより、細孔径分布を求めた。その結果を図10に示し、更に図10の各グラフについて積分して、細孔径の大きい側の累計割合を求めたものを図11に示す。   In the mercury intrusion method, the pore size distribution was obtained by measuring with a pressure input of 0.5 psia to 36000 psia using Shimadzu Autopore IV9510 in accordance with JIS R1655. In the nitrogen gas adsorption method, the pore diameter distribution was determined by measuring an adsorption curve using a high-precision fully automatic gas adsorption device manufactured by Nippon Bell Co., Ltd. The results are shown in FIG. 10, and further integrated for each graph of FIG. 10 to obtain the cumulative ratio on the larger pore diameter side, as shown in FIG.

実施例1に対応したバルク体(平均粒子径D=7nm)では、図11から判るように、細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=7nm以下の細孔径を有する細孔の割合が50%以上である。具体的には、図11によれば、細孔径が7nmを超える細孔の累積割合が37%であるので、細孔径が7nm以下の細孔の容積の累計割合は63%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=7nm)では、平均粒子径D=7nmの3倍(21nm)以上の細孔径を有する細孔の割合が10%以下である。具体的には、細孔径が21nm以上の細孔の容積の累積割合が2%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=7nm)では、100nm以上の細孔径を水銀圧入法で測定しているが、この水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔が、全く存在しなかった(0%)。
In the bulk body corresponding to Example 1 (average particle diameter D = 7 nm), as can be seen from FIG. 11, the proportion of pores having an average particle diameter D = 7 nm or less in the total pore volume is as follows. 50% or more. Specifically, according to FIG. 11, since the cumulative ratio of pores having a pore diameter exceeding 7 nm is 37%, the cumulative ratio of the volume of pores having a pore diameter of 7 nm or less is 63%.
Moreover, in this bulk body (average particle diameter D = 7 nm), the proportion of pores having a pore diameter three times (21 nm) or more of the average particle diameter D = 7 nm is 10% or less. Specifically, the cumulative ratio of the volume of pores having a pore diameter of 21 nm or more is 2%.
Further, in this bulk material (average particle diameter D = 7 nm), pore diameters of 100 nm or more are measured by the mercury intrusion method. However, pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by this mercury intrusion method are used. Was not present at all (0%).

実施例2に対応したバルク体(平均粒子径D=20nm)では、図11から判るように、細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=20nm以下の細孔径を有する細孔の割合が50%以上である。具体的には、図11によれば、細孔径が20nmを超える細孔の割合が約12%であるので、細孔径が20nm以下の細孔の割合は88%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=20nm)では、平均粒子径D=20nmの3倍(60nm)以上の細孔径を有する細孔の割合が10%以下である。具体的には、細孔径が60nm以上の細孔の割合が1%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=20nm)では、100nm以上の細孔径を水銀圧入法で測定しているが、この水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔が、全く存在しなかった(0%)。
In the bulk body corresponding to Example 2 (average particle diameter D = 20 nm), as can be seen from FIG. 11, the proportion of pores having a pore diameter of average particle diameter D = 20 nm or less in the total pore volume is as follows. 50% or more. Specifically, according to FIG. 11, since the ratio of pores having a pore diameter exceeding 20 nm is about 12%, the ratio of pores having a pore diameter of 20 nm or less is 88%.
Moreover, in this bulk body (average particle diameter D = 20 nm), the proportion of pores having a pore diameter three times (60 nm) or more of the average particle diameter D = 20 nm is 10% or less. Specifically, the proportion of pores having a pore diameter of 60 nm or more is 1%.
Further, in this bulk body (average particle diameter D = 20 nm), pore diameters of 100 nm or more are measured by the mercury intrusion method, but pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by this mercury intrusion method are present. Was not present at all (0%).

実施例4に対応したバルク体(平均粒子径D=300nm)では、図11から判るように、細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=300nm以下の細孔径を有する細孔の割合が50%以上である。具体的には、図11によれば、細孔径が300nmを超える細孔の割合が4%であるので、細孔径が300nm以下の細孔の割合は96%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=300nm)では、平均粒子径D=300nmの3倍(900nm)以上の細孔径を有する細孔の割合が10%以下である。具体的には、細孔径が900nm以上の細孔の割合が3%である。
In the bulk body corresponding to Example 4 (average particle diameter D = 300 nm), as can be seen from FIG. 11, the proportion of pores having an average particle diameter D = 300 nm or less in the total pore volume is as follows. 50% or more. Specifically, according to FIG. 11, since the ratio of pores having a pore diameter exceeding 300 nm is 4%, the ratio of pores having a pore diameter of 300 nm or less is 96%.
Moreover, in this bulk body (average particle diameter D = 300 nm), the ratio of the pores having a pore diameter three times (900 nm) or more of the average particle diameter D = 300 nm is 10% or less. Specifically, the proportion of pores having a pore diameter of 900 nm or more is 3%.

実施例8に対応したバルク体(平均粒子径D=150nm)では、図11から判るように、細孔全体の容積に占める、平均粒子径D=150nm以下の細孔径を有する細孔の割合が50%以上である。具体的には、図11によれば、細孔径が150nmを超える細孔の割合が1%であるので、細孔径が150nm以下の細孔の割合は99%である。
また、このバルク体(平均粒子径D=150nm)では、平均粒子径D=150nmの3倍(450nm)以上の細孔径を有する細孔の割合が10%以下である。具体的には、細孔径が450nm以上の細孔が全く存在しない(割合0%)。
また、このバルク体(平均粒子径D=150nm)では、細孔径を水銀圧入法で測定しているが、この水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔が、全く存在しなかった(0%)。
In the bulk body corresponding to Example 8 (average particle diameter D = 150 nm), as can be seen from FIG. 11, the proportion of pores having an average particle diameter D = 150 nm or less in the total pore volume is as follows. 50% or more. Specifically, according to FIG. 11, since the ratio of pores having a pore diameter exceeding 150 nm is 1%, the ratio of pores having a pore diameter of 150 nm or less is 99%.
Moreover, in this bulk body (average particle diameter D = 150 nm), the proportion of pores having a pore diameter three times (450 nm) or more of the average particle diameter D = 150 nm is 10% or less. Specifically, there are no pores having a pore diameter of 450 nm or more (ratio 0%).
Further, in this bulk material (average particle diameter D = 150 nm), the pore diameter is measured by the mercury intrusion method, but there are absolutely no pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by this mercury intrusion method. Not (0%).

次に、上記実施例2,4,8の各ガスセンサ100について、これらの保護層140の細孔の様子を表面からSEM観察した。
図12に、実施例2(平均粒子径D=20nm、酸化チタン粒子)のガスセンサ100の保護層140を表面から見たSEM画像を示す。また、図13及び図14に、図12の一部を拡大して見たSEM画像を示す。これらから、実施例2のガスセンサ100の保護層140では、観察される大きな細孔でも、開口径が高々数十nmであることが判る。更に、この保護層140の表面全体を観察しても、平均粒子径D=20nmの10倍(200nm)以上の細孔径を有する細孔は、全く観察されなかった。
Next, for each of the gas sensors 100 of Examples 2, 4, and 8, the state of the pores of these protective layers 140 was observed from the surface by SEM.
In FIG. 12, the SEM image which looked at the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 2 (average particle diameter D = 20 nm, titanium oxide particle) from the surface is shown. 13 and 14 show SEM images obtained by enlarging a part of FIG. From these, it can be seen that the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 2 has an opening diameter of several tens of nanometers at most even for the large pores observed. Further, even when the entire surface of the protective layer 140 was observed, no pores having a pore diameter of 10 times (200 nm) or more of the average particle diameter D = 20 nm were observed.

また、図15に、実施例8(平均粒子径D=150nm、酸化チタン粒子)のガスセンサ100の保護層140を表面から見たSEM画像を示す。このSEM画像から、実施例8のガスセンサ100の保護層140では、観察される大きな細孔でも、開口径が高々数百nmであることが判る。更に、この保護層140の表面全体を観察しても、平均粒子径D=150nmの10倍(1500nm)以上の細孔径を有する細孔は、全く観察されなった。   FIG. 15 shows an SEM image of the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 8 (average particle diameter D = 150 nm, titanium oxide particles) viewed from the surface. From this SEM image, it can be seen that the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 8 has an opening diameter of several hundred nm at most even for the large pores observed. Furthermore, even when the entire surface of the protective layer 140 was observed, pores having a pore diameter of 10 times (1500 nm) or more of the average particle diameter D = 150 nm were not observed at all.

また、図16に、実施例4(平均粒子径D=300nm、酸化タングステン粒子)のガスセンサ100の保護層140を表面から見たSEM画像を示す。このSEM画像から、実施例4のガスセンサ100の保護層140では、観察される大きな細孔でも、開口径が数百nm程度であることが判る。更に、この保護層140の表面全体を観察しても、平均粒子径D=300nmの10倍(3000nm)以上の細孔径を有する細孔は、全く観察されなかった。   FIG. 16 shows an SEM image of the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 4 (average particle diameter D = 300 nm, tungsten oxide particles) viewed from the surface. From this SEM image, it can be seen that the protective layer 140 of the gas sensor 100 of Example 4 has an opening diameter of about several hundred nm even for large pores observed. Further, even when the entire surface of the protective layer 140 was observed, no pores having a pore diameter 10 times (3000 nm) or more than the average particle diameter D = 300 nm were observed.

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態では、二酸化窒素などの酸化性ガスの検知に利用されるガスセンサ100を例示したが、一酸化炭素ガスなどの還元性ガスの検知に利用されるガスセンサに本発明を適用することもできる。その場合、触媒粒子133を金に代えて例えばパラジウムで形成することで、還元性ガスの検知が可能となる。
また、実施形態では、ガスセンサ100にシリコン基板101を用いたが、シリコン基板101の代わりに、例えばアルミナ基板を用いることもできる。
また、実施形態では、保護層140を形成するにあたり、酸化チタン粉末を、分散剤であるポリアクリル酸アンモニウムと共に水に分散させた所定の粘度を有するゾルを作成し、このゾルを感ガス膜131上にスピンコートした。しかし、このゾルを感ガス膜131上にディッピングし、その後に熱処理を行って保護層を形成するようにしてもよい。
In the above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof. .
For example, in the embodiment, the gas sensor 100 used for detecting an oxidizing gas such as nitrogen dioxide is illustrated, but the present invention may be applied to a gas sensor used for detecting a reducing gas such as carbon monoxide gas. it can. In that case, the reducing gas can be detected by forming the catalyst particles 133 with, for example, palladium instead of gold.
In the embodiment, the silicon substrate 101 is used for the gas sensor 100. However, for example, an alumina substrate can be used instead of the silicon substrate 101.
In the embodiment, when forming the protective layer 140, a sol having a predetermined viscosity is prepared by dispersing titanium oxide powder in water together with ammonium polyacrylate as a dispersing agent. Spin coated on top. However, the protective layer may be formed by dipping the sol on the gas sensitive film 131 and then performing heat treatment.

更に、実施形態では、スパッタ処理を行って感ガス膜131を薄膜形成した後、触媒粒子133をスパッタ処理にて感ガス膜131上に分散形成させたが、感ガス膜131の形成手法はこれに限定されない。
具体的には、例えば、酸化スズ粉末に、触媒粒子133、バインダー及び粘度調整剤を適宜混合してペーストを作成し、このペーストを表面側絶縁被膜110の絶縁層114上のうち、発熱抵抗体151及び凹部103に対応する位置に印刷し、これを焼成して感ガス膜231を厚膜形成した変形形態が挙げられる(図17参照)。このように感ガス膜231を厚膜形成したガスセンサ200は、感ガス膜231内部に触媒粒子133が分散された構成を有している。
Furthermore, in the embodiment, after the sputtering process is performed to form the gas sensitive film 131 as a thin film, the catalyst particles 133 are dispersedly formed on the gas sensitive film 131 by the sputtering process. It is not limited to.
Specifically, for example, tin oxide powder is appropriately mixed with catalyst particles 133, a binder, and a viscosity modifier to create a paste, and this paste is a heating resistor on the insulating layer 114 of the surface-side insulating coating 110. There is a modified form in which the gas sensitive film 231 is thickly formed by printing at a position corresponding to 151 and the recess 103 and firing this (see FIG. 17). Thus, the gas sensor 200 having the gas-sensitive film 231 formed thick has a configuration in which the catalyst particles 133 are dispersed inside the gas-sensitive film 231.

実施形態に係るガスセンサに関し、(a)は感ガス膜側から見た平面図であり、(b)は発熱抵抗体コンタクト部近傍の側面を見た側面図である。Regarding the gas sensor according to the embodiment, (a) is a plan view as seen from the gas sensitive film side, and (b) is a side view as seen from the side in the vicinity of the heating resistor contact portion. 実施形態に係るガスセンサのうち、感ガス膜付近の部分拡大図である。It is the elements on larger scale near a gas sensitive film among the gas sensors concerning an embodiment. 実施形態に係るガスセンサのうち、発熱抵抗体コンタクト部付近の部分拡大図である。It is the elements on larger scale near the heating resistor contact part among the gas sensors concerning an embodiment. 実施形態に係るガスセンサのうち、感ガス膜、触媒粒子及び保護層近傍の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view near a gas sensitive film, catalyst particles, and a protective layer among gas sensors concerning an embodiment. 実施例1〜4及び比較例1〜4に係るガスセンサについて、シリコン被毒に対するガス感度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gas sensitivity with respect to silicon poisoning about the gas sensor which concerns on Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4. 実施例1〜4及び比較例1〜4に係るガスセンサについて、シリコン被毒に対するガス感度変化率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gas sensitivity change rate with respect to silicon poisoning about the gas sensor which concerns on Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4. 実施例5〜7及び比較例5,6に係るガスセンサについて、シリコン被毒に対するガス感度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gas sensitivity with respect to silicon poisoning about the gas sensor which concerns on Examples 5-7 and Comparative Examples 5 and 6. FIG. 実施例5〜7及び比較例5,6に係るガスセンサについて、シリコン被毒に対するガス感度変化率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gas sensitivity change rate with respect to silicon poisoning about the gas sensor which concerns on Examples 5-7 and Comparative Examples 5 and 6. FIG. 実施例8に係るガスセンサについて、シリコン被毒に対するガス感度の変化及びガス感度変化率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gas sensitivity with respect to silicon poisoning, and the change of a gas sensitivity change rate about the gas sensor which concerns on Example 8. FIG. 保護層を構成する酸化物粒子が異なるガスセンサについて、保護層に含まれる細孔の細孔径と細孔容積との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pore diameter of the pore contained in a protective layer, and pore volume about the gas sensor from which the oxide particle which comprises a protective layer differs. 保護層を構成する酸化物粒子が異なるガスセンサについて、保護層に含まれる細孔の細孔径と累積割合との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pore diameter of the pore contained in a protective layer, and a cumulative ratio about the gas sensor from which the oxide particle which comprises a protective layer differs. 実施例2に係るガスセンサの保護層を、その表面から観察したSEM画像である。It is the SEM image which observed the protective layer of the gas sensor which concerns on Example 2 from the surface. 実施例2に係るガスセンサの保護層について、図12の一部を拡大して観察したSEM画像である。FIG. 13 is an SEM image obtained by magnifying a part of FIG. 12 for the protective layer of the gas sensor according to Example 2. FIG. 実施例2に係るガスセンサの保護層について、図12の他の一部を拡大して観察した別のSEM画像である。It is another SEM image which expanded and observed another part of FIG. 12 about the protective layer of the gas sensor which concerns on Example 2. FIG. 実施例8に係るガスセンサの保護層を、その表面から観察したSEM画像である。It is the SEM image which observed the protective layer of the gas sensor which concerns on Example 8 from the surface. 実施例4に係るガスセンサの保護層を、その表面から観察したSEM画像である。It is the SEM image which observed the protective layer of the gas sensor which concerns on Example 4 from the surface. 変形形態に係るガスセンサのうち、触媒粒子を内部に含む感ガス膜、及び、保護層の近傍の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the gas sensor film which contains a catalyst particle inside, and the vicinity of a protective layer among the gas sensors which concern on a deformation | transformation form.

100,200 ガスセンサ
101 シリコン基板
110 表面側絶縁被膜
120 裏面側絶縁被膜
131,231 感ガス膜
133 触媒粒子
140 保護層
141 酸化チタン粒子(酸化物粒子)
151 発熱抵抗体
155 電極
100, 200 Gas sensor 101 Silicon substrate 110 Front side insulating coating 120 Back side insulating coating 131, 231 Gas sensitive film 133 Catalyst particle 140 Protective layer 141 Titanium oxide particles (oxide particles)
151 Heating resistor 155 Electrode

Claims (10)

酸化物半導体からなる感ガス膜と、この感ガス膜上に形成されたガス透過性を有する保護層と、を備えるガスセンサであって、
前記保護層は、
平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されてなり、
この保護層に含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径以下の細孔径を有する細孔の割合が、50%以上とされてなる
ガスセンサ。
A gas sensor comprising a gas-sensitive film made of an oxide semiconductor, and a gas-permeable protective layer formed on the gas-sensitive film,
The protective layer is
Ri Na average particle size is composed of the following oxide particles 500 nm,
A gas sensor , wherein a ratio of pores having a pore diameter equal to or smaller than the average particle diameter to a total volume of pores included in the protective layer is 50% or more .
請求項1に記載のガスセンサであって、The gas sensor according to claim 1,
前記保護層は、  The protective layer is
これに含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径の3倍以上の細孔径を有する細孔の割合が、10%以下(0%を含む)とされてなる    The ratio of the pores having a pore diameter of 3 times or more of the average particle diameter in the total volume of the pores contained therein is 10% or less (including 0%).
ガスセンサ。Gas sensor.
酸化物半導体からなる感ガス膜と、この感ガス膜上に形成されたガス透過性を有する保護層と、を備えるガスセンサであって、A gas sensor comprising a gas-sensitive film made of an oxide semiconductor, and a gas-permeable protective layer formed on the gas-sensitive film,
前記保護層は、  The protective layer is
平均粒子径が500nm以下の酸化物粒子から構成されてなり、    It is composed of oxide particles having an average particle size of 500 nm or less,
この保護層に含まれる細孔全体の容積に占める、前記平均粒子径の3倍以上の細孔径を有する細孔の割合が、10%以下(0%を含む)とされてなる    The proportion of pores having a pore diameter of 3 times or more of the average particle diameter in the total pore volume contained in the protective layer is 10% or less (including 0%).
ガスセンサ。Gas sensor.
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のガスセンサであって、
前記保護層は、
前記平均粒子径をD(nm)、前記保護層の厚みをTH(nm)としたとき、
20≦TH/D≦500とされてなる
ガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
The protective layer is
When the average particle diameter is D (nm) and the thickness of the protective layer is TH (nm),
A gas sensor in which 20 ≦ TH / D ≦ 500.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のガスセンサであって、
前記感ガス膜上に分散された触媒粒子を備え、
前記保護層は、前記感ガス膜及び触媒粒子上に形成されてなる
ガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 4 , wherein:
Comprising catalyst particles dispersed on the gas sensitive membrane;
The protective layer is a gas sensor formed on the gas-sensitive film and catalyst particles.
請求項5に記載のガスセンサであって、
前記保護層は、
前記触媒粒子が露出しない膜厚を有してなる
ガスセンサ。
The gas sensor according to claim 5 ,
The protective layer is
A gas sensor having a film thickness at which the catalyst particles are not exposed.
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記保護層は、
これに含まれる細孔全体の容積に占める、水銀圧入法で測定したときの細孔径が200nm以上となる細孔の割合が、5%以下(0%を含む)とされてなる
ガスセンサ。
It is a gas sensor as described in any one of Claims 1-6, Comprising:
The protective layer is
A gas sensor in which a ratio of pores having a pore diameter of 200 nm or more when measured by a mercury intrusion method is 5% or less (including 0%) in the volume of the entire pores contained therein.
請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記保護層は、
その表面から見たときに、前記平均粒子径の10倍以上の開口径を有する細孔が観察されない形態とされてなる
ガスセンサ。
It is a gas sensor as described in any one of Claims 1-7,
The protective layer is
A gas sensor in which pores having an opening diameter of 10 times or more of the average particle diameter are not observed when viewed from the surface.
請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記保護層は、
前記感ガス膜上に前記酸化物粒子を堆積させ、前記酸化物粒子同士が焼結しない温度範囲で熱処理させてなる
ガスセンサ。
It is a gas sensor as described in any one of Claims 1-8, Comprising:
The protective layer is
A gas sensor obtained by depositing the oxide particles on the gas-sensitive film and performing a heat treatment in a temperature range in which the oxide particles do not sinter.
請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記酸化物粒子として酸化チタン粒子を用いてなる
ガスセンサ。
It is a gas sensor as described in any one of Claims 1-9, Comprising:
A gas sensor using titanium oxide particles as the oxide particles.
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