JP5010541B2 - Substrate type gas sensing element and method for producing constituent particles of gas sensitive layer - Google Patents
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Description
本発明は、一対の検出電極を設けてなる絶縁基板上に、金属酸化物半導体を主成分とするガス感応層を前記検出電極を覆って設けた基板型ガス検知素子、および、当該ガス感応層の構成粒子の製造方法に関する。 The present invention provides a substrate-type gas detection element in which a gas sensitive layer mainly composed of a metal oxide semiconductor is provided on an insulating substrate provided with a pair of detection electrodes so as to cover the detection electrode, and the gas sensitive layer The present invention relates to a method for producing the constituent particles.
従来、基板型半導体式ガス検知素子は、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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a substrate type semiconductor gas sensing element has a pair of sensing electrodes deposited on an alumina substrate, which is an insulating substrate, for example, 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.
例えば、特許文献1には、ガス感応層を、コア粒子と、当該コア粒子の表面を覆う金属酸化物の微粒子層とからなる構成粒子が集合したポーラス構造に形成してある基板型ガス検知素子が記載してある。
コア粒子はアルミナ粉体・シリカ粉体等の絶縁粒子、微粒子層は酸化スズ・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を使用している。
For example,
The core particles use insulating particles such as alumina powder and silica powder, and the fine particle layer uses fine particles such as tin oxide, tungsten oxide, indium oxide, zinc oxide, and composite metal oxide.
コア粒子の平均粒子径は、例えば数十nm〜数μm程度である。
微粒子層は、液相析出(LPD)法によりコア粒子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)程度であり、このとき、コア粒子を覆う微粒子層の膜厚は数十〜数百nm(例えば50〜800nm)程度となっている。
The average particle diameter of the core particles is, for example, about several tens of nm to several μm.
The fine particle layer is obtained by precipitating metal oxide fine particles on the surface of the core particle by a liquid phase precipitation (LPD) method. When the metal oxide fine particles are tin oxide, the average particle diameter of the fine particles is about several to several tens of nm (for example, 5 to 20 nm). At this time, the film thickness of the fine particle layer covering the core particles is several tens to several It is about 100 nm (for example, 50 to 800 nm).
引例1におけるガス感応層の構成粒子は、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。
Since the constituent particles of the gas-sensitive layer in
引例1の基板型ガス検知素子は良好な応答性を有するが、設置場所などの条件により、
さらに良好なガス感度と応答速度が必要となる場合がある。さらに、ガス検知素子は、湿度依存性の小さいことが望まれる。
従って、本発明の目的は、応答特性に優れたガス感応層を有する基板型ガス検知素子、および、当該ガス感応層の構成粒子の製造方法を提供することにある。
The substrate type gas detection element of
In addition, good gas sensitivity and response speed may be required. Furthermore, it is desired that the gas detection element has a small humidity dependency.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a substrate type gas detection element having a gas sensitive layer having excellent response characteristics, and a method for producing the constituent particles of the gas sensitive layer.
上記目的を達成するための本発明の第一特徴構成は、一対の検出電極を設けてなる絶縁基板上に、金属酸化物半導体を主成分とするガス感応層を前記検出電極を覆って設けた基板型ガス検知素子であって、前記ガス感応層は、酸化チタニウムを主成分とするコア粒子、および、当該コア粒子の外側に酸化スズを主成分とする微粒子層を備えた構成粒子によって形成した点にある。 In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that a gas sensitive layer mainly composed of a metal oxide semiconductor is provided on an insulating substrate provided with a pair of detection electrodes so as to cover the detection electrodes. In the substrate-type gas detection element, the gas sensitive layer is formed of core particles mainly composed of titanium oxide, and constituent particles including a fine particle layer mainly composed of tin oxide outside the core particles. In the point.
本構成では、構成粒子であるコア粒子の主成分を酸化チタニウム、微粒子層の材質の主成分を酸化スズとした。酸化チタニウムの抵抗値は酸化スズよりはるかに高い。
ガス感応層の膜材料にこのような構成粒子を使用すると、検出電極間に流れる電流は、微粒子層を伝わる。そのため、基板型半導体式ガス検知素子の電気抵抗は微粒子層によって決定される。
後述の実施例に示したように、本構成の基板型ガス検知素子であれば、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、さらに例えばガス感応層に酸化スズ粉体を使用した従来の基板型半導体式ガス検知素子に比べて湿度変化に対して安定した特性を有する。
In this configuration, the main component of the core particle that is the constituent particle is titanium oxide, and the main component of the material of the fine particle layer is tin oxide. The resistance of titanium oxide is much higher than that of tin oxide.
When such constituent particles are used as the film material of the gas sensitive layer, the current flowing between the detection electrodes is transmitted through the fine particle layer. Therefore, the electrical resistance of the substrate type semiconductor gas detection element is determined by the fine particle layer.
As shown in the examples described later, the substrate type gas sensing element of this configuration has a very fast response speed and high gas sensitivity with respect to the gas to be detected. Further, for example, tin oxide is formed on the gas sensitive layer. Compared to conventional substrate type semiconductor gas sensing elements using powder, it has stable characteristics against humidity changes.
本発明の第二特徴構成は、上記基板型ガス検知素子において、前記微粒子層の厚さを1〜5nmとした点にある。 The second characteristic configuration of the present invention is that the thickness of the fine particle layer is 1 to 5 nm in the substrate-type gas detection element.
ガス感応層を形成する構成粒子の粒径、厚さなどのパラメータを制御することで、所望のガス感度と応答速度を得ることができる。本構成では、微粒子層の厚さを制御する。
本構成のように、微粒子層の厚さを1〜5nmと超薄膜にすれば、コーティングした微粒子層の粒子径は極めて小さくなるため高活性となる。従って、本構成のように超薄膜の微粒子層を有する構成粒子を使用して構成したガス感応層により、良好なガス拡散性および高感度な特性を有するガス検知素子とすることができる。よって、当該本発明の基板型ガス検知素子は良好な応答特性を有する。
微粒子層の厚さが1〜5nmである超薄膜状態では、粒子間のネック部(粒界)の伝導電子の伝道経路は殆ど閉ざされ、伝導電子の移動はポテンシャルエネルギーが高い空間電荷層を経由することとなり、空気中のガス検知素子の抵抗は高くなる。このような状態で表面吸着酸素が被検知ガスによって消費されると空間電荷層が減少し、前記ネック部の伝道経路が開いてガス検知素子の抵抗が激しく変化する。従って、本構成は高感度化する。
The desired gas sensitivity and response speed can be obtained by controlling parameters such as the particle diameter and thickness of the constituent particles forming the gas sensitive layer. In this configuration, the thickness of the fine particle layer is controlled.
If the thickness of the fine particle layer is 1 to 5 nm as in this configuration, the particle size of the coated fine particle layer becomes extremely small, so that the activity becomes high. Therefore, a gas sensing element having good gas diffusivity and high sensitivity can be obtained by the gas sensitive layer constituted by using the constituent particles having the ultra-thin particle layer as in the present configuration. Therefore, the substrate type gas detecting element of the present invention has a good response characteristic.
In the ultra-thin film state in which the thickness of the fine particle layer is 1 to 5 nm, the conduction path of conduction electrons at the neck part (grain boundary) between particles is almost closed, and the movement of conduction electrons passes through the space charge layer with high potential energy. As a result, the resistance of the gas detection element in the air increases. When surface adsorbed oxygen is consumed by the gas to be detected in such a state, the space charge layer is reduced, the transmission path of the neck portion is opened, and the resistance of the gas detection element changes drastically. Therefore, this configuration is highly sensitive.
さらに、微粒子層の厚さが1〜5nmである超薄膜状態では、構成粒子において、酸化チタンと酸化スズの界面附近で焼成時に金属元素の熱拡散が起こり、その結果、材料の感ガス特性が従来の酸化スズ材料と異なり、従来の酸化スズによるセンサより湿度の影響が小さくなる。 Furthermore, in the ultra-thin film state in which the thickness of the fine particle layer is 1 to 5 nm, the thermal diffusion of the metal element occurs at the time of firing in the vicinity of the interface between titanium oxide and tin oxide in the constituent particles. Unlike conventional tin oxide materials, the effect of humidity is less than that of conventional tin oxide sensors.
本発明の第三特徴構成は、上記基板型ガス検知素子において、前記構成粒子の表面にパラジウムを添加した点にある。 A third characteristic configuration of the present invention is that, in the substrate-type gas detection element, palladium is added to the surface of the constituent particles.
本構成のように、パラジウムを構成粒子の表面に添加することにより、さらに材料の酸化活性を高めて基板型ガス検知素子の感度を向上させることができる。また、検知対象ガスより容易に酸化される水素、エタノールなどの妨害ガスをガス感応層の表面で反応・除去して、基板型ガス検知素子のガス選択性を向上させることができる。 As in this configuration, by adding palladium to the surface of the constituent particles, the oxidation activity of the material can be further increased and the sensitivity of the substrate type gas detection element can be improved. Further, the gas selectivity of the substrate type gas detection element can be improved by reacting and removing interfering gases such as hydrogen and ethanol that are easily oxidized from the detection target gas on the surface of the gas sensitive layer.
本発明の第四特徴構成は、上記基板型ガス検知素子において、前記微粒子層にアンチモンを添加した点にある。 The fourth characteristic configuration of the present invention is that, in the substrate type gas detection element, antimony is added to the fine particle layer.
前記微粒子層の酸化スズは超薄膜状態となっており、このような微粒子を有するガス感応層の電気抵抗は非常に高くなる場合がある。そのため、本構成では、微粒子層にアンチモンを添加することによって、ガス感応層の電気伝導度を高めることができる。 The tin oxide in the fine particle layer is in an ultrathin state, and the electric resistance of the gas sensitive layer having such fine particles may be very high. Therefore, in this configuration, the electrical conductivity of the gas sensitive layer can be increased by adding antimony to the fine particle layer.
本発明の第五特徴構成は、ガス感応層の構成粒子の製造方法であって、反応母液であるフッ化スズ酸錯体溶液に酸化チタンを添加して分散させる第一分散工程と、ホウ酸水溶液を加えて析出反応を開始させる反応開始工程と、溶液の温度を室温に維持して溶液を攪拌しながら12〜24時間のあいだ析出反応を持続させる析出工程と、前記析出工程により形成された構成粒子を遠心分離する第一遠心分離工程と、当該遠心分離された構成粒子を洗浄する洗浄工程と、当該洗浄された構成粒子を減圧して乾燥する乾燥工程と、乾燥した構成粒子を500〜750℃で1〜3時間焼成する焼成工程と、を行う点にある。 The fifth characteristic configuration of the present invention is a method for producing the constituent particles of the gas sensitive layer, the first dispersion step of adding titanium oxide to the fluorostannic acid complex solution, which is the reaction mother liquor, and dispersing the boric acid aqueous solution A reaction initiation step for starting the precipitation reaction by adding a solution, a precipitation step for maintaining the temperature of the solution at room temperature and stirring the solution for 12 to 24 hours, and a structure formed by the precipitation step A first centrifugation step of centrifuging the particles, a washing step of washing the centrifuged constituent particles, a drying step of drying the washed constituent particles under reduced pressure, and the dried constituent particles from 500 to 750 And a firing step of firing at 1 ° C. for 1 to 3 hours.
本構成によれば、コア粒子の主成分を酸化チタニウム、微粒子層の主成分を酸化スズをとした構成粒子を作製することができる。
析出工程の時間、焼成工程の温度および時間を本構成のように制御することで、当該構成粒子の微粒子膜の膜厚を所望の厚さに形成できる。このような構成粒子を使用することで、例えば所望の応答特性・耐湿度特性を有するガス感応層を備えた基板型ガス検知素子を形成することができる。
According to this configuration, it is possible to produce a constituent particle in which the main component of the core particle is titanium oxide and the main component of the fine particle layer is tin oxide.
By controlling the time of the precipitation process and the temperature and time of the firing process as in the present configuration, the film thickness of the fine particle film of the constituent particles can be formed to a desired thickness. By using such constituent particles, for example, it is possible to form a substrate type gas detection element including a gas sensitive layer having desired response characteristics and humidity resistance characteristics.
本発明の第六特徴構成は、上記ガス感応層の構成粒子の製造方法において、前記洗浄工程および前記乾燥工程の間に、洗浄した構成粒子を、塩化パラジウム水溶液中に分散させる第二分散工程と、前記第二分散工程の後、形成された構成粒子を遠心分離する第二遠心分離工程とを行う点にある。 A sixth characteristic configuration of the present invention includes a second dispersion step of dispersing the cleaned constituent particles in an aqueous palladium chloride solution between the washing step and the drying step in the method for producing the constituent particles of the gas sensitive layer. Then, after the second dispersion step, a second centrifugation step of centrifuging the formed constituent particles is performed.
本構成によれば、表面にパラジウムを添加した構成粒子を形成することができる。パラジウムを表面に添加した構成粒子を使用したガス感応層を備えた基板型ガス検知素子を形成すると、さらに材料の酸化活性が高まり、ガス感度およびガス選択性を向上させることができる。 According to this structure, the structure particle which added palladium to the surface can be formed. When a substrate type gas detection element having a gas sensitive layer using constituent particles in which palladium is added to the surface is formed, the oxidation activity of the material is further increased, and the gas sensitivity and gas selectivity can be improved.
本発明の第七特徴構成は、上記ガス感応層の構成粒子の製造方法において、前記反応母液にフッ化アンチモン酸溶液を混合した点にある。 The seventh characteristic configuration of the present invention is that, in the method for producing the constituent particles of the gas sensitive layer, an antimonic acid fluoride solution is mixed with the reaction mother liquor.
本構成によれば、微粒子層にアンチモンを添加することができる。アンチモンを添加した微粒子層を有する構成粒子を使用したガス感応層を備えた基板型ガス検知素子を形成すると、ガス感応層の電気伝導度を高めることができる。 According to this configuration, antimony can be added to the fine particle layer. When the substrate type gas sensing element having the gas sensitive layer using the constituent particles having the fine particle layer to which antimony is added is formed, the electric conductivity of the gas sensitive layer can be increased.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1〜3に示したように、本発明の基板型ガス検知素子10は、一対の検出電極11,12を設けてなるアルミナ基板等の絶縁基板13上に、金属酸化物半導体を主成分とするガス感応層14を検出電極11,12を覆って設けてある。ガス感応層14は、酸化チタニウムを主成分とするコア粒子p1、および、当該コア粒子p1の外側に酸化スズを主成分とする微粒子層p2を備えた構成粒子Pによって形成してある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 to 3, the substrate type
酸化チタニウムの抵抗値は酸化スズよりはるかに高い。
ガス感応層の膜材料にこのような構成粒子を使用すると、検出電極間に流れる電流は、微粒子層を伝わる。そのため、基板型半導体式ガス検知素子の電気抵抗は微粒子層によって決定される。
The resistance of titanium oxide is much higher than that of tin oxide.
When such constituent particles are used as the film material of the gas sensitive layer, the current flowing between the detection electrodes is transmitted through the fine particle layer. Therefore, the electrical resistance of the substrate type semiconductor gas detection element is determined by the fine particle layer.
微粒子層p2の厚さは1〜5nmとしてある。
本構成のように、微粒子層p2の厚さを1〜5nmと超薄膜にすれば、コーティングした微粒子層p2の粒子径は極めて小さく(<微粒子層p2の厚さ)、高活性となる。従って、本構成のように超薄膜の微粒子層p2を有する構成粒子Pを使用して構成したガス感応層14により、良好なガス拡散性および高感度な特性を有するガス検知素子とすることができる。よって、当該本発明の基板型ガス検知素子10は良好な応答特性を有する。
さらに、構成粒子Pにおいて、酸化チタンと酸化スズの界面附近で焼成時に金属元素の熱拡散が起こり、その結果、材料の感ガス特性が従来の酸化スズ材料と異なり、従来の酸化スズによるセンサより湿度の影響が小さくなる。
微粒子層p2の厚さが1〜5nmとなっている範囲は、構成粒子Pの全表面に亘っている場合、或いは、構成粒子Pの全表面の一部だけの場合の何れであってもよい。
The fine particle layer p2 has a thickness of 1 to 5 nm.
If the thickness of the fine particle layer p2 is 1-5 nm as in this configuration, the particle diameter of the coated fine particle layer p2 is extremely small (<thickness of the fine particle layer p2) and becomes highly active. Therefore, the gas
Further, in the constituent particles P, thermal diffusion of the metal element occurs near the interface between titanium oxide and tin oxide during firing, and as a result, the gas sensitivity characteristics of the material differ from those of conventional tin oxide materials. The effect of humidity is reduced.
The range in which the thickness of the fine particle layer p <b> 2 is 1 to 5 nm may be in the case where it covers the entire surface of the constituent particle P or only a part of the entire surface of the constituent particle P. .
構成粒子Pの表面にはパラジウムが添加してある。
パラジウムを構成粒子Pの表面に添加することにより、さらに材料の酸化活性を高めて基板型ガス検知素子10の感度を向上させることができる。また、検知対象ガスより容易に酸化される水素、エタノールなどの妨害ガスをガス感応層14の表面で反応・除去して、基板型ガス検知素子10のガス選択性を向上させることができる。
パラジウムは超微粒子状態で構成粒子Pの表面に固定化されている。
Palladium is added to the surface of the constituent particles P.
By adding palladium to the surface of the constituent particles P, the oxidation activity of the material can be further increased and the sensitivity of the substrate-type
Palladium is immobilized on the surface of the constituent particle P in an ultrafine particle state.
また、微粒子層p2にはアンチモンを添加してある。
微粒子層p2の酸化スズは超薄膜状態となっており、このような微粒子を有するガス感応層14の電気抵抗は非常に高くなる場合がある。そのため、本構成では、微粒子層p2にアンチモンを添加することによって、ガス感応層14の電気伝導度を高めることができる。
Antimony is added to the fine particle layer p2.
Tin oxide in the fine particle layer p2 is in an ultra-thin state, and the electric resistance of the gas
尚、絶縁基板13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15が設けてある。
A platinum
<ガス感応層の構成粒子の製造方法>
ガス感応層14における構成粒子Pは、液相析出(LPD)法により、コアとなる酸化チタニウム(TiO2)のコア粒子p1の表面に、酸化スズ(SnO2)を主成分とする微粒子層p2を析出して形成される。
<Method for producing gas-sensitive layer constituent particles>
The constituent particles P in the gas
図4に、本発明のガス感応層14の構成粒子Pの製造方法を示す。
即ち、反応母液であるフッ化スズ酸錯体溶液に酸化チタンを添加して分散させる第一分散工程Aと、ホウ酸水溶液を加えて析出反応を開始させる反応開始工程Bと、溶液の温度を室温に維持して溶液を攪拌しながら12〜24時間のあいだ析出反応を持続させる析出工程Cと、当該析出工程Cにより形成された構成粒子を遠心分離する第一遠心分離工程Dと、当該遠心分離された構成粒子を洗浄する洗浄工程Eと、当該洗浄された構成粒子を減圧して乾燥する乾燥工程Hと、乾燥した構成粒子を500〜750℃で1〜3時間焼成する焼成工程Iと、を行う。
In FIG. 4, the manufacturing method of the constituent particle P of the gas
That is, a first dispersion step A in which titanium oxide is added to and dispersed in a fluorostannic acid complex solution that is a reaction mother liquor, a reaction initiation step B in which a boric acid aqueous solution is added to start a precipitation reaction, and the temperature of the solution is set to room temperature. A precipitation step C for maintaining the precipitation reaction for 12 to 24 hours while stirring the solution, a first centrifugation step D for centrifuging the constituent particles formed by the precipitation step C, and the centrifugation Washing step E for washing the structured particles, drying step H for drying the washed component particles under reduced pressure, and firing step I for firing the dried component particles at 500 to 750 ° C. for 1 to 3 hours, I do.
好ましくは、前記洗浄工程Eおよび前記乾燥工程Hの間に、洗浄した構成粒子を、塩化パラジウム水溶液中に分散させる第二分散工程Fと、当該第二分散工程の後、形成された構成粒子を遠心分離する第二遠心分離工程Gと、を行う。 Preferably, between the washing step E and the drying step H, a second dispersion step F in which the washed constituent particles are dispersed in an aqueous palladium chloride solution, and the constituent particles formed after the second dispersion step are And a second centrifugation step G of centrifuging.
(第一分散工程)
反応母液(フッ化スズ酸錯体溶液)は、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たものである。フッ化スズ酸錯体溶液中のスズの濃度は、例えば0.01〜0.3mol/Lとする。
当該反応母液には、フッ化アンチモン酸溶液を混合しておいてもよい。フッ化アンチモン(HSbF6)酸溶液の濃度は、例えば、析出物のアンチモン含有比(Sb/Sn)が0.01〜0.3となるように調整する。
酸化チタンは、平均粒子径φ30〜40nm程度の微粒子を使用する。
第一分散工程Aでは、酸化チタン超微粒子粉体を反応母液に加えて攪拌し、超音波振動器にて均一に分散させる。
(First dispersion process)
The reaction mother liquor (fluorinated stannic acid complex solution) is obtained by dissolving stannous fluoride in ion-exchanged water and dissolving a tin oxide precipitate obtained by oxidation in a hydrofluoric acid solution. The concentration of tin in the fluorostannic acid complex solution is, for example, 0.01 to 0.3 mol / L.
The reaction mother liquor may be mixed with a fluorinated antimonic acid solution. The concentration of the antimony fluoride (HSbF 6 ) acid solution is adjusted, for example, so that the antimony content ratio (Sb / Sn) of the precipitate is 0.01 to 0.3.
Titanium oxide uses fine particles having an average particle diameter of about 30 to 40 nm.
In the first dispersion step A, the titanium oxide ultrafine particle powder is added to the reaction mother liquor and stirred, and uniformly dispersed with an ultrasonic vibrator.
(反応開始工程)
ホウ酸水溶液は反応開始剤である。ホウ酸水溶液の濃度は、例えば0.4〜0.6mol/Lとする。反応開始工程Bは、当該ホウ酸水溶液を、第一分散工程Aで作成した(分散)溶液に添加し、析出反応を開始させる。
(Reaction start process)
An aqueous boric acid solution is a reaction initiator. The concentration of the boric acid aqueous solution is, for example, 0.4 to 0.6 mol / L. In the reaction start step B, the boric acid aqueous solution is added to the (dispersion) solution prepared in the first dispersion step A to start the precipitation reaction.
(析出工程)
析出工程Cは、反応開始工程Bで反応を開始させた溶液を室温に維持するため、例えば恒温槽などの中で行なう。このとき、コア粒子p1および構成粒子Pが沈殿しないように、スターラー等の攪拌手段によって攪拌しながら、或いは、反応容器を完全に密封した状態で転倒混和させながら、12〜24時間のあいだ、析出反応を持続させる。析出時間は、所望の微粒子層p2の膜厚が得られる時間を設定する。反応母液の濃度および析出時間は、膜厚を決定する重要なパラメータとなる。本発明のガス感応層14の構成粒子Pの製造方法では、当該微粒子層p2の膜厚を、1〜5nmに制御することが可能である。
(Precipitation process)
The precipitation step C is performed, for example, in a thermostatic bath or the like in order to maintain the solution whose reaction has been started in the reaction start step B at room temperature. At this time, in order to prevent the core particles p1 and the constituent particles P from precipitating, precipitation is performed for 12 to 24 hours while stirring with a stirring means such as a stirrer or by inversion mixing while the reaction vessel is completely sealed. Sustain reaction. The deposition time is set so that a desired film thickness of the fine particle layer p2 can be obtained. The concentration of the reaction mother liquor and the deposition time are important parameters for determining the film thickness. In the method for producing the constituent particles P of the gas
(第一遠心分離工程)
第一遠心分離工程Dは、析出工程Cが終了した反応液から構成粒子Pを遠心分離機によって分離する。遠心分離の条件は、例えば2000〜2500rpm、5〜10分とする。
(First centrifugation step)
In the first centrifugation step D, the constituent particles P are separated from the reaction liquid after the precipitation step C by a centrifuge. The conditions for centrifugation are, for example, 2000-2500 rpm, 5-10 minutes.
(洗浄工程)
洗浄工程Eでは、第一遠心分離工程Dで分離された構成粒子Pを、イオン交換水で洗浄する。適量のイオン交換水に当該構成粒子Pを加え、遠心分離機にて水と構成粒子Pとを分離する。遠心分離の条件は第一遠心分離工程Dと同様に行う。この洗浄操作を複数回行なう。
(Washing process)
In the washing step E, the constituent particles P separated in the first centrifugal separation step D are washed with ion exchange water. The constituent particles P are added to an appropriate amount of ion-exchanged water, and the water and the constituent particles P are separated by a centrifuge. The centrifugation conditions are the same as in the first centrifugation step D. This washing operation is performed a plurality of times.
(第二分散工程)
第二分散工程Fは、洗浄工程Eによって洗浄した微粒子を、塩化パラジウム(PdCl2)水溶液中に分散させる。塩化パラジウム水溶液の濃度は、例えば0.01〜0.1重量%とする。
(Second dispersion step)
In the second dispersion step F, the fine particles washed in the washing step E are dispersed in a palladium chloride (PdCl 2 ) aqueous solution. The density | concentration of palladium chloride aqueous solution shall be 0.01 to 0.1 weight%, for example.
(第二遠心分離工程)
第二遠心分離工程Gは、第二分散工程Fで得た分散溶液から微粒子を遠心分離機によって分離する。遠心分離の条件は第一遠心分離工程Dと同様に行う。
(Second centrifugation step)
In the second centrifugation step G, the fine particles are separated from the dispersion solution obtained in the second dispersion step F by a centrifuge. The centrifugation conditions are the same as in the first centrifugation step D.
(乾燥工程)
乾燥工程Hは、上記処理によって得られた微粒子を、減圧して乾燥する。減圧条件は、例えば、25〜50℃、300hPa以下とする。
(Drying process)
In the drying step H, the fine particles obtained by the above treatment are dried under reduced pressure. The decompression conditions are, for example, 25 to 50 ° C. and 300 hPa or less.
(焼成工程)
焼成工程Iは、乾燥した構成粒子Pを500〜750℃で1〜3時間焼成する。焼成後、粉砕して得られた構成粒子Pをガス感応層の構成材料とする。
(Baking process)
In the firing step I, the dried constituent particles P are fired at 500 to 750 ° C. for 1 to 3 hours. The constituent particles P obtained by pulverization after firing are used as the constituent material of the gas sensitive layer.
析出工程の時間、焼成工程の温度および時間を本構成のように制御することで、構成粒子の微粒子膜の膜厚を所望の厚さに形成できる。よって、このような構成粒子を使用することで、所望の応答特性・耐湿度特性を有するガス感応層を備えた基板型ガス検知素子を形成することができる。 The film thickness of the fine particle film of the constituent particles can be formed to a desired thickness by controlling the time of the precipitation process and the temperature and time of the firing process as in this configuration. Therefore, by using such constituent particles, it is possible to form a substrate type gas detection element having a gas sensitive layer having desired response characteristics and humidity resistance characteristics.
LPD法によって、酸化スズを主成分とする微粒子層p2を、酸化チタニウムを主成分とするコア粒子p1上に析出して得た構成粒子Pで検知素子のガス感応層14を作製し、メタン等の可燃性を検知する基板型ガス検知素子10を作製した。以下、その実施例を説明する。
The gas
第一フッ化スズ(SnF2)を過酸化水素と反応させて低結晶性の酸化スズを合成した。この酸化スズ0.56gを1.6%のフッ化水素酸水溶液40mLに溶解させ、イオン交換水で全量120mLとなるように調整して反応母液(フッ化スズ酸錯体溶液:0.125mol/L)を作製した。
平均粒子径φが36nmの酸化チタニウム微粒子0.1gを上記反応母液に加えて攪拌し、超音波振動器によって反応母液中に均一に分散させた(第一分散工程A)。
Low crystalline tin oxide was synthesized by reacting stannous fluoride (SnF2) with hydrogen peroxide. 0.56 g of this tin oxide was dissolved in 40 mL of a 1.6% hydrofluoric acid aqueous solution and adjusted to a total volume of 120 mL with ion-exchanged water to prepare a reaction mother liquor (fluorinated stannic acid complex solution: 0.125 mol / L). ) Was produced.
0.1 g of titanium oxide fine particles having an average particle diameter φ of 36 nm was added to the reaction mother liquor and stirred, and uniformly dispersed in the reaction mother liquor with an ultrasonic vibrator (first dispersion step A).
第一分散工程Aで作成した分散溶液に、反応開始剤である0.5mol/Lのホウ酸水溶液80mLを添加した(反応開始工程B)。 To the dispersion solution prepared in the first dispersion step A, 80 mL of a 0.5 mol / L boric acid aqueous solution as a reaction initiator was added (reaction start step B).
析出反応は、恒温槽の内部で、溶液の温度を30℃に維持して行なった。析出反応はスターラーによって攪拌しながら24時間持続させた(析出工程C)。 The precipitation reaction was carried out while maintaining the temperature of the solution at 30 ° C. inside the thermostat. The precipitation reaction was continued for 24 hours while stirring with a stirrer (precipitation step C).
析出反応が終了した後、遠心分離機によって反応母液から酸化チタニウムコアに酸化スズが析出した構成粒子Pを分離した(第一遠心分離工程D)。遠心分離は2500rpmで5分間行なった。 After the precipitation reaction was completed, the constituent particles P in which tin oxide was precipitated on the titanium oxide core were separated from the reaction mother liquor by a centrifuge (first centrifugal separation step D). Centrifugation was performed at 2500 rpm for 5 minutes.
遠心分離した構成粒子Pをイオン交換水で洗浄した(洗浄工程E)。適量のイオン交換水に微粒子を加え、遠心分離機にて水と構成粒子Pとを分離する操作を、6回繰り返した。 The centrifuged constituent particles P were washed with ion exchange water (washing step E). The operation of adding fine particles to an appropriate amount of ion-exchanged water and separating the water and the constituent particles P with a centrifuge was repeated 6 times.
洗浄した構成粒子Pを、0.055mol/Lの塩化パラジウム水溶液中に分散させた(第二分散工程F)。第二分散工程Fで作成した分散溶液から構成粒子Pを遠心分離した(第二遠心分離工程G)。分離した構成粒子Pを減圧乾燥させ(乾燥工程H)、500℃で焼いた後、粉砕してガス感応層の構成材料Pを得た。 The washed constituent particles P were dispersed in a 0.055 mol / L palladium chloride aqueous solution (second dispersion step F). The constituent particles P were centrifuged from the dispersion solution prepared in the second dispersion step F (second centrifugation step G). The separated constituent particles P were dried under reduced pressure (drying step H), baked at 500 ° C., and then pulverized to obtain the constituent material P of the gas sensitive layer.
得られた構成粒子Pにエチレングリコールを添加してペースト状とし、櫛型電極11,12が設けてあるアルミナ絶縁基板13に塗布し、750℃で2時間焼成し(焼成工程I)、基板型ガス検知素子10を作製した。
このとき作製されたガス感応層14の厚さは55μmである。このように、ガス感応層14の厚さを厚膜センサと同等にすることで、良好な長期安定性と耐被毒性を持つことができる。
Ethylene glycol is added to the obtained constituent particles P to form a paste, which is applied to an
The thickness of the gas
ガス検知素子の動作温度を例えば550℃のように高温に設定すれば、酸化活性を向上した可燃性ガス検知素子とすることができる。一方、ガス検知素子の動作温度を例えば300℃以下に設定すれば、応答速度の速いCO検知素子とすることができる。 If the operating temperature of the gas detection element is set to a high temperature such as 550 ° C., for example, a combustible gas detection element with improved oxidation activity can be obtained. On the other hand, if the operating temperature of the gas detection element is set to 300 ° C. or lower, for example, a CO detection element with a fast response speed can be obtained.
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、被検知ガスであるメタン、妨害ガスである水素およびエタノールを検知したときの感度特性を調べた。結果を図5に示した。
この結果、メタンに対する感度は、妨害ガスである水素およびエタノールに対する何れの感度よりも優れていることが判明した。
尚、メタンについては、さらに高濃度の場合における感度特性を調べた。メタン濃度は0〜10000ppmまで設定した。結果を図6に示した。
Using the substrate-type semiconductor
As a result, it was found that the sensitivity to methane is superior to any sensitivity to hydrogen and ethanol which are interfering gases.
For methane, the sensitivity characteristics at higher concentrations were investigated. The methane concentration was set to 0 to 10,000 ppm. The results are shown in FIG.
この結果、10000ppmもの高濃度のメタンについても問題なく検知できるため、本発明の基板型ガス検知素子は実用においても好適に使用することができるものと認められた。 As a result, methane at a high concentration of 10000 ppm can be detected without any problem, and it was recognized that the substrate type gas detection element of the present invention can be suitably used even in practical use.
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、被検知ガスであるメタンに対する応答特性を調べた。結果を図7に示した。基板型半導体式ガス検知素子10の起動後、約100秒毎にガスを注入して測定した。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。90%のフル応答時間は3秒以下で非常に早い応答を示した。
これより、本発明の基板型ガス検知素子は、ガス感応膜14が厚膜(55μm)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。
Using the substrate-type semiconductor
As a result, the substrate type gas detection element of the present invention has a very fast response speed and high gas sensitivity to the gas to be detected even though the gas
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、湿度特性を調べた。結果を図8に示した。
図8には、測定チャンバー(20L)内の湿度を、RH40%からドライエアで完全ドライ雰囲気になるまで置換した時のセンサのベース抵抗の変化を示している(置換速度3.3L/min)。実線はガス感応層14に構成粒子Pを使用した本願発明の基板型半導体式ガス検知素子10のベース抵抗を示し、破線はガス感応層に酸化スズ粉体を使用した従来の基板型半導体式ガス検知素子のベース抵抗をそれぞれ示している。ここでは、任意湿度下のセンサ抵抗値Rsと、湿度RH40%におけるセンサ抵抗値Rs(RH40%)の比Rs/Rs(RH40%)で湿度変化に対するセンサ抵抗値の変動を示している。
図8の結果より、本願発明の基板型半導体式ガス検知素子10は、湿度変化に対して安定した特性を有するものと認められた。
Humidity characteristics were examined using the substrate type semiconductor
FIG. 8 shows the change in the base resistance of the sensor when the humidity in the measurement chamber (20L) is replaced from RH 40% to a completely dry atmosphere with dry air (replacement speed 3.3 L / min). The solid line shows the base resistance of the substrate type semiconductor
From the results of FIG. 8, it was recognized that the substrate-type semiconductor
〔別実施の形態〕
上述の実施形態では、半導体式ガス検知素子として基板型ガス検知素子である場合について説明した。しかし、これに限られるものではなく、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であってもよい。
[Another embodiment]
In the above-described embodiment, the case where the semiconductor gas detection element is a substrate type gas detection element has been described. However, the present invention is not limited to this, and it may be a hot-wire semiconductor gas detection element, a direct heat semiconductor gas detection element, an indirectly heated semiconductor gas detection element, or the like.
本発明は、特に基板型ガス検知素子の応答特性を向上させるために利用できる。 The present invention can be used particularly for improving the response characteristics of a substrate type gas detection element.
10 基板型ガス検知素子
11,12 検出電極
13 絶縁基板
14 ガス感応層
P 構成粒子
p1 コア粒子
p2 微粒子層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ガス感応層は、酸化チタニウムを主成分とするコア粒子、および、当該コア粒子の外側に酸化スズを主成分とする微粒子層を備えた構成粒子によって形成してある基板型ガス検知素子。 A substrate-type gas detection element in which a gas sensitive layer mainly composed of a metal oxide semiconductor is provided on an insulating substrate provided with a pair of detection electrodes so as to cover the detection electrode,
The gas sensitive layer is a substrate type gas detection element formed of core particles mainly composed of titanium oxide and constituent particles including a fine particle layer mainly composed of tin oxide outside the core particles.
ホウ酸水溶液を加えて析出反応を開始させる反応開始工程と、
溶液の温度を室温に維持して溶液を攪拌しながら12〜24時間のあいだ析出反応を持続させる析出工程と、
前記析出工程により形成された構成粒子を遠心分離する第一遠心分離工程と、
当該遠心分離された構成粒子を洗浄する洗浄工程と、
当該洗浄された構成粒子を減圧して乾燥する乾燥工程と、
乾燥した構成粒子を500〜750℃で1〜3時間焼成する焼成工程と、を行うガス感応層の構成粒子の製造方法。 A first dispersion step in which titanium oxide is added to and dispersed in the fluorostannic acid complex solution that is a reaction mother liquor,
A reaction initiation step of initiating a precipitation reaction by adding an aqueous boric acid solution;
A precipitation step for maintaining the temperature of the solution at room temperature and maintaining the solution for 12 to 24 hours while stirring the solution;
A first centrifugation step of centrifuging the constituent particles formed by the precipitation step;
A washing step for washing the centrifuged constituent particles;
A drying step of drying the washed constituent particles under reduced pressure;
A method for producing the constituent particles of the gas-sensitive layer, comprising a firing step of firing the constituent particles dried at 500 to 750 ° C. for 1 to 3 hours.
洗浄した構成粒子を、塩化パラジウム水溶液中に分散させる第二分散工程と、
前記第二分散工程の後、形成された構成粒子を遠心分離する第二遠心分離工程と、を行う請求項5に記載のガス感応層の構成粒子の製造方法。 During the washing step and the drying step,
A second dispersion step of dispersing the washed constituent particles in an aqueous palladium chloride solution;
The method for producing the constituent particles of the gas sensitive layer according to claim 5, wherein after the second dispersion step, a second centrifugation step of centrifuging the formed constituent particles is performed.
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