JP2972874B1 - 多層ガスセンサー - Google Patents
多層ガスセンサーInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 半導体ガスセンサーのガス選択性を改善し、
1つのセンサーで、メタンと一酸化炭素を選択的に検知
できるガスセンサー素子を製造する方法を提供する。 【解決手段】 メタンガスセンサーの表面に一酸化炭素
ガスセンサーを被覆した積層構造を気相法でつくり、メ
タンの検知のさいに妨害となる一酸化炭素を遮断する触
媒膜としての機能を一酸化炭素ガスセンサー層に与える
ことを特徴とするガスセンサー素子の製造方法。 【効果】 1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにしたセンサーを提供することが可能であり、
ガスセンサーとして好適である。
1つのセンサーで、メタンと一酸化炭素を選択的に検知
できるガスセンサー素子を製造する方法を提供する。 【解決手段】 メタンガスセンサーの表面に一酸化炭素
ガスセンサーを被覆した積層構造を気相法でつくり、メ
タンの検知のさいに妨害となる一酸化炭素を遮断する触
媒膜としての機能を一酸化炭素ガスセンサー層に与える
ことを特徴とするガスセンサー素子の製造方法。 【効果】 1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにしたセンサーを提供することが可能であり、
ガスセンサーとして好適である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は新規な半導体ガスセ
ンサー素子、さらに詳しく言えば、メタンなどを主成分
とする都市ガスのセンサーの表面を、一酸化炭素などの
不完全燃焼ガス用のセンサーで被覆した積層構造をつく
ることで、1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにした半導体ガスセンサーに関するものであ
る。
ンサー素子、さらに詳しく言えば、メタンなどを主成分
とする都市ガスのセンサーの表面を、一酸化炭素などの
不完全燃焼ガス用のセンサーで被覆した積層構造をつく
ることで、1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにした半導体ガスセンサーに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】ガスセンサーは水素やエタノールなどの
可燃性ガスの漏洩検知に広く使用されるとともに、近年
では食品や環境関連分野での芳香成分や毒性ガスの検知
などにも利用されるようになっている。そのため対象ガ
スのより微量成分の検知や、ガス選択性の向上、検知ガ
ス種の拡大などが求められていた。
可燃性ガスの漏洩検知に広く使用されるとともに、近年
では食品や環境関連分野での芳香成分や毒性ガスの検知
などにも利用されるようになっている。そのため対象ガ
スのより微量成分の検知や、ガス選択性の向上、検知ガ
ス種の拡大などが求められていた。
【0003】ガスセンサー中でも市場規模の大きい都市
ガス警報機などに用いられる可燃性ガスセンサーでは、
メタンガスなどの都市ガスの検知を行いながら、同時に
一酸化炭素中毒事故などを防止するため不完全燃焼ガス
を同時に検知できるセンサーが求められていた。現在ま
でに開発されている都市ガスと不完全燃焼ガスのハイブ
リッド型ガス漏れ警報機では、例えばメタンガス用のセ
ンサーと一酸化炭素用のセンサーを別々に用意し、コン
ピューターを利用してそれぞれのセンサーを制御するマ
ルチデバイス型が一般的で、機器の小型化には限界が指
摘されていた。センサーの動作温度などの操作条件を変
えることで1つのセンサーで都市ガスと不完全燃焼ガス
を識別・検知できる、いわゆる1素子式のセンサーはま
だ市販されているものはなく改良の余地があった(例え
ば津田“可燃性ガスセンサの最新技術動向”、ニューセ
ラミックス、No.12,27−32(1997)。
ガス警報機などに用いられる可燃性ガスセンサーでは、
メタンガスなどの都市ガスの検知を行いながら、同時に
一酸化炭素中毒事故などを防止するため不完全燃焼ガス
を同時に検知できるセンサーが求められていた。現在ま
でに開発されている都市ガスと不完全燃焼ガスのハイブ
リッド型ガス漏れ警報機では、例えばメタンガス用のセ
ンサーと一酸化炭素用のセンサーを別々に用意し、コン
ピューターを利用してそれぞれのセンサーを制御するマ
ルチデバイス型が一般的で、機器の小型化には限界が指
摘されていた。センサーの動作温度などの操作条件を変
えることで1つのセンサーで都市ガスと不完全燃焼ガス
を識別・検知できる、いわゆる1素子式のセンサーはま
だ市販されているものはなく改良の余地があった(例え
ば津田“可燃性ガスセンサの最新技術動向”、ニューセ
ラミックス、No.12,27−32(1997)。
【0004】都市ガスの約90%を占めるメタンは可燃
性ガス中でも化学的活性の低いものの1 つで、半導体ガ
スセンサーでメタンのみを検知することは困難であっ
た。その対策として、Pdなどの増感剤(触媒)の添加
や、半導体粒子の形状を針状にすることで表面積を増や
して反応場を増加するとともにガス拡散性を向上するな
どの方法により、比較的難燃性のメタンの選択性向上が
はかられ、例えば0.5%程度のメタンに対し10〜2
0のガス感度(温度300〜500℃) が得られている
( 例えば三浦ほか“半導体ガスセンサにおける表面修
飾”、表面、vol.28,15−25(1990)、
大西ほか“酸化スズ薄膜系メタン高選択性センサーの感
度特性”、日本セラミックス協会秋季シンポジウム講演
予稿集、p.240(1996))。
性ガス中でも化学的活性の低いものの1 つで、半導体ガ
スセンサーでメタンのみを検知することは困難であっ
た。その対策として、Pdなどの増感剤(触媒)の添加
や、半導体粒子の形状を針状にすることで表面積を増や
して反応場を増加するとともにガス拡散性を向上するな
どの方法により、比較的難燃性のメタンの選択性向上が
はかられ、例えば0.5%程度のメタンに対し10〜2
0のガス感度(温度300〜500℃) が得られている
( 例えば三浦ほか“半導体ガスセンサにおける表面修
飾”、表面、vol.28,15−25(1990)、
大西ほか“酸化スズ薄膜系メタン高選択性センサーの感
度特性”、日本セラミックス協会秋季シンポジウム講演
予稿集、p.240(1996))。
【0005】中毒事故防止のため、都市ガスより一層の
微量成分検知の求められる一酸化炭素などの不完全燃焼
ガスでは、増感剤の添加効果が検討されており、Pdや
Auの添加で最高感度を示す温度が低温側にシフトする
とともに感度向上がみられることが報告されている。例
えばPd添加で0.02%程度の一酸化炭素に対し10
〜20のガス感度が得られている(例えば山添ほか“半
導体ガスセンサにおける金属微粒子の役割”、表面、v
ol.27,499−507(1989)、春田“常温
触媒としての金超微粒子固定化酸化物”、表面、vo
l.28,333−342(1990))。
微量成分検知の求められる一酸化炭素などの不完全燃焼
ガスでは、増感剤の添加効果が検討されており、Pdや
Auの添加で最高感度を示す温度が低温側にシフトする
とともに感度向上がみられることが報告されている。例
えばPd添加で0.02%程度の一酸化炭素に対し10
〜20のガス感度が得られている(例えば山添ほか“半
導体ガスセンサにおける金属微粒子の役割”、表面、v
ol.27,499−507(1989)、春田“常温
触媒としての金超微粒子固定化酸化物”、表面、vo
l.28,333−342(1990))。
【0006】複数のガスが混在する場合に特定のガスの
選択性を向上しようとするとき、目的ガス以外の成分を
消費または遮断するため、触媒層やフィルター層をセン
サー層表面に被覆した多層構造を用いる方法が検討され
ている。しかしこの方法ではガス拡散性に問題があるこ
とが指摘されており、被覆層を設けない場合より電気信
号が安定化するまでに余計に時間がかかることが報告さ
れていた(例えばFengほか“Effect of
Gas Diffusion Processon S
ensing Properties of SnO2
ThinFilm Sensors in a Si
O2 /SnO2 Layer−Built Struc
ture Fabricated by Sol−Ge
lProcess”、J.Electrochem.
Soc.、Vol.141、220−225(199
4))。また、従来検討されていた被覆層の機能は触媒
やフィルターなどであり、被覆層を別のガスのセンサー
として利用することは行われていなかった。
選択性を向上しようとするとき、目的ガス以外の成分を
消費または遮断するため、触媒層やフィルター層をセン
サー層表面に被覆した多層構造を用いる方法が検討され
ている。しかしこの方法ではガス拡散性に問題があるこ
とが指摘されており、被覆層を設けない場合より電気信
号が安定化するまでに余計に時間がかかることが報告さ
れていた(例えばFengほか“Effect of
Gas Diffusion Processon S
ensing Properties of SnO2
ThinFilm Sensors in a Si
O2 /SnO2 Layer−Built Struc
ture Fabricated by Sol−Ge
lProcess”、J.Electrochem.
Soc.、Vol.141、220−225(199
4))。また、従来検討されていた被覆層の機能は触媒
やフィルターなどであり、被覆層を別のガスのセンサー
として利用することは行われていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の半導体ガスセンサーが持つ欠点を克服し、メタン
センサーの表面を一酸化炭素センサーで被覆した積層構
造をつくることで、1つの素子で複数のガスを選択性良
く検知できるようにしたセンサーを与えることができる
半導体ガスセンサー素子の製造方法を提供することを目
的として開発されたものである。
従来の半導体ガスセンサーが持つ欠点を克服し、メタン
センサーの表面を一酸化炭素センサーで被覆した積層構
造をつくることで、1つの素子で複数のガスを選択性良
く検知できるようにしたセンサーを与えることができる
半導体ガスセンサー素子の製造方法を提供することを目
的として開発されたものである。
【0008】本発明者らは、メタンと一酸化炭素を選択
性良く検知できる1素子式の半導体ガスセンサーを関発
すべく鋭意研究を重ねた結果、メタンが化学的活性の低
さからガス検知にはある程度の高温が必要であり、逆に
一酸化炭素が増感剤を用いることで低温側の感度を高め
高温では感度を低くするようにシフトできることに着目
した。そして活性の低いメタンを検知するためメタンセ
ンサーの半導体粒子の形態制御を同時に行い、さらに複
数のガスの検知を行うので表面被覆の技術を応用するこ
とを検討した。すなわちメタンガスセンサーの表面に一
酸化炭素ガスセンサーを被覆した積層構造をつくり、メ
タンの検知のさいに妨害となる一酸化炭素を遮断する触
媒膜としての機能を一酸化炭素ガスセンサー層に与え
た。同時に各センサー層を数珠玉状などの多孔性の積層
構造とすることでガス拡散性の改善もはかった結果、目
的を達成できることをみいだした。本発明はかかる知見
に基づいて完成したものである。
性良く検知できる1素子式の半導体ガスセンサーを関発
すべく鋭意研究を重ねた結果、メタンが化学的活性の低
さからガス検知にはある程度の高温が必要であり、逆に
一酸化炭素が増感剤を用いることで低温側の感度を高め
高温では感度を低くするようにシフトできることに着目
した。そして活性の低いメタンを検知するためメタンセ
ンサーの半導体粒子の形態制御を同時に行い、さらに複
数のガスの検知を行うので表面被覆の技術を応用するこ
とを検討した。すなわちメタンガスセンサーの表面に一
酸化炭素ガスセンサーを被覆した積層構造をつくり、メ
タンの検知のさいに妨害となる一酸化炭素を遮断する触
媒膜としての機能を一酸化炭素ガスセンサー層に与え
た。同時に各センサー層を数珠玉状などの多孔性の積層
構造とすることでガス拡散性の改善もはかった結果、目
的を達成できることをみいだした。本発明はかかる知見
に基づいて完成したものである。
【0009】すなわち本発明は、メタンセンサー表面に
一酸化炭素センサーを被覆した積層構造をつくること
で、1つのセンサーでメタンと一酸化炭素を選択性良く
検知できるようにすることを特徴とする半導体ガスセン
サーを提供するものである。
一酸化炭素センサーを被覆した積層構造をつくること
で、1つのセンサーでメタンと一酸化炭素を選択性良く
検知できるようにすることを特徴とする半導体ガスセン
サーを提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では以下のような構成が採用される。 (1)メタンセンサー層の表面を一酸化炭素センサー層
で被覆した積層構造とし、メタンの検知のさいに妨害と
なる一酸化炭素を遮断する触媒膜としての機能を一酸化
炭素センサー層に与え、1つの素子でメタンと一酸化炭
素の両方を選択性良く検知できるようにしたことを特徴
とする半導体ガスセンサー素子。 (2)上記のメタンセンサーが、気相法で合成した針状
の半導体粒子を原料とし、高温でのメタンの反応性を向
上させ、同時に低温でのメタンの低反応性を利用したも
のであることを特徴とする前記(1)記載の半導体ガス
センサー素子。 (3)上記の一酸化炭素センサーが、気相法で合成した
半導体ガスセンサー材料粒子の表面に触媒機能を有する
金属粒子を付着させた半導体−金属複合粒子を原料と
し、低温側の一酸化炭素の感度を高め、高温では感度を
低くするようにシフトしたものであることを特徴とする
前記(1)記載の半導体ガスセンサー素子。 (4)上記の針状の半導体粒子と半導体−金属複合粒子
を原料とし、これらを静電沈着により数珠玉状に連なっ
た状態で堆積した多孔性の厚膜構造とすることを特徴と
する前記(1)、(2)または(3)記載の半導体ガス
センサー素子。 (5)メタンセンサーがSnO2 系、一酸化炭素センサ
ーがSnO2 −Pd系である前記(1)、(2)、
(3)または(4)記載の半導体ガスセンサー素子。
に、本発明では以下のような構成が採用される。 (1)メタンセンサー層の表面を一酸化炭素センサー層
で被覆した積層構造とし、メタンの検知のさいに妨害と
なる一酸化炭素を遮断する触媒膜としての機能を一酸化
炭素センサー層に与え、1つの素子でメタンと一酸化炭
素の両方を選択性良く検知できるようにしたことを特徴
とする半導体ガスセンサー素子。 (2)上記のメタンセンサーが、気相法で合成した針状
の半導体粒子を原料とし、高温でのメタンの反応性を向
上させ、同時に低温でのメタンの低反応性を利用したも
のであることを特徴とする前記(1)記載の半導体ガス
センサー素子。 (3)上記の一酸化炭素センサーが、気相法で合成した
半導体ガスセンサー材料粒子の表面に触媒機能を有する
金属粒子を付着させた半導体−金属複合粒子を原料と
し、低温側の一酸化炭素の感度を高め、高温では感度を
低くするようにシフトしたものであることを特徴とする
前記(1)記載の半導体ガスセンサー素子。 (4)上記の針状の半導体粒子と半導体−金属複合粒子
を原料とし、これらを静電沈着により数珠玉状に連なっ
た状態で堆積した多孔性の厚膜構造とすることを特徴と
する前記(1)、(2)または(3)記載の半導体ガス
センサー素子。 (5)メタンセンサーがSnO2 系、一酸化炭素センサ
ーがSnO2 −Pd系である前記(1)、(2)、
(3)または(4)記載の半導体ガスセンサー素子。
【0011】
【発明の実施の形態】次に、本発明についてさらに詳細
に説明する。本発明方法においては、まずメタンセンサ
ー用の半導体ガスセンサー材料粒子を合成する。このさ
いのガスセンサー材料粒子については、活性の低いメタ
ンを検知するために半導体粒子の形態制御を行うことが
望ましく、例えば蒸発−凝縮法で合成された針状のSn
O2 粒子などの半導体粒子が例示されるが、特に制限は
ない。
に説明する。本発明方法においては、まずメタンセンサ
ー用の半導体ガスセンサー材料粒子を合成する。このさ
いのガスセンサー材料粒子については、活性の低いメタ
ンを検知するために半導体粒子の形態制御を行うことが
望ましく、例えば蒸発−凝縮法で合成された針状のSn
O2 粒子などの半導体粒子が例示されるが、特に制限は
ない。
【0012】次に得られた半導体ガスセンサー材料粒子
に対して正または負の静電気を荷電したのち、あらかじ
め内部電極を取り付けたセンサー基板を半導体粒子と反
対極性に荷電または接地し、半導体粒子を基板上に静電
気的に堆積させる。このとき荷電された粒子が基板上に
堆積するさいに働く数珠玉形成力により、半導体粒子が
数珠玉状に堆積または互いに絡み合い、気孔率の高い状
態で粒子が堆積されたセンサー素子が得られる。このと
きの粒子の荷電方法は例えば双方向衝突荷電法が例示さ
れるが、特に制限はない。
に対して正または負の静電気を荷電したのち、あらかじ
め内部電極を取り付けたセンサー基板を半導体粒子と反
対極性に荷電または接地し、半導体粒子を基板上に静電
気的に堆積させる。このとき荷電された粒子が基板上に
堆積するさいに働く数珠玉形成力により、半導体粒子が
数珠玉状に堆積または互いに絡み合い、気孔率の高い状
態で粒子が堆積されたセンサー素子が得られる。このと
きの粒子の荷電方法は例えば双方向衝突荷電法が例示さ
れるが、特に制限はない。
【0013】メタンセンサー層を作製したのち、つづい
てその表面上に一酸化炭素センサー層を積層する。一酸
化炭素センサー用の原料として、半導体ガスセンサー材
料粒子と触媒粒子などをCVD法などの方法により合成
する。このさいのガスセンサー材料粒子については例え
ばSnO2 などの半導体粒子が、触媒粒子についてはP
dなどの金属粒子が例示されるが、特に制限されるもの
ではない。
てその表面上に一酸化炭素センサー層を積層する。一酸
化炭素センサー用の原料として、半導体ガスセンサー材
料粒子と触媒粒子などをCVD法などの方法により合成
する。このさいのガスセンサー材料粒子については例え
ばSnO2 などの半導体粒子が、触媒粒子についてはP
dなどの金属粒子が例示されるが、特に制限されるもの
ではない。
【0014】つづいてガスセンサー材料粒子と触媒粒子
に対し任意の大きさおよび極性の静電気をそれぞれに荷
電し、両者を混合することで、反対極性に荷電された粒
子どうしに働く静電凝集力により、ガスセンサー材料粒
子の表面に触媒粒子が付着した複合粒子が合成される。
このときの粒子の荷電方法は例えば双方向衝突荷電法が
例示されるが、特に制限はない。
に対し任意の大きさおよび極性の静電気をそれぞれに荷
電し、両者を混合することで、反対極性に荷電された粒
子どうしに働く静電凝集力により、ガスセンサー材料粒
子の表面に触媒粒子が付着した複合粒子が合成される。
このときの粒子の荷電方法は例えば双方向衝突荷電法が
例示されるが、特に制限はない。
【0015】得られたガスセンサー材料粒子と触媒粒子
の複合粒子に対して正または負の静電気を荷電したの
ち、メタンセンサー層が作製されたセンサー基板を複合
粒子と反対極性に荷電または接地し、複合粒子をメタン
センサー表面上に静電気的に堆積させる。そのさいには
一酸化炭素用の内部電極をあらかじめ取り付けておく。
以上のようにしてメタンセンサー表面を一酸化炭素セン
サーで被覆した積層構造を持つ多層センサーが作製され
る。
の複合粒子に対して正または負の静電気を荷電したの
ち、メタンセンサー層が作製されたセンサー基板を複合
粒子と反対極性に荷電または接地し、複合粒子をメタン
センサー表面上に静電気的に堆積させる。そのさいには
一酸化炭素用の内部電極をあらかじめ取り付けておく。
以上のようにしてメタンセンサー表面を一酸化炭素セン
サーで被覆した積層構造を持つ多層センサーが作製され
る。
【0016】次に、本発明を添付図面にしたがって説明
する。図1は本発明によってメタンセンサー表面を一酸
化炭素センサーで被覆した積層構造を持つ多層センサー
を作製する場合の装置の1例であり、図2は図1の装置
で得られた多層ガスセンサーの1例の模式図である。
する。図1は本発明によってメタンセンサー表面を一酸
化炭素センサーで被覆した積層構造を持つ多層センサー
を作製する場合の装置の1例であり、図2は図1の装置
で得られた多層ガスセンサーの1例の模式図である。
【0017】図1の方法では、まずメタンセンサー用の
半導体粒子として、Sn原料粉体6を反応器5’中に置
き、反応器5’を1500〜1700℃に加熱して蒸気
を発生させ、N2 1〜51/minをキャリアガス
2’、N2 (例えば51/min)をシースガス4’と
して供給して、反応器5’中の蒸発−凝縮反応で針状に
形態を制御されたSnO2 ガスセンサー材料粒子を合成
する。
半導体粒子として、Sn原料粉体6を反応器5’中に置
き、反応器5’を1500〜1700℃に加熱して蒸気
を発生させ、N2 1〜51/minをキャリアガス
2’、N2 (例えば51/min)をシースガス4’と
して供給して、反応器5’中の蒸発−凝縮反応で針状に
形態を制御されたSnO2 ガスセンサー材料粒子を合成
する。
【0018】次に得られたSnO2 針状粒子を荷電器
7”へ輸送し、例えば負の静電気を荷電したのち、あら
かじめ内部電極を取り付けたセンサー基板8を例えば接
地して、針状粒子を基板上に静電気的に堆積すること
で、荷電された粒子が基板上に堆積するときに働く数珠
玉形成力により、針状粒子が互いに絡み合って気孔率の
高い多孔性の状態で堆積されたSnO2 ガスセンサーが
得られる。粒子を輸送してきたガスなどはポンプ9で排
気する。上記方法により、例えば、数100nm以上の
長さのSnO2 ガスセンサー材料の針状粒子が得られる
ことがわかった。また、上記の針状粒子を静電沈着によ
り粒子が互いに絡み合った状態で堆積した多孔性の厚膜
構造とできることがわかった。この厚膜構造はアニール
後も維持された。上記の厚膜構造の半導体針状粒子は可
燃性ガスに対する優れたセンサー機能を有することがわ
かった。
7”へ輸送し、例えば負の静電気を荷電したのち、あら
かじめ内部電極を取り付けたセンサー基板8を例えば接
地して、針状粒子を基板上に静電気的に堆積すること
で、荷電された粒子が基板上に堆積するときに働く数珠
玉形成力により、針状粒子が互いに絡み合って気孔率の
高い多孔性の状態で堆積されたSnO2 ガスセンサーが
得られる。粒子を輸送してきたガスなどはポンプ9で排
気する。上記方法により、例えば、数100nm以上の
長さのSnO2 ガスセンサー材料の針状粒子が得られる
ことがわかった。また、上記の針状粒子を静電沈着によ
り粒子が互いに絡み合った状態で堆積した多孔性の厚膜
構造とできることがわかった。この厚膜構造はアニール
後も維持された。上記の厚膜構造の半導体針状粒子は可
燃性ガスに対する優れたセンサー機能を有することがわ
かった。
【0019】次に一酸化炭素センサー用の半導体粒子と
して、蒸気発生装置1でテトラメチルスズSn(C
H3 )4 を気化温度0℃に設定してSn(CH3 )4 蒸
気を発生させ、0.01〜0.51/minのArをキ
ャリアガス2としてSn(CH3)4 蒸気を500〜8
00℃に温度を保った反応器5へ送り、同時に反応ガス
3として0.1〜0.51/minのO2 とシースガス
4としてN2 を0〜51/minで供給して、反応器5
中の化学反応でSnO2 ガスセンサー材料粒子を合成す
る。
して、蒸気発生装置1でテトラメチルスズSn(C
H3 )4 を気化温度0℃に設定してSn(CH3 )4 蒸
気を発生させ、0.01〜0.51/minのArをキ
ャリアガス2としてSn(CH3)4 蒸気を500〜8
00℃に温度を保った反応器5へ送り、同時に反応ガス
3として0.1〜0.51/minのO2 とシースガス
4としてN2 を0〜51/minで供給して、反応器5
中の化学反応でSnO2 ガスセンサー材料粒子を合成す
る。
【0020】Pd触媒粒子は、反応器5’中にPd原料
粉体6を置き(このとき、上記のSn原料粉体は反応器
5’中から取り除いておく)、反応器5’を1500〜
1700℃に加熱して蒸気を発生させ、N2 1〜51/
minをキャリアガス2’、N2 (例えば51/mi
n)をシースガス4’として供給して、反応器5’中の
蒸発−凝縮反応で合成する。
粉体6を置き(このとき、上記のSn原料粉体は反応器
5’中から取り除いておく)、反応器5’を1500〜
1700℃に加熱して蒸気を発生させ、N2 1〜51/
minをキャリアガス2’、N2 (例えば51/mi
n)をシースガス4’として供給して、反応器5’中の
蒸発−凝縮反応で合成する。
【0021】次に熱拡散による壁面付着防止のため、炉
内であらかじめ加熱したN2 をシース(Sheath)
状に供給し、得られたSnO2 ガスセンサー材料粒子を
荷電器7へ、Pd触媒粒子を荷電器7’へそれぞれ輸送
し、任意の大きさおよび極性(例えばSnO2 に正、P
dに負など)の静電気を荷電する。つづいて両者を混合
することで、反対極性に荷電された粒子同士に働く静電
凝集力により、SnO2 ガスセンサー材料粒子の表面に
Pd触媒粒子が付着した複合粒子が合成される。
内であらかじめ加熱したN2 をシース(Sheath)
状に供給し、得られたSnO2 ガスセンサー材料粒子を
荷電器7へ、Pd触媒粒子を荷電器7’へそれぞれ輸送
し、任意の大きさおよび極性(例えばSnO2 に正、P
dに負など)の静電気を荷電する。つづいて両者を混合
することで、反対極性に荷電された粒子同士に働く静電
凝集力により、SnO2 ガスセンサー材料粒子の表面に
Pd触媒粒子が付着した複合粒子が合成される。
【0022】次にSnO2 −Pd複合粒子に対し、例え
ば負の静電気を荷電したのち、メタンセンサーが作製さ
れたセンサー基板(このとき、上記の一酸化炭素センサ
ー用の内部電極上に堆積されたSnO2 針状粒子はあら
かじめ取り除いておく)を例えば接地して、複合粒子を
基板上に静電気的に堆積することで、荷電された粒子が
基板上に堆積するときに働く数珠玉形成力により、気孔
率の高い多孔性の状態で複合粒子が堆積された図2に示
すような多層センサーが得られる。粒子を輸送してきた
ガスなどはポンプ9で排気する。上記方法により、例え
ば、50〜100nmの長さのSnO2 核粒子の表面に
ナノメーターオーダーのPd粒子が均一に付着した複合
粒子が得られることがわかった。また、ファラデーケー
ジ電流計で粒子の帯電量を測定した結果、粒子は荷電器
によって単極性荷電の飽和帯電量まで荷電されているこ
とが明らかとなった。一方、荷電を行わずにSnO2 粒
子とPd粒子を混合した場合には、両者が別々に捕集さ
れて複合粒子化していない部分が存在することがあり、
本発明の方法によって初めて複合粒子が得られることが
わかった。また、上記の複合粒子を静電沈着により、粒
子が数珠玉状に連なった状態で堆積した多孔性の厚膜構
造とできることが明らかとなった。この厚膜構造はアニ
ール後も維持された。上記の厚膜構造の半導体−金属複
合粒子は可燃性ガスに対する優れたセンサー機能を有す
ることがわかった。
ば負の静電気を荷電したのち、メタンセンサーが作製さ
れたセンサー基板(このとき、上記の一酸化炭素センサ
ー用の内部電極上に堆積されたSnO2 針状粒子はあら
かじめ取り除いておく)を例えば接地して、複合粒子を
基板上に静電気的に堆積することで、荷電された粒子が
基板上に堆積するときに働く数珠玉形成力により、気孔
率の高い多孔性の状態で複合粒子が堆積された図2に示
すような多層センサーが得られる。粒子を輸送してきた
ガスなどはポンプ9で排気する。上記方法により、例え
ば、50〜100nmの長さのSnO2 核粒子の表面に
ナノメーターオーダーのPd粒子が均一に付着した複合
粒子が得られることがわかった。また、ファラデーケー
ジ電流計で粒子の帯電量を測定した結果、粒子は荷電器
によって単極性荷電の飽和帯電量まで荷電されているこ
とが明らかとなった。一方、荷電を行わずにSnO2 粒
子とPd粒子を混合した場合には、両者が別々に捕集さ
れて複合粒子化していない部分が存在することがあり、
本発明の方法によって初めて複合粒子が得られることが
わかった。また、上記の複合粒子を静電沈着により、粒
子が数珠玉状に連なった状態で堆積した多孔性の厚膜構
造とできることが明らかとなった。この厚膜構造はアニ
ール後も維持された。上記の厚膜構造の半導体−金属複
合粒子は可燃性ガスに対する優れたセンサー機能を有す
ることがわかった。
【0023】
【実施例】次に実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明はこの例によってなんら限定されるもの
ではない。本実施例では、図1に示した装置および方法
によりSnO2 系半導体ガスセンサー素子を作製した。
するが、本発明はこの例によってなんら限定されるもの
ではない。本実施例では、図1に示した装置および方法
によりSnO2 系半導体ガスセンサー素子を作製した。
【0024】実施例1 (1)方法 SnO2 針状粒子は還元ガス中の蒸発−凝縮法で合成し
た。Sn原料粉体6を反応器5’中に置き、反応器5’
を1500〜1700℃に加熱して蒸気を発生させ、N
2 1〜51/minをキャリアガス2’、N2 (例えば
51/min)をシ−スガス4’として供給して、反応
器5’中の蒸発−凝縮反応で針状に形態を制御されたS
nO2 ガスセンサー材料粒子を合成した。
た。Sn原料粉体6を反応器5’中に置き、反応器5’
を1500〜1700℃に加熱して蒸気を発生させ、N
2 1〜51/minをキャリアガス2’、N2 (例えば
51/min)をシ−スガス4’として供給して、反応
器5’中の蒸発−凝縮反応で針状に形態を制御されたS
nO2 ガスセンサー材料粒子を合成した。
【0025】次に得られたSnO2 針状粒子を荷電器
7”へ輸送し、負の静電気を荷電したのち、あらかじめ
内部電極を取り付けたセンサー基板8を例えば接地し
て、針状粒子を基板上に静電気的に堆積することで、荷
電された粒子が基板上に堆積するときに働く数珠玉形成
力により、針状粒子が互いに絡み合って気孔率の高い多
孔性の状態で堆積されたメタンガスセンサーを製造し
た。
7”へ輸送し、負の静電気を荷電したのち、あらかじめ
内部電極を取り付けたセンサー基板8を例えば接地し
て、針状粒子を基板上に静電気的に堆積することで、荷
電された粒子が基板上に堆積するときに働く数珠玉形成
力により、針状粒子が互いに絡み合って気孔率の高い多
孔性の状態で堆積されたメタンガスセンサーを製造し
た。
【0026】SnO2 −Pd複合粒子用のSnO2 粒子
はMOCVD法で合成した。蒸気発生装置1でテトラメ
チルスズSn(CH3 )4 を気化温度0℃に設定してS
n(CH3 )4 蒸気を発生させ、0.01〜0.51/
minのArをキャリアガス2としてSn(CH3 )4
蒸気を500〜800℃に温度を保った反応器5へ送
り、同時に反応ガス3として0.1〜0.51/min
のO2 とシースガス4としてN2 を0〜51/minで
供給して、反応器5中の化学反応でSnO2 ガスセンサ
ー材料粒子を合成した。
はMOCVD法で合成した。蒸気発生装置1でテトラメ
チルスズSn(CH3 )4 を気化温度0℃に設定してS
n(CH3 )4 蒸気を発生させ、0.01〜0.51/
minのArをキャリアガス2としてSn(CH3 )4
蒸気を500〜800℃に温度を保った反応器5へ送
り、同時に反応ガス3として0.1〜0.51/min
のO2 とシースガス4としてN2 を0〜51/minで
供給して、反応器5中の化学反応でSnO2 ガスセンサ
ー材料粒子を合成した。
【0027】Pd触媒粒子は還元ガス中の蒸発−凝縮法
で合成した。反応器5' 中にPd原料粉体6を置き, 反
応器5’を1500〜1700℃に加熱して蒸気を発生
させ、N2 1〜51/minをキャリアガス2’,N2
(例えば51/min)をシースガス4' として供給し
て、反応器5' 中の蒸発−凝縮反応でPd粒子を合成し
た。
で合成した。反応器5' 中にPd原料粉体6を置き, 反
応器5’を1500〜1700℃に加熱して蒸気を発生
させ、N2 1〜51/minをキャリアガス2’,N2
(例えば51/min)をシースガス4' として供給し
て、反応器5' 中の蒸発−凝縮反応でPd粒子を合成し
た。
【0028】次に、得られたSnO2 ガスセンサー材料
粒子を荷電器7へ、Pd触媒粒子を荷電器7’へそれぞ
れ輸送し、SnO2 に正、Pdに負の静電気を荷電し
た。つづいて両者を混合し、反対極性に荷電された粒子
同士に働く静電凝集力により、SnO2 ガスセンサー材
料粒子の表面にPd触媒粒子が付着したSnO2 −Pd
複合粒子を合成した。
粒子を荷電器7へ、Pd触媒粒子を荷電器7’へそれぞ
れ輸送し、SnO2 に正、Pdに負の静電気を荷電し
た。つづいて両者を混合し、反対極性に荷電された粒子
同士に働く静電凝集力により、SnO2 ガスセンサー材
料粒子の表面にPd触媒粒子が付着したSnO2 −Pd
複合粒子を合成した。
【0029】次にSnO2 −Pd複合粒子に対し、負の
静電気を荷電したのち, メタンセンサーが作製されたセ
ンサー基板を接地して、複合粒子を基板上に静電気的に
堆積することで、荷電された粒子が基板上に堆積すると
きに働く数珠玉形成力により、気孔率の高い多孔性の状
態で複合粒子がメタンセンサーの上に堆積された図2に
示すような多層センサーを得た。
静電気を荷電したのち, メタンセンサーが作製されたセ
ンサー基板を接地して、複合粒子を基板上に静電気的に
堆積することで、荷電された粒子が基板上に堆積すると
きに働く数珠玉形成力により、気孔率の高い多孔性の状
態で複合粒子がメタンセンサーの上に堆積された図2に
示すような多層センサーを得た。
【0030】(2)結果 図3に本発明の方法で得られたSnO2 針状粒子の電子
顕微鏡写真を示す。この針状粒子は数100nm以上の
ほぼ均一な長さを有していた。
顕微鏡写真を示す。この針状粒子は数100nm以上の
ほぼ均一な長さを有していた。
【0031】上記のSnO2 針状粒子を用いて、本発明
の方法で作製したセンサー表面の電子顕微鏡写真を図4
に示す。数珠玉形成作用により針状粒子が互いに絡み合
った状態で堆積した多孔性の厚膜構造となっていた。
の方法で作製したセンサー表面の電子顕微鏡写真を図4
に示す。数珠玉形成作用により針状粒子が互いに絡み合
った状態で堆積した多孔性の厚膜構造となっていた。
【0032】図5にSnO2 −Pd複合粒子の電子顕微
鏡写真を示す。この複合粒子は, 100nm以下のSn
O2 ガスセンサー材料粒子の表面に、10nm以下のP
d触媒粒子が均一に付着した構造であった。
鏡写真を示す。この複合粒子は, 100nm以下のSn
O2 ガスセンサー材料粒子の表面に、10nm以下のP
d触媒粒子が均一に付着した構造であった。
【0033】上記のSnO2 −Pd複合粒子を用いて、
本発明の方法で作製したセンサー表面の電子顕微鏡写真
を図6に示す。数珠玉形成作用により粒子が数珠玉上に
連なった状態で堆積した多孔性の厚膜構造となった。
本発明の方法で作製したセンサー表面の電子顕微鏡写真
を図6に示す。数珠玉形成作用により粒子が数珠玉上に
連なった状態で堆積した多孔性の厚膜構造となった。
【0034】実施例2 実施例1のSnO2 針状粒子センサーの表面に、SnO
2 −Pd複合粒子センサーを被覆した多層センサーの断
面の電子顕微鏡写真を図7に示す。白色の矢印から下が
メタンセンサー層、上が一酸化炭素センサー層である。
両センサーの多孔性の厚膜構造を維持しながら、広範囲
にわたって均一な被覆が可能であった。
2 −Pd複合粒子センサーを被覆した多層センサーの断
面の電子顕微鏡写真を図7に示す。白色の矢印から下が
メタンセンサー層、上が一酸化炭素センサー層である。
両センサーの多孔性の厚膜構造を維持しながら、広範囲
にわたって均一な被覆が可能であった。
【0035】実施例3 実施例2の多層センサーをメタンと一酸化炭素の検知に
利用したときのガス感度を表1に示す。すなわち、表1
は、本発明で作製した多層センサー、SnO2針状粒子
センサー、SnO2 −Pd 複合粒子センサーの、メタ
ン0 .4 %と一酸化炭素0.04%に対する測定温度3
00℃と500℃でのガス感度を示すものである。ガス
感度は空気中でのセンサー抵抗に対する、一定量のメタ
ンまたは一酸化炭素を含む空気中での抵抗の比を表す。
両ガスの濃度は実用化されている都市ガスと不完全燃焼
ガスのハイブリッド型ガス漏れセンサーで警報機が作動
するガス濃度のメタン0.4%、一酸化炭素0.04%
とし、測定温度は低温側300℃、高温側500℃とし
た。また本発明のような多層構造を持たないセンサーと
して、SnO2 針状粒子だけから構成されたセンサー
と、SnO2 −Pd複合粒子から構成されたセンサーを
作り、それらのガス感度を多層センサーと比較した。そ
の結果、SnO2 針状粒子センサーではメタンや一酸化
炭素ともに高温付近に最大感度のピークがあり選択性を
示さなかった(しかし針状のSnO2 を用いたこのセン
サーは増感剤を含まないにも関わらずメタン等に対する
感度が比較的高かった)。一方、SnO2 −Pd複合粒
子センサーでは一酸化炭素の最大感度を低温側へシフト
することができたが、高温での一酸化炭素の感度がメタ
ンの半分程度あり、あまり選択性を示さなかった。とこ
ろが多層センサーでは、低温側で表面のSnO2 −Pd
複合粒子センサー層を、高温側で内部のSnO2 針状粒
子センサー層を用いることにより、低温で一酸化炭素
を、高温でメタンを選択性良く検知することが可能であ
った。
利用したときのガス感度を表1に示す。すなわち、表1
は、本発明で作製した多層センサー、SnO2針状粒子
センサー、SnO2 −Pd 複合粒子センサーの、メタ
ン0 .4 %と一酸化炭素0.04%に対する測定温度3
00℃と500℃でのガス感度を示すものである。ガス
感度は空気中でのセンサー抵抗に対する、一定量のメタ
ンまたは一酸化炭素を含む空気中での抵抗の比を表す。
両ガスの濃度は実用化されている都市ガスと不完全燃焼
ガスのハイブリッド型ガス漏れセンサーで警報機が作動
するガス濃度のメタン0.4%、一酸化炭素0.04%
とし、測定温度は低温側300℃、高温側500℃とし
た。また本発明のような多層構造を持たないセンサーと
して、SnO2 針状粒子だけから構成されたセンサー
と、SnO2 −Pd複合粒子から構成されたセンサーを
作り、それらのガス感度を多層センサーと比較した。そ
の結果、SnO2 針状粒子センサーではメタンや一酸化
炭素ともに高温付近に最大感度のピークがあり選択性を
示さなかった(しかし針状のSnO2 を用いたこのセン
サーは増感剤を含まないにも関わらずメタン等に対する
感度が比較的高かった)。一方、SnO2 −Pd複合粒
子センサーでは一酸化炭素の最大感度を低温側へシフト
することができたが、高温での一酸化炭素の感度がメタ
ンの半分程度あり、あまり選択性を示さなかった。とこ
ろが多層センサーでは、低温側で表面のSnO2 −Pd
複合粒子センサー層を、高温側で内部のSnO2 針状粒
子センサー層を用いることにより、低温で一酸化炭素
を、高温でメタンを選択性良く検知することが可能であ
った。
【0036】
【表1】
【0037】
【発明の効果】本発明によると、メタンセンサーの表面
を、一酸化炭素センサーで被覆した積層構造をつくるこ
とができ、1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにしたセンサーを提供することが可能であり、
ガスセンサーとして好適である。
を、一酸化炭素センサーで被覆した積層構造をつくるこ
とができ、1つの素子で複数のガスを選択性良く検知で
きるようにしたセンサーを提供することが可能であり、
ガスセンサーとして好適である。
【図1】本発明を実施するための装置の1例の説明図で
ある。
ある。
【図2】本発明で得られたガスセンサーの1例の説明図
である。
である。
【図3】本発明で合成したSnO2 針状粒子の電子顕微
鏡写真である。
鏡写真である。
【図4】本発明で作製したSnO2 針状粒子から成るガ
スセンサー素子の表面の電子顕微鏡写真である。
スセンサー素子の表面の電子顕微鏡写真である。
【図5】本発明により得られたSnO2 ガスセンサー材
料粒子とPd触媒粒子の複合粒子の1例の電子顕微鏡写
真である。
料粒子とPd触媒粒子の複合粒子の1例の電子顕微鏡写
真である。
【図6】本発明で作製したSnO2 −Pd複合粒子から
成るガスセンサー素子の表面の電子顕微鏡写真である。
成るガスセンサー素子の表面の電子顕微鏡写真である。
【図7】本発明で作製したSnO2 針状粒子から成るメ
タンセンサーの表面に、SnO2 −Pd複合粒子から成
る一酸化炭素センサーを被覆した多層センサーの断面の
電子顕微鏡写真である。
タンセンサーの表面に、SnO2 −Pd複合粒子から成
る一酸化炭素センサーを被覆した多層センサーの断面の
電子顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/12
Claims (5)
- 【請求項1】 メタンセンサー層の表面を一酸化炭素セ
ンサー層で被覆した積層構造とし、メタンの検知のさい
に妨害となる一酸化炭素を遮断する触媒膜としての機能
を一酸化炭素センサー層に与え、1つの素子でメタンと
一酸化炭素の両方を選択性良く検知できるようにしたこ
とを特徴とする半導体ガスセンサー素子。 - 【請求項2】 上記のメタンセンサーが、気相法で合成
した針状の半導体粒子を原料とし、高温でのメタンの反
応性を向上させ、同時に低温でのメタンの低反応性を利
用したものであることを特徴とする請求項1記載の半導
体ガスセンサー素子。 - 【請求項3】 上記の一酸化炭素センサーが、気相法で
合成した半導体ガスセンサー材料粒子の表面に触媒機能
を有する金属粒子を付着させた半導体−金属複合粒子を
原料とし、低温側の一酸化炭素の感度を高め、高温では
感度を低くするようにシフトしたものであることを特徴
とする請求項1記載の半導体ガスセンサー素子。 - 【請求項4】 上記の針状の半導体粒子と半導体−金属
複合粒子を原料とし、これらを静電沈着により数珠玉状
に連なった状態で堆積した多孔性の厚膜構造とすること
を特徴とする請求項1、2または3記載の半導体ガスセ
ンサー素子。 - 【請求項5】 メタンセンサーがSnO2 系、一酸化炭
素センサーがSnO2 −Pd系である請求項1、2、3
または4記載の半導体ガスセンサー素子。
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