JP2001305089A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、都市ガス用メタ
ンガスやプロパンガスおよびCOガスを含めた可燃性ガ
スを検知することを目的とした薄膜または厚膜の金属酸
化物半導体を使用したガスセンサに係るものであり、と
くにその耐湿性の向上を狙ったガス検知体となる金属酸
化物半導体の材料組成に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor using a thin-film or thick-film metal oxide semiconductor for detecting flammable gas including methane gas for city gas, propane gas and CO gas. More particularly, the present invention relates to a material composition of a metal oxide semiconductor serving as a gas detector aimed at improving the moisture resistance.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に半導体ガスセンサは、金属酸化物
半導体の抵抗値の変化を利用してガスの有無を検出す
る。このような金属酸化物半導体をガス検知体に用いた
ガスセンサの検知ガスがない場合の抵抗値をRa、検知
ガスのある場合の抵抗値をRgとしたとき、Ra/Rg
をセンサ感度とするが、金属酸化物半導体をガス検知体
とするガスセンサのセンサ感度は、大気中の水分の影響
を受ける。大気中の酸素が高温でガス検知体としての金
属酸化物半導体の表面にO2-として負電荷吸着すること
により金属酸化物半導体中の伝導電子の数が減り、金属
酸化物半導体は、大気中の抵抗Raが高い値を示すが、
大気の湿度が増加すると、大気中の水分が水酸基OH-
として酸素の吸着サイトに吸着する量が増加し、金属酸
化物半導体の吸着し得る酸素の数が減るため、金属酸化
物半導体の大気中での抵抗Raが減少する。一方、検知
ガスが存在する場合、このガスによって金属酸化物半導
体に吸着された酸素が脱離されることになるが、湿度が
高いと水酸基OH-の吸着量が多く、その分吸着酸素の
量が少なくなるだけでなく、金属酸化物半導体に吸着さ
れた水酸基は、検知ガスによって脱離されることがない
ため、金属酸化物半導体の検知ガス中での抵抗Rgの減
少も小さくなり比較的大きな抵抗を示すようになる。し
たがって、センサ感度Ra/Rgの値が小さくなり、ガ
スセンサの感度としては悪くなる。2. Description of the Related Art Generally, a semiconductor gas sensor detects the presence or absence of a gas by utilizing a change in the resistance value of a metal oxide semiconductor. When the resistance value of a gas sensor using such a metal oxide semiconductor as a gas detector when there is no detection gas is Ra and the resistance value when there is a detection gas is Rg, Ra / Rg
Is used as the sensor sensitivity, and the sensor sensitivity of a gas sensor using a metal oxide semiconductor as a gas detector is affected by moisture in the atmosphere. Oxygen in the atmosphere is negatively adsorbed as O 2-on the surface of the metal oxide semiconductor as a gas detector at a high temperature, thereby reducing the number of conduction electrons in the metal oxide semiconductor. Has a high resistance Ra,
When the humidity of the atmosphere increases, the moisture in the air is a hydroxyl group OH -
As the amount of oxygen adsorbed on the oxygen adsorption site increases and the number of oxygen that can be adsorbed by the metal oxide semiconductor decreases, the resistance Ra of the metal oxide semiconductor in the air decreases. On the other hand, when the detection gas is present, the oxygen adsorbed on the metal oxide semiconductor by the gas is to be desorbed, and the humidity is high hydroxyl OH - in many adsorption amount, the amount of that amount adsorbed oxygen In addition to the decrease, the hydroxyl group adsorbed on the metal oxide semiconductor is not desorbed by the detection gas, so that the decrease in the resistance Rg of the metal oxide semiconductor in the detection gas is also small and a relatively large resistance is obtained. As shown. Therefore, the value of the sensor sensitivity Ra / Rg decreases, and the sensitivity of the gas sensor deteriorates.
【0003】このような、金属酸化物半導体のガスセン
サとしての耐湿性の問題を解決するため、これまでは、
センサに種々の耐湿性被覆体を形成するといった手段が
とられてきたが必ずしも十分な効果が得られなかった。In order to solve such a problem of moisture resistance as a gas sensor of a metal oxide semiconductor, hitherto,
Means have been taken to form various moisture-resistant coatings on the sensor, but a sufficient effect has not always been obtained.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記のよ
うな金属酸化物半導体をガス検知体とするガスセンサの
耐湿性を高めるために、大気中の酸素を安定に金属酸化
物半導体の表面に吸着させることのできる金属酸化物半
導体をガス検知体とするガスセンサを提供することを課
題とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, in order to enhance the moisture resistance of a gas sensor using a metal oxide semiconductor as a gas detector as described above, oxygen in the atmosphere is stably applied to the surface of the metal oxide semiconductor. It is an object to provide a gas sensor using a metal oxide semiconductor that can be adsorbed as a gas detector.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、金属酸化物半導体をガス検知体とす
るガスセンサにおいて、ガス検知体となる金属酸化物半
導体が、5価遷移金属M1と3価遷移金属M2とを含む
ことを特徴とする(請求項1の発明)。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a gas sensor using a metal oxide semiconductor as a gas detector, wherein the metal oxide semiconductor serving as the gas detector is a pentavalent transition metal. characterized in that it comprises a M 1 a trivalent transition metal M 2 (the invention of claim 1).
【0006】また、上記のガスセンサにおいて、金属酸
化物半導体が5価遷移金属M1としてバナジウム、ニオ
ブ、タンタルのうちの少なくとも1種と3価遷移金属M
2としてクロムとを含むことを特徴とする(請求項2の
発明)。In the above-mentioned gas sensor, the metal oxide semiconductor is a pentavalent transition metal M 1 and at least one of vanadium, niobium and tantalum and a trivalent transition metal M 1.
It is characterized in that chromium is included as 2 (invention of claim 2).
【0007】さらに、上記請求項1または2の発明のガ
スセンサにおいて、金属酸化物半導体が5価遷移金属M
1を総量で0.5〜5.0原子%含み、かつクロムを5価
遷移金属に対する原子数の比(Cr/M1)で0.5〜
2.0含むことを特徴とする(請求項3の発明)。Further, in the gas sensor according to claim 1 or 2, the metal oxide semiconductor is a pentavalent transition metal M
1 in a total amount of 0.5 to 5.0 atomic%, and chromium in an atomic ratio to a pentavalent transition metal (Cr / M 1 ) of 0.5 to 0.5 atomic%.
2.0 is included (the invention of claim 3).
【0008】さらにまた、上記の請求項1ないし3項の
いずれかの発明のガスセンサにおいて、金属酸化物半導
体が、薄膜または厚膜の金属酸化物半導体から構成され
たことを特徴とする(請求項4の発明)。Furthermore, in the gas sensor according to any one of the first to third aspects of the present invention, the metal oxide semiconductor is formed of a thin or thick metal oxide semiconductor. 4 invention).
【0009】このようにガス検知体となる金属酸化物半
導体に5価と3価の遷移金属を含ませることにより、金
属酸化物半導体のおキャリヤ濃度を大きき変えることな
く金属酸化物半導体の表面と水酸基の結合力より、金属
酸化物半導体の表面と酸素の結合力を大きくすることが
でき、これによりガスセンサの耐湿性が向上する。As described above, by including a pentavalent and trivalent transition metal in the metal oxide semiconductor serving as a gas detector, the surface of the metal oxide semiconductor can be maintained without significantly changing the carrier concentration of the metal oxide semiconductor. The bonding force between the surface of the metal oxide semiconductor and oxygen can be increased by the bonding force between the oxygen and the hydroxyl group, thereby improving the moisture resistance of the gas sensor.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】金属酸化物半導体として酸化スズ
(SnO2)を用い、この酸化スズの表面のSnをSc
(スカンジウム)からCu(銅)までの遷移金属で置換
した場合の表面原子と酸素、および表面原子と水酸基の
結合力(結合の共有結合性の度合いを示す「有効共有結
合電荷」での評価)をDV−Xαシミュレーション法に
よる計算により求めた。この結果を図1に示す。なお、
DV−Xαシミュレーション法については足立裕彦監修
「はじめての電子状態計算」(1998年共立出版発
行)および足立裕彦著「量子材料化学入門」(1991
年共立出版発行)に詳しく説明されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Tin oxide (SnO 2 ) is used as a metal oxide semiconductor, and Sn on the surface of the tin oxide is changed to Sc.
Bonding force between surface atoms and oxygen and between surface atoms and hydroxyl groups when substituted with a transition metal from (scandium) to Cu (copper) (evaluation based on "effective covalent charge" indicating the degree of covalent bonding) Was calculated by the DV-Xα simulation method. The result is shown in FIG. In addition,
The DV-Xα simulation method is described in Hirohiko Adachi, "First Calculation of Electronic Structure" (published by Kyoritsu Shuppan, 1998) and Hirohiko Adachi, "Introduction to Quantum Materials Chemistry" (1991)
(Published in the year Kyoritsu Shuppan).
【0011】図1は、横軸にSnO2のSnと置換した遷
移金属(表面不純物)の種類を示し、縦軸に有効共有結
合電荷の値を示す。折れ線OはSnO2の表面原子と酸
素との結合力を、そして折れ線OHは、SnO2の表面
原子と水酸基の結合力を示している。FIG. 1 shows the type of transition metal (surface impurity) substituted for Sn of SnO 2 on the horizontal axis, and the value of effective covalent charge on the vertical axis. The broken line O indicates the bonding force between the surface atoms of SnO 2 and oxygen, and the broken line OH indicates the bonding force between the surface atoms of SnO 2 and the hydroxyl groups.
【0012】この図1から明らかであるよう置換遷移金
属のうちのバナジウム(V)とクロム(Cr)が、他の
置換遷移金属に比べて表面原子と酸素の結合力と、表面
原子と水酸基の結合力との差が顕著であることが分か
る。これは置換遷移金属がVおよびCrの場合、その有
効結合電荷を結合成分と反結合成分とに分けて考える
と、表面原子と酸素の結合のとき特にその結合成分が大
きく増大するためである。As is apparent from FIG. 1, vanadium (V) and chromium (Cr) among the substituted transition metals have a higher binding force between the surface atoms and oxygen, and a lower bond between the surface atoms and the hydroxyl group than the other substituted transition metals. It can be seen that the difference from the bonding force is significant. This is because, when the substituted transition metals are V and Cr, when the effective binding charge is divided into a binding component and an anti-binding component, the binding component is particularly greatly increased when the surface atom is bonded to oxygen.
【0013】また、ここで母体である酸化スズは、Sn
(4+)であるのに対して、バナジウムはV(5+)でドナ
ータイプ、クロムはCr(3+)でアクセプタータイプと
なることからこれらを同時にほぼ等価原子量含有させる
ことにより母体のキャリヤ濃度を大きく変えることな
く、吸着酸素の結合力を増大させることが可能となる。[0013] The tin oxide, which is the parent material, is Sn
In contrast to (4+), vanadium is a donor type with V (5+), and chromium is an acceptor type with Cr (3+). Therefore, by simultaneously containing these with almost equivalent atomic weights, the carrier concentration of the parent is increased. Without changing, it is possible to increase the binding force of the adsorbed oxygen.
【0014】実施例1 次にこのような原理を踏まえてこの発明を薄膜構造のガ
スセンサに適用した実施例について説明する この発明の実施例1のガスセンサの構成を図2および図
3に示す。 Embodiment 1 Next, an embodiment in which the present invention is applied to a gas sensor having a thin film structure based on such a principle will be described. FIGS. 2 and 3 show the configuration of a gas sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
【0015】これらの図において、1はSi(シリコ
ン)からなる基板でその表面に熱酸化絶縁膜2が形成さ
れ、この絶縁膜2上に所定の間隔をおいて1対のPt
(白金)よりなる薄膜の電極層3、3が設けられ、この
電極層3、3間に跨って5価遷移金属のナジウム
(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)のうちの少なく
とも1種と3価遷移金属のクロム(Cr)とをドープし
た酸化スズ(SnO2)膜からなるガス検知体層5がそれ
ぞれコンタクト層4、4を介して接合されている。さら
にこのガス検知体層5上に検知ガスに対する感度向上の
ためにとガス選択性の向上のために選択燃焼層6が形成
されている。In these figures, reference numeral 1 denotes a substrate made of Si (silicon), on which a thermally oxidized insulating film 2 is formed, and a pair of Pts at a predetermined interval on the insulating film 2.
A thin-film electrode layer 3 made of (platinum) is provided, and at least one of pentavalent transition metals nadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta) is provided across the electrode layers 3 and 3. Gas detector layers 5 made of a tin oxide (SnO 2 ) film doped with a seed and chromium (Cr), a trivalent transition metal, are joined via contact layers 4, 4. Further, a selective combustion layer 6 is formed on the gas detector layer 5 for improving the sensitivity to the detected gas and for improving the gas selectivity.
【0016】このようなガスセンサは、つぎのように製
造する。基板1は熱酸化絶縁膜2が0.5μm形成され
た厚さ400μmのSiからなる。この基板1を有機溶
剤等で脱脂処理をした後、リンサードライヤで洗浄す
る。その後RFマグネトロンスパッタリング装置でPt
電極層3を成膜形成する。このときの成膜条件は、アル
ゴン(Ar)ガス1Pa、基板温度300℃、RFパワ
ー2W/cm2であり、この条件のもとで膜厚を200
nmに仕上げる。Such a gas sensor is manufactured as follows. The substrate 1 is made of Si having a thickness of 400 μm on which a thermal oxide insulating film 2 is formed to a thickness of 0.5 μm. After the substrate 1 is degreased with an organic solvent or the like, it is washed with a rinser dryer. After that, Pt was applied by RF magnetron sputtering equipment.
The electrode layer 3 is formed. At this time, the film forming conditions are argon (Ar) gas 1 Pa, substrate temperature 300 ° C., and RF power 2 W / cm 2 , and the film thickness is 200
Finish to nm.
【0017】Pt電極層成膜後、その上にアンチモン
(Sb)をドープしたSnO2からなるオーミックコン
タクト層4を成膜する。この成膜は、RFマグネトロン
スパッタリング装置による反応性スパッタリングにより
行う。ターゲットにSbを1質量%有するSnO2を用
い、2Paの圧力のAr+O2ガス中で、基板温度30
0℃、RFパワー2W/cm2の条件で100nmの膜
厚まで成膜する。これにより、コンタクト層4は、Sb
のドープされたSnO2膜となる。After forming the Pt electrode layer, an ohmic contact layer 4 made of SnO 2 doped with antimony (Sb) is formed thereon. This film formation is performed by reactive sputtering using an RF magnetron sputtering device. Using SnO 2 having 1% by mass of Sb as a target, a substrate temperature of 30 in Ar + O 2 gas at a pressure of 2 Pa.
The film is formed to a thickness of 100 nm under the conditions of 0 ° C. and RF power of 2 W / cm 2 . Thereby, the contact layer 4 becomes Sb
The doped SnO 2 film.
【0018】次に、5価遷移金属M1のVと3価遷移金
属M2のCrとをドープしたSnO2膜をガス検知体層5
としてスパッタ装置により形成する。このときのターゲ
ットは、5価遷移金属M1のV、を2原子%と、3価の
遷移金属のCrをこのVに対する原子数の比(Cr/
V)で1.0含有したSnO2である。このターゲットを
用いて、A+O2ガスの圧力を2Pa、基板温度を15
0〜300℃、RFパワーを2W/cm2にして、膜厚
が500nmになるまで成膜した。これにより、5価遷
移金属M1のVと3価遷移金属M2のCrとが原子量でほ
ぼ等量ドープされたSnO2薄膜からなるガス検知体層
5が形成される。Next, an SnO 2 film doped with V of the pentavalent transition metal M 1 and Cr of the trivalent transition metal M 2 is applied to the gas detector layer 5.
Formed by a sputtering apparatus. At this time, the target was V of the pentavalent transition metal M 1 at 2 atomic% and Cr of the trivalent transition metal at the ratio of the number of atoms to V (Cr /
V) is SnO 2 containing 1.0. Using this target, the pressure of the A + O 2 gas is 2 Pa and the substrate temperature is 15 Pa.
The film was formed at 0 to 300 ° C. and RF power of 2 W / cm 2 until the film thickness became 500 nm. As a result, the gas detector layer 5 composed of a SnO 2 thin film in which V of the pentavalent transition metal M 1 and Cr of the trivalent transition metal M 2 are doped at substantially the same atomic weight is formed.
【0019】さらに、このガス検知体層5の上に選択燃
焼層6となるパラジウム(Pd)を含んだアルミナ薄膜
を形成する。このPdを含んだアルミナ薄膜の成膜は、
Pdを添加したアルミナ粉末を蒸着ソースとして真空蒸
着により行う。膜厚は1000〜5000Åとした。Further, on the gas detector layer 5, an alumina thin film containing palladium (Pd) to be a selective combustion layer 6 is formed. The formation of the alumina thin film containing Pd is as follows.
Vacuum evaporation is performed using Pd-added alumina powder as an evaporation source. The film thickness was 1000-5000 °.
【0020】このような方法で作成した薄膜構造のガス
センサは、基板1の裏面に適当なヒータを作成するか、
または別置きの小型のヒータの上に載せて動作させる。
ガス検知体層5の抵抗の測定のため、Pt電極層3に適
当なPtワイヤー7を接続して電圧を印加し、通常の抵
抗測定回路に接続して使用する。In the gas sensor having a thin film structure formed by such a method, an appropriate heater is formed on the back surface of the substrate 1 or
Alternatively, it is put on a separate small heater and operated.
In order to measure the resistance of the gas detector layer 5, an appropriate Pt wire 7 is connected to the Pt electrode layer 3, a voltage is applied, and the Pt electrode layer 3 is connected to an ordinary resistance measuring circuit for use.
【0021】比較例1 前記実施例1と同様の作成法で、ガス検知体層膜が、S
nO2のみでできているもの、Vのみをドープしたもの
およびCrのみをドープしたものを実施例1に対する比
較例1群として作製した。[0021] In a similar preparation method to Comparative Example 1 Example 1, the gas sensing layer film, S
Samples made of only nO 2 , doped only with V, and doped only with Cr were produced as a group of Comparative Example 1 with respect to Example 1.
【0022】このようして作製した実施例1および比較
例1のガスセンサについてメタンガスを0.2%含む雰
囲気中で湿度を変化させてガスセンサの抵抗変化を測定
し、ガスセンサのガス検知感度の湿度依存性を求めた結
果を図4に示す。このときのガスセンサの動作温度は4
00℃とした。With respect to the gas sensors of Example 1 and Comparative Example 1 thus manufactured, the resistance change of the gas sensor was measured by changing the humidity in an atmosphere containing 0.2% of methane gas, and the humidity dependence of the gas detection sensitivity of the gas sensor was measured. FIG. 4 shows the results of determining the properties. The operating temperature of the gas sensor at this time is 4
The temperature was set to 00 ° C.
【0023】図4を見れば、SnO2のみでできている
比較例のガスセンサは、大きな湿度依存性を示している
のに対して、この発明の実施例1のガスセンサ(SnO2
にVとCrをドープしたもの)は、湿度依存性が大きく
抑制されていることがわかる。Vのみをドープした比較
例のガスセンサおよびCrのみをドープした比較例のガ
スセンサがこれに次いでいる。Referring to FIG. 4, the gas sensor of the comparative example made of only SnO 2 shows a large humidity dependency, whereas the gas sensor of the first embodiment (SnO 2
It is understood that the humidity dependency is greatly suppressed in the case where V and Cr are doped. The gas sensor of the comparative example doped only with V and the gas sensor of the comparative example doped only with Cr follow this.
【0024】次に図5にSnO2のみの比較例のガスセ
ンサと、この発明の実施例1のガスセンサのセンサ感度
を各月ごとに測定した結果を示す。この結果から、比較
例のガスセンサは湿度の比較的高い季節(6〜9月)に
センサ感度が著しく低下し、大きな季節依存性を示す
が、この発明の実施例1によるガスセンサはセンサ感度
の季節依存性が小さいことが分かる。このことからもこ
の発明のガスセンサは、センサ感度の湿度依存性が抑制
されていることがよく分かる。Next, FIG. 5 shows the results of measuring the sensor sensitivity of the gas sensor of the comparative example using only SnO 2 and the sensor sensitivity of the gas sensor of Example 1 of the present invention every month. From this result, the sensor sensitivity of the gas sensor of the comparative example is remarkably reduced in a relatively high humidity season (June to September), and shows a large seasonal dependency. It can be seen that the dependence is small. From this, it can be clearly understood that the gas sensor of the present invention suppresses the humidity dependency of the sensor sensitivity.
【0025】実施例2 この発明を厚膜構造のガスセンサに適用した場合の実施
例について説明する。 Embodiment 2 An embodiment in which the present invention is applied to a gas sensor having a thick film structure will be described.
【0026】図6および図7にこの発明の実施例による
厚膜ガスセンサの構成を示す。FIGS. 6 and 7 show the configuration of a thick film gas sensor according to an embodiment of the present invention.
【0027】これらの図において、10は、アルミナか
らなる絶縁基板である。この基板10の一方の主面上に
間隔をおいて2つの電極20が設けられる。基板10と
電極20上にガス検知体層50が選択的に形成される。
ガス検知体層50を完全に被覆して酸化燃焼層60が設
けられ、電極20からそれぞれリード線7が引出され
る。基板10の他方の主面には電極20Aが形成され、
この電極20Aと基板10の上に選択的にヒータ8が形
成され、電極20Aからそれぞれ引出し線90が引出さ
れる。In these figures, reference numeral 10 denotes an insulating substrate made of alumina. Two electrodes 20 are provided on one main surface of the substrate 10 at an interval. The gas detector layer 50 is selectively formed on the substrate 10 and the electrode 20.
The oxidized combustion layer 60 is provided so as to completely cover the gas detector layer 50, and the lead wires 7 are respectively drawn out from the electrodes 20. An electrode 20A is formed on the other main surface of the substrate 10,
The heater 8 is selectively formed on the electrode 20A and the substrate 10, and lead lines 90 are respectively drawn from the electrode 20A.
【0028】基板10は、アルミナ基板を厚さ0.5m
m、縦3mm、横3mmに研磨して作製したものであ
り、ヒータ80は酸化ルテニウムからなる抵抗体により
形成したものである。The substrate 10 is made of an alumina substrate having a thickness of 0.5 m.
The heater 80 is formed by polishing to 3 mm in length, 3 mm in length, and 3 mm in width. The heater 80 is formed by a resistor made of ruthenium oxide.
【0029】このように構成された厚膜ガスセンサは、
次のようにして厚膜法により作製する。The thick-film gas sensor thus configured is
It is manufactured by the thick film method as follows.
【0030】まず、基板10の2つの主面にそれぞれ白
金ペーストを所定の電極のパターンにスクリーン印刷
し、乾燥後、1100℃の温度で焼成して電極20およ
び20Aを形成する。First, a platinum paste is screen-printed on each of two main surfaces of the substrate 10 in a predetermined electrode pattern, dried, and fired at a temperature of 1100 ° C. to form the electrodes 20 and 20A.
【0031】次に、SnO2の粉体を乾燥空気中で73
0℃で2時間加熱処理を行い、この処理後に、SnO2
粉体に、酸化バナジウム(V2O5)、酸化ニオブ(Nb
2O5)、酸化タンタル(Ta2O5)の粉体のうち少なく
とも1種と酸化クロム(Cr2O3)粉体を、V、Nb、
Taのうちの少なくとも1種が総量で0.5から5.0原
子パーセント、Crが5価遷移金属M1に対する原子数
の比(Cr/M1)で0.5から2.0の範囲でSnO2に
含まれるように加えて混合し、これにエチルシリケー
ト、エチルセルロース、カルビトール等を適量加えて混
練し、ガス検知体層用ペーストを作る。このガス検知体
層用ペーストを前記基板10上の電極20、20間に跨
って所定のガス検知体層50のパターンにスクリーン印
刷し、120℃で2時間乾燥する。Next, the SnO 2 powder was dried in dry air for 73 hours.
A heat treatment was performed at 0 ° C. for 2 hours, and after this treatment, SnO 2
Vanadium oxide (V 2 O 5 ), niobium oxide (Nb)
2 O 5 ), at least one of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) powder and chromium oxide (Cr 2 O 3 ) powder,
At least one of Ta has a total amount of 0.5 to 5.0 atomic percent and Cr has a ratio of the number of atoms to the pentavalent transition metal M 1 (Cr / M 1 ) of 0.5 to 2.0. The mixture is added and mixed so as to be contained in SnO 2 , and an appropriate amount of ethyl silicate, ethyl cellulose, carbitol or the like is added and kneaded to prepare a paste for a gas detector layer. The paste for the gas detector layer is screen-printed on a predetermined pattern of the gas detector layer 50 across the electrodes 20 on the substrate 10 and dried at 120 ° C. for 2 hours.
【0032】さらに、先の過熱乾燥処理したSnO2粉
体に白金の含有量がSnO2に対して2%になるように
塩化白金酸(H2PtCl6)の水溶液を加えて混練した
のち乾燥する。この粉体を600℃で3時間加熱処理す
ることにより塩化白金酸(H2PtCl6)が分解され、
SnO2粉体上に白金(Pt)が担持されるようにな
る。この白金を担持したSnO2粉末をボールミルで粉
砕したのち、エチルシリケート、エチルセルロース、カ
ルビトール等を適量加えて混練し、酸化燃焼層用ペース
トを作り、このペーストを前記ガス検知体層50上に被
せて所定の酸化燃焼層60のパターンにスクリーン印刷
して、120℃で2時間乾燥する。Further, an aqueous solution of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) was added to the previously heated SnO 2 powder so that the platinum content was 2% based on SnO 2 , and the mixture was kneaded and dried. I do. By heating this powder at 600 ° C. for 3 hours, chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) is decomposed,
Platinum (Pt) is supported on the SnO 2 powder. After the SnO 2 powder carrying platinum is pulverized by a ball mill, ethyl silicate, ethyl cellulose, carbitol, etc. are added in an appropriate amount and kneaded to prepare a paste for an oxidized combustion layer. Then, a predetermined pattern of the oxidation combustion layer 60 is screen-printed and dried at 120 ° C. for 2 hours.
【0033】つづいて、印刷されたガス検知体層50と
酸化燃焼層60を630℃で3時間加熱焼成してガス検
知体層50および酸化燃焼層60に仕上げる。Subsequently, the printed gas detector layer 50 and the oxidized combustion layer 60 are heated and fired at 630 ° C. for 3 hours to complete the gas detector layer 50 and the oxidized combustion layer 60.
【0034】最後に、基板10の他方の主面の電極20
A、20A間に酸化ルテニウムからなるヒータ80を結
合し、電極20および20Aにそれぞれ白金のリード線
70および9おを接続して厚膜ガスセンサを得る。Finally, the electrode 20 on the other main surface of the substrate 10
A heater 80 made of ruthenium oxide is connected between A and 20A, and platinum electrodes 70 and 9 are connected to the electrodes 20 and 20A, respectively, to obtain a thick film gas sensor.
【0035】比較例2 前記実施例2と同様の作成方法により、ガス検知体層が
SnO2のみでできているもの、V、Nb、Taのうち少
なくともいずれか1種のみをドープしたものおよびCr
のみをドープしたものを実施例2に対する比較例2群と
して作製した。[0035] By the same creation method as Comparative Example 2 Example 2, which gas sensing layer is made of only SnO 2, V, Nb, those doped only at least one kind of Ta and Cr
A sample doped with only one was prepared as a comparative example 2 group with respect to the example 2.
【0036】これらの実施例2および比較例2のガスセ
ンサについて実施例1および比較例2の場合と同様の実
験をしたところ、実施例1および比較例1の場合と同様
の傾向の結果を得ることができた。When an experiment similar to that of Example 1 and Comparative Example 2 was performed on the gas sensors of Example 2 and Comparative Example 2, results similar to those of Example 1 and Comparative Example 1 were obtained. Was completed.
【0037】実施例3 実施例1と同様に薄膜法により、5価遷移金属のVと3
価遷移金属のCrのドープ量を種々調整したSnO2を
用いた薄膜ガスセンサを作成した。VおよびCrのドー
プ量の調整の範囲は表1に示すとおりであり、これらの
ガスセンサについて絶対湿度2.2%で、検知ガスであ
るメタンガスが0.2%含まれたガス中での抵抗Rgと
メタンガスを含まないガス(大気)中での抵抗Raとを
測定し、センサ感度(Ra/Rg)を求めた。この結果を
表1に示す。 Example 3 In the same manner as in Example 1, the pentavalent transition metal V and 3
Thin-film gas sensors using SnO 2 in which the doping amount of the valence transition metal Cr was adjusted variously were prepared. The range of adjustment of the doping amounts of V and Cr is as shown in Table 1. For these gas sensors, the resistance Rg in a gas containing 2.2% of methane gas as a detection gas at 2.2% absolute humidity was used. And the resistance Ra in a gas (atmosphere) containing no methane gas were measured to determine the sensor sensitivity (Ra / Rg). Table 1 shows the results.
【0038】この表1から明らかなように、Vの含有量
が0.5〜5.0原子%で、Crの含有量がVに対する原
子数の比(Cr/V)で0.5〜2.0の範囲でセンサ感
度(Ra/Rg)がおよそ20以上となり、高いセンサ感
度を得ることができる。As is apparent from Table 1, the content of V is 0.5 to 5.0 atomic%, and the content of Cr is 0.5 to 2 at the ratio of the number of atoms to V (Cr / V). In the range of 0.0, the sensor sensitivity (Ra / Rg) becomes about 20 or more, and high sensor sensitivity can be obtained.
【0039】なお、実施例1ないし3におけるガス検知
体層となるSnO2にドープする5価遷移金属としては
V以外のニオブ(Nb)、タンタル(Ta)であっても
よく、これらをドープしたSnO2をガス検知体層とし
たガスセンサについても上記実施例と同様の傾向の実験
結果が得られた。The pentavalent transition metal to be doped into SnO 2 serving as the gas detector layer in Examples 1 to 3 may be niobium (Nb) or tantalum (Ta) other than V, and these may be doped. For the gas sensor using SnO 2 as the gas detector layer, experimental results having the same tendency as in the above example were obtained.
【0040】[0040]
【表1】 [Table 1]
【0041】[0041]
【発明の効果】この発明によれば、ガス検知体層となる
SnO2にV、Nb、Taのうちの少なくとも1種と、
Crを含有させた金属酸化物半導体を用いることによ
り、金属酸化物半導体の母体のキャリヤ濃度を大きく変
えることなく、吸着酸素の結合力を増大させることがで
きるため、湿度が高くなってもセンサ感度の低下の小さ
いガスセンサを得ることができる。特にV、Nb、Ta
のうちの少なくとも1種を総量で0.5〜5.0原子%含
有し、Crをこれら5価遷移金属M1に対する原子数の
比(M1/Cr)で0.5〜2.0の範囲で含有した金属
酸化物半導体をガス検知体に用いるとセンサ感度をより
高くできる効果が得られる。According to the present invention, SnO 2 serving as a gas detector layer is provided with at least one of V, Nb, and Ta;
By using a metal oxide semiconductor containing Cr, the bonding force of adsorbed oxygen can be increased without greatly changing the carrier concentration of the base of the metal oxide semiconductor. A gas sensor with a small decrease in temperature can be obtained. Especially V, Nb, Ta
At least one of the above is contained in a total amount of 0.5 to 5.0 atomic%, and Cr has a ratio of the number of atoms to the pentavalent transition metal M 1 (M 1 / Cr) of 0.5 to 2.0. When the metal oxide semiconductor contained in the range is used for the gas detector, the effect of increasing the sensor sensitivity can be obtained.
【図1】SnO2の酸素および水酸基の吸着力に対する
置換遷移金属の効果を示す図FIG. 1 shows the effect of substituted transition metals on the adsorption power of SnO 2 for oxygen and hydroxyl groups.
【図2】この発明による薄膜ガスセンサの実施例を示す
平面図FIG. 2 is a plan view showing an embodiment of the thin-film gas sensor according to the present invention.
【図3】この発明による薄膜ガスセンサの実施例を示す
縦断面図FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the thin-film gas sensor according to the present invention.
【図4】この発明の実施例1と比較例1によるガスセン
サのセンサ感度の湿度依存性を示す図FIG. 4 is a diagram showing humidity dependency of sensor sensitivity of gas sensors according to Example 1 of the present invention and Comparative Example 1.
【図5】この発明の実施例1と比較例1によるガスセン
サのセンサ感度の季節依存性を示す図FIG. 5 is a diagram showing the seasonal dependence of the sensor sensitivity of the gas sensor according to Example 1 of the present invention and Comparative Example 1.
【図6】この発明による厚膜ガスセンサの実施例を示す
平面図FIG. 6 is a plan view showing an embodiment of a thick film gas sensor according to the present invention.
【図7】図6のB−B線の断面図FIG. 7 is a sectional view taken along line BB of FIG. 6;
1 Si基板 3 電極層 4 コンタクト層 5 ガス検知体層 6 選択燃焼層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Si substrate 3 Electrode layer 4 Contact layer 5 Gas detector layer 6 Selective combustion layer
Claims (4)
る金属酸化物半導体をガス検知体とするガスセンサにお
いて、前記金属酸化物半導体が酸化スズからなり、5価
遷移金属M1と3価遷移金属M2を含むことを特徴とする
ガスセンサ。1. A gas sensor using a metal oxide semiconductor whose resistance value changes in response to a gas to be detected as a gas detector, wherein the metal oxide semiconductor is made of tin oxide and the pentavalent transition metals M 1 and M 3 the gas sensor which comprises a valence transition metal M 2.
記金属酸化物半導体体が、5価遷移金属M1としてバナ
ジウム、ニオブ、タンタルのうちの少なくとも1種と3
価遷移金属M2としてクロムを含むことを特徴とするガ
スセンサ。2. The gas sensor according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor comprises at least one of vanadium, niobium, and tantalum as a pentavalent transition metal M 1.
The gas sensor which comprises chromium as valence transition metal M 2.
いて、前記金属酸化物半導体が、5価遷移金属M1を総量
で0.5〜5.0原子パーセント含み、かつクロムを5価遷移
金属M1に対する原子数の比(Cr/M1)で0.5〜2.0含
むことを特徴とするガスセンサ。3. The gas sensor according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor contains a pentavalent transition metal M 1 in a total amount of 0.5 to 5.0 atomic percent, and contains chromium in an atom relative to the pentavalent transition metal M 1 . the gas sensor characterized in that it comprises 0.5 to 2.0 by the ratio of the number (Cr / M 1).
スセンサにおいて、前記金属酸化物半導体が、薄膜また
は厚膜の金属酸化物半導体から構成されたことを特徴と
するガスセンサ。4. The gas sensor according to claim 1, wherein said metal oxide semiconductor is formed of a thin or thick metal oxide semiconductor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000124446A JP2001305089A (en) | 2000-04-25 | 2000-04-25 | Gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP2001305089A true JP2001305089A (en) | 2001-10-31 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2001305089A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7276745B2 (en) | 2005-02-22 | 2007-10-02 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor |
| US8024959B2 (en) | 2007-09-28 | 2011-09-27 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Gas sensor and gas detection method |
-
2000
- 2000-04-25 JP JP2000124446A patent/JP2001305089A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7276745B2 (en) | 2005-02-22 | 2007-10-02 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor |
| US8024959B2 (en) | 2007-09-28 | 2011-09-27 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Gas sensor and gas detection method |
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