JP2007163253A - Hydrogen gas sensor - Google Patents

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Koichi Hiranaka
弘一 平中
Osamu Yamada
修 山田
Takeshi Hatayama
健 畑山
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas sensor which enhances the poisoning resistance of a catalyst, without having to heat a substrate, is reduced in power consumption and has high sensitivity and high-speed responsiveness. <P>SOLUTION: The hydrogen gas sensor is equipped with a pair of the electrodes 5a and 5b formed on a semiconductor substrate 1, the sensing film 8 for detecting a hydrogen gas formed on the upper part between the electrodes 5a and 5b via a gate insulating film 2 for insulating the electrodes 5a and 5b and a gate electrode 7 for applying a bias voltage to the semiconductor substrate 1, formed on the other surface of the semiconductor substrate 1 in a facing relation to the gate insulating film 2. The sensing film 8 is provided with a catalyst having action for adsorbing hydrogen gas to dissociate the same into a proton (H<SP>+</SP>) and an electron (e) and a metal oxide changing the potential of the sensing film by the reaction of the protons (H<SP>+</SP>) and the electrons (e) produced by the dissociation action. The catalyst has a particle structure that particles, smaller than the particles of the metal oxide constituting the sensing film in diameter, are dispersed and supported on the particles of the metal oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒を金属酸化物に分散担持した検知膜を用いた水素ガス検知センサに関し、触媒で水素ガスを解離して発生されるプロトン(H+)と電子(e)との反応によって、金属酸化物が還元されて電気特性が変化する特性を利用した水素ガス検知センサに関するものであり、特に、安全上水素ガスを含むガス漏洩の監視が必要な容器,配管、自動車、燃料電池、水素燃料改質器等に設置する水素ガス検知センサに関する。 The present invention relates to a hydrogen gas detection sensor using a detection film in which a catalyst is dispersedly supported on a metal oxide, and by reaction of protons (H + ) generated by dissociating hydrogen gas with a catalyst and electrons (e), The present invention relates to a hydrogen gas detection sensor that utilizes the characteristic that metal oxides are reduced to change electrical characteristics, and in particular, containers, pipes, automobiles, fuel cells, hydrogen that require monitoring of gas leakage including hydrogen gas for safety. The present invention relates to a hydrogen gas detection sensor installed in a fuel reformer or the like.

近年、地球環境保護や化石燃料の枯渇防止の観点から、クリーンかつ循環可能なエネルギーの活用が望まれており、その代用として、水素ガスが注目を浴びている。水素ガスにおいては、潜在的に豊富な燃料であり、環境負荷が少ないといった利点がある反面、爆発性が高い(爆発限界濃度が4%から75%と広い)、危険なガスであることが知られている。将来的に水素ガスをエネルギー源として普及させるには、システムを安心して利用するための安全対策が必要不可欠である。そのため、高速応答性を有し、高感度で、かつ信頼性に優れた水素ガス検知センサが望まれている。   In recent years, from the viewpoint of protecting the global environment and preventing the depletion of fossil fuels, it is desired to use clean and recyclable energy, and hydrogen gas is attracting attention as a substitute. Hydrogen gas is a potentially abundant fuel and has the advantage of low environmental impact, but is highly explosive (explosion limit concentration is wide from 4% to 75%) and is known to be a dangerous gas. It has been. In order to spread hydrogen gas as an energy source in the future, safety measures for using the system with confidence are indispensable. Therefore, a hydrogen gas detection sensor having high-speed response, high sensitivity, and excellent reliability is desired.

現在、水素ガス検知センサとしては接触燃焼方式、半導体方式、固体電解質方式、光検知方式などがあり、特に、金属酸化物を用いた半導体方式が代表的である。   Currently, there are a catalytic combustion method, a semiconductor method, a solid electrolyte method, a light detection method, and the like as a hydrogen gas detection sensor, and a semiconductor method using a metal oxide is representative.

従来の半導体方式の水素ガス検知センサの中には、例えば図10aのように、絶縁性基板301上に一対の電極302と303を設け、前記電極302と303にまたがって検知層304である三酸化タングステン(WO3)を設け、さらにその上に触媒層305である白金(Pt)もしくはパラジウム(Pd)を形成した水素ガス検知センサ(例えば、特許文献1参照。)や、三酸化タングステン(WO3)を主成分とする検知膜と、この検知層の表面に配置された電極と、前記検知膜の表面に設けた水素ガスを解離する触媒層とを備え、さらに前記検知層を加熱し、雰囲気の温度の低下における感度低下を防ぐためにヒータを設けた検知層と触媒層が積層された積層型水素ガス検知センサが知られている。(例えば、特許文献2参照。)
また、絶縁基板上に白金(Pt)触媒を三酸化タングステン(WO3)に分散担持した検知膜を形成し、前記三酸化タングステン(WO3)上に白金(Pt)により電極を作成した白金分散型酸化タングステンの水素ガス検知センサの研究もなされている。(例えば、非特許文献1参照。)
これらの水素ガス検知センサは、触媒で水素ガスをプロトン(H+)と電子(e)に解離し、前記触媒で発生したプロトン(H+)、電子(e)と三酸化タングステン(WO3)との反応でタングステンブロンズが形成され、これに伴って検知膜の導電率が変化し、前記導電率を検出することで、水素ガスの検知を行うものである。
特開昭60−211348号公報 特開2003−240746号公報 山本奈々子、外3名、「Pt/WO3膜を用いた常温型水素センサの検知特性と最適化」、Chemical Sensors、電気化学会 化学センサ研究会、Vol.18,Supplement A(2002)
In a conventional semiconductor-type hydrogen gas detection sensor, for example, as shown in FIG. 10 a, a pair of electrodes 302 and 303 are provided on an insulating substrate 301, and the detection layer 304 extends over the electrodes 302 and 303. A hydrogen gas detection sensor (see, for example, Patent Document 1) in which tungsten oxide (WO 3 ) is provided and platinum (Pt) or palladium (Pd) as the catalyst layer 305 is further formed thereon, or tungsten trioxide (WO 3 ) a detection film comprising as a main component, an electrode disposed on the surface of the detection layer, and a catalyst layer for dissociating hydrogen gas provided on the surface of the detection film, and further heating the detection layer, A layered hydrogen gas detection sensor in which a detection layer provided with a heater and a catalyst layer are stacked in order to prevent a decrease in sensitivity due to a decrease in ambient temperature is known. (For example, see Patent Document 2.)
Further, a platinum dispersion in which a detection film in which a platinum (Pt) catalyst is dispersedly supported on tungsten trioxide (WO 3 ) is formed on an insulating substrate, and an electrode is formed on the tungsten trioxide (WO 3 ) with platinum (Pt). Research has been conducted on hydrogen gas detection sensors of type tungsten oxide. (For example, refer nonpatent literature 1.)
These hydrogen gas detection sensors dissociate hydrogen gas into protons (H + ) and electrons (e) by a catalyst, and protons (H + ), electrons (e) and tungsten trioxide (WO 3 ) generated by the catalyst. As a result, tungsten bronze is formed, and the conductivity of the detection film changes accordingly, and hydrogen gas is detected by detecting the conductivity.
JP-A-60-212348 JP 2003-240746 A Nanako Yamamoto, 3 others, “Detection characteristics and optimization of room-temperature hydrogen sensor using Pt / WO3 film”, Chemical Sensors, Chemical Society of Electrochemical Society, Vol. 18, Supplement A (2002)

しかしながら、検知膜と触媒膜が積層されたセンサにおいては、触媒膜にパラジウム(Pd)を用いた場合、水素曝露を繰り返すとパラジウム(Pd)膜にクラックが入る等、その形状が不可逆的に変化し、センサ特性が劣化するという問題がある。また、触媒膜に白金(Pt)を用いた場合、白金(Pt)が一酸化炭素(CO)と強く結合する性質があるため、雰囲気ガス中に一酸化炭素(CO)が存在すると、白金(Pt)の表面が一酸化炭素(CO)によって被毒されてしまい、水素ガスをプロトン(H+)と電子(e)に解離出来なくなり、水素ガスの検出が出来なくなるという問題がある。 However, in the sensor in which the detection film and the catalyst film are laminated, when palladium (Pd) is used for the catalyst film, the shape changes irreversibly, such as cracking in the palladium (Pd) film when hydrogen exposure is repeated. However, there is a problem that sensor characteristics deteriorate. In addition, when platinum (Pt) is used for the catalyst film, platinum (Pt) has a property of strongly binding to carbon monoxide (CO). Therefore, if carbon monoxide (CO) is present in the atmospheric gas, platinum (Pt) There is a problem in that the surface of Pt) is poisoned by carbon monoxide (CO), hydrogen gas cannot be dissociated into protons (H + ) and electrons (e), and hydrogen gas cannot be detected.

また、一般的に水素ガスを検知する応答時間は安全性の確保のため高速応答性である必要があるが、応答時間が非常に遅いといった問題もある。検知膜の下部に設けたヒータにより、検知膜を所定の温度に過熱する構造も提案されているが、加熱は安全上の問題や、消費電力において課題がある。特に燃料電池車においては前記課題は深刻である。   In general, the response time for detecting hydrogen gas needs to be high-speed response in order to ensure safety, but there is also a problem that the response time is very slow. A structure in which the detection film is heated to a predetermined temperature by a heater provided below the detection film has been proposed, but heating has problems in terms of safety and power consumption. The above problem is particularly serious in fuel cell vehicles.

さらに、検知膜自体の構造による検知膜自体の電気導電率のばらつきや、検知膜と、電気導電率を測定するために設けられる一対の電極との接触抵抗のばらつきによる水素ガス検知センサの電気特性やその応答性のばらつきを生じセンサの歩留まりが低下しコスト高になる。   Furthermore, the electrical characteristics of the hydrogen gas sensor due to variations in the electrical conductivity of the sensing film itself due to the structure of the sensing film itself and the variations in the contact resistance between the sensing film and a pair of electrodes provided for measuring the electrical conductivity As a result, the responsiveness of the sensor varies, and the yield of the sensor decreases and the cost increases.

本発明は、前記従来の水素ガス検知センサの課題を解決するもので、触媒の耐被毒性を向上させ、基板加熱することなく,低消費電力で、高感度、高速応答性を可能とし,しかも、検知膜の特性ばらつきを補正できる水素ガス検知センサを提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional hydrogen gas detection sensor, improves the poisoning resistance of the catalyst, enables high sensitivity and high-speed response with low power consumption without heating the substrate, and An object of the present invention is to provide a hydrogen gas detection sensor capable of correcting characteristic variations of the detection film.

従来の課題を解決するために、本発明の水素ガス検知センサは、水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、半導体基板上に形成される一対の電極と、前記一対の電極を絶縁するゲート絶縁膜を介して前記一対の電極間上部に形成される水素ガスを検知するための検知膜と、前記ゲート絶縁膜と対向して前記半導体基板の他面に形成される前記半導体基板にバイアス電圧を与えるためのゲート電極と、を備え、前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって検知膜の電位が変化する金属酸化物からなり、前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴としたものでる。 In order to solve the conventional problems, the hydrogen gas detection sensor of the present invention is a hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas, and insulates the pair of electrodes from a pair of electrodes formed on a semiconductor substrate. A detection film for detecting hydrogen gas formed above the pair of electrodes through the gate insulating film, and a bias applied to the semiconductor substrate formed on the other surface of the semiconductor substrate so as to face the gate insulating film A gate electrode for applying a voltage, and the detection film adsorbs hydrogen gas to dissociate it into protons (H + ) and electrons (e) and a proton (H + generated by the action). ) And electrons (e) are made of a metal oxide in which the potential of the detection film changes, and the catalyst uses particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film as the metal oxide particles. Disperse supported on top Out those that have been characterized by having a particulate structure.

また、本発明の水素ガス検知センサは、水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、絶縁性基板上に形成されるゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成される第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成される半導体膜と、前記半導体膜に接して形成される一対の電極と、前記一対の電極を絶縁する第2のゲート絶縁膜を介して前記一対の電極間上部に形成される水素ガスを検知するための検知膜と、を備え、前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって検知膜の電位が変化する金属酸化物からなり、前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴としたものである。 The hydrogen gas detection sensor of the present invention is a hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas, and includes a gate electrode formed on an insulating substrate and a first gate insulation formed so as to cover the gate electrode. A film, a semiconductor film formed on the first gate insulating film, a pair of electrodes formed in contact with the semiconductor film, and a second gate insulating film that insulates the pair of electrodes A detection film for detecting hydrogen gas formed on the upper part between the pair of electrodes, and the detection film has an action of adsorbing hydrogen gas and dissociating it into protons (H + ) and electrons (e). It consists of a metal oxide in which the potential of the detection film changes due to the reaction between the catalyst and protons (H + ) and electrons (e) generated by the action, and the catalyst is made up of metal oxide particles constituting the detection film. The small particle size of the metal oxide particles Is obtained is characterized by having a particle structure of dispersed and carried on.

また、本発明の水素ガス検知センサは、水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、半導体基板に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成される一対の電極と、前記一対の電極と接して前記ゲート絶縁膜上に形成される水素ガスを検知する検知膜と、前記半導体基板の他面にゲート絶縁膜と対向して形成される前記半導体基板にバイアスを与えるためのゲート電極と、を備え、前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって導電率が増加する金属酸化物からなり、前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴としたものである。 The hydrogen gas detection sensor of the present invention is a hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas, a gate insulating film formed on a semiconductor substrate, a pair of electrodes formed on the gate insulating film, A detection film for detecting hydrogen gas formed on the gate insulating film in contact with a pair of electrodes, and for applying a bias to the semiconductor substrate formed opposite to the gate insulating film on the other surface of the semiconductor substrate comprising a gate electrode, the sensing film, protons generated in the catalyst and the effect of having the action of dissociating the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) to the electrons (e) (H +) and electrons (e And the catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersed and supported on the metal oxide particles. Having It is obtained by the features.

また、本発明の水素ガス検知センサは、水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、絶縁性基板上に形成されるゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成される一対の電極と、前記一対の電極と接して前記ゲート絶縁膜上に形成される水素ガスを検知する検知膜と、を備え、前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって導電率が増加する金属酸化物からなり、前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴としたものである。 The hydrogen gas detection sensor of the present invention is a hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas, a gate electrode formed on an insulating substrate, a gate insulating film formed to cover the gate electrode, A pair of electrodes formed on the gate insulating film, and a detection film that detects hydrogen gas formed on the gate insulating film in contact with the pair of electrodes, the detection film containing hydrogen gas a metal oxide adsorbed to protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and conductivity by reaction with electrons (e) increases The catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles.

本発明の水素ガス検知センサによれば、水素ガス検知膜の発生電位がばらついてもゲート電極によりバイアス電圧を与えることにより,半導体膜の導電率制御が可能となる.またバイアス電圧を与えることにより,センサを加熱することなく、低消費電力で、高感度、高速応答の水素ガス検知センサを実現できる.
また、本発明の水素ガス検知センサによれば、水素ガス検知膜の発生電位がばらついてもゲート電極によりバイアス電圧を与えることにより,半導体膜の導電率制御が可能となる.またバイアス電圧を与えることにより,センサを加熱することなく、低消費電力で、高速応答,高感度化な水素ガス検知センサを実現できる.さらに,石英基板やセラミックス基板等絶縁性基板を使用することにより、半導体基板に比較して安価な水素ガス検知センサを提供できる.
さらに,本発明の水素ガス検知センサであって、水素ガス検知膜の導電率ばらつきをゲートで電圧により補正できるともに、センサを加熱することなく、低消費電力で、高速応答,高感度化な水素ガス検知センサを実現できる.
前記触媒は前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することにより、一酸化炭素ガスに水素ガス検知センサが暴露されても、水素ガス感度の劣化がない耐被毒性に優れた検知膜を提供できる.
According to the hydrogen gas detection sensor of the present invention, the conductivity of the semiconductor film can be controlled by applying a bias voltage from the gate electrode even if the generated potential of the hydrogen gas detection film varies. In addition, by applying a bias voltage, a hydrogen gas detection sensor with low power consumption, high sensitivity, and high speed response can be realized without heating the sensor.
Further, according to the hydrogen gas detection sensor of the present invention, the conductivity of the semiconductor film can be controlled by applying a bias voltage to the gate electrode even if the generated potential of the hydrogen gas detection film varies. By applying a bias voltage, a hydrogen gas detection sensor with low power consumption, high-speed response and high sensitivity can be realized without heating the sensor. Furthermore, by using an insulating substrate such as a quartz substrate or a ceramic substrate, an inexpensive hydrogen gas detection sensor can be provided compared to a semiconductor substrate.
Furthermore, the hydrogen gas detection sensor of the present invention is capable of correcting the conductivity variation of the hydrogen gas detection film by the voltage at the gate, and has low power consumption, high speed response and high sensitivity without heating the sensor. A gas detection sensor can be realized.
The catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersed and supported on the metal oxide particles, thereby exposing the hydrogen gas detection sensor to carbon monoxide gas. However, it is possible to provide a highly sensitive detection film that does not deteriorate the sensitivity of hydrogen gas.

以下に、本発明の水素ガス検知センサについて実施の形態を図面とともに詳細に説明する。   Embodiments of the hydrogen gas detection sensor of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

実施例1においては、本発明における水素ガス検知センサの構造、材料、動作原理、作製方法について述べるとともに、本発明の水素ガス検知センサを用いて耐被毒性、応答性、さらに、検知膜の構造、及び化学状態について評価した結果を述べる。   In Example 1, the structure, material, operation principle, and manufacturing method of the hydrogen gas detection sensor of the present invention will be described, and the hydrogen gas detection sensor of the present invention will be used for resistance to poisoning, responsiveness, and the structure of the detection film. The results of evaluating the chemical state are described.

水素ガス検知センサの構造について図1を用いて説明する。   The structure of the hydrogen gas detection sensor will be described with reference to FIG.

本発明の水素ガス検知センサの主な構成要素としては、図1に示すように,ゲート電極7と,半導体基板1と、ゲート絶縁膜2と,絶縁膜3と、半導体基板1に接して形成される一対の電極4a、4b、5a,5bと,前記一対の電極5a,5bを絶縁するゲート絶縁膜2を介して前記一対の電極4a、4b上部に形成され、最終的にプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と前記作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって電位が変化する金属酸化物からなる検知膜8と、保護膜6で構成されている.なお、電極下部の4a、4bは半導体基板1電極5a、5bとの接触抵抗を改善するために設けられた低抵抗ドーピング層である。保護膜6は、電極5a,5bでのガスの吸着解離を防ぐガスバリア層として作用するとともに、検知膜8と電極5a、5bと絶縁する役目も有する。 As shown in FIG. 1, the main components of the hydrogen gas detection sensor of the present invention are formed in contact with the gate electrode 7, the semiconductor substrate 1, the gate insulating film 2, the insulating film 3, and the semiconductor substrate 1. a pair of electrodes 4a to be, 4b, 5a, 5b and the pair of electrodes 5a, the pair of electrodes 4a 5b a through the gate insulating film 2 for insulating is formed to 4b upper finally protons (H + ) And electrons (e), a sensing film 8 made of a metal oxide whose potential changes due to a reaction between protons (H + ) and electrons (e) generated by the action, and a protective film 6. It consists of The lower electrodes 4a and 4b are low resistance doping layers provided to improve the contact resistance with the semiconductor substrate 1 electrodes 5a and 5b. The protective film 6 functions as a gas barrier layer for preventing gas adsorption and dissociation at the electrodes 5a and 5b, and also has a function of insulating the detection film 8 from the electrodes 5a and 5b.

次に水素ガス検知センサが構成される材料及び作製方法について説明する。   Next, materials and manufacturing methods for forming the hydrogen gas detection sensor will be described.

基板厚525μm,比抵抗8−12Ωcm(100)のp型シリコン半導体基板1を酸素雰囲気下1000℃で熱酸化を行い、膜厚20nmから300nmの酸化ケイ素(SiO2)膜からなるゲート絶縁膜2を形成する。続いて、絶縁膜3として、プラズマ気相成長法(P−CVD)を用いてイオン注入のマスク層となる膜厚200nmの窒化ケイ素(Si34)膜を形成し、公知のフォトリソグラフィにより、ソース電極5a及びドレイン電極5b部に相当する窒化ケイ素(Si34)膜からなる絶縁膜3、酸化ケイ素膜からなるゲート絶縁膜2をパターンニングしエッチングする。 A p-type silicon semiconductor substrate 1 having a substrate thickness of 525 μm and a specific resistance of 8-12 Ωcm (100) is thermally oxidized at 1000 ° C. in an oxygen atmosphere, and a gate insulating film 2 made of a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 20 nm to 300 nm. Form. Subsequently, as the insulating film 3, a 200 nm-thick silicon nitride (Si 3 N 4 ) film serving as a mask layer for ion implantation is formed by plasma vapor phase epitaxy (P-CVD). Then, the insulating film 3 made of a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film and the gate insulating film 2 made of a silicon oxide film corresponding to the source electrode 5a and drain electrode 5b portions are patterned and etched.

図1では、ソース電極5a及びドレイン電極5b部の絶縁膜3及びゲート絶縁膜2を貫通した構造を示しているが、ゲート絶縁膜2は、本構造に限定されるわけではなく、ソース電極5a及びドレイン電極5b部と導電性を有するドーピング層部である4aと4b間上部に形成される。ドーピング層4a、4bと一部重なるように検知膜8を形成することが望ましい。また、検知膜8とソース電極5a及びドレイン電極5bが接触し電気的に導通のないように半導体基板1上にゲート絶縁膜2を介して形成されればよい。   Although FIG. 1 shows a structure penetrating the insulating film 3 and the gate insulating film 2 in the source electrode 5a and drain electrode 5b portions, the gate insulating film 2 is not limited to this structure, and the source electrode 5a. And the drain electrode 5b and a conductive doping layer 4a and 4b. It is desirable to form the detection film 8 so as to partially overlap the doping layers 4a and 4b. Further, it may be formed on the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 2 so that the detection film 8 and the source electrode 5a and the drain electrode 5b are in contact and are not electrically connected.

然る後、一対の電極を形成する。一対の電極は、低抵抗ドーピング層と、金属電極で構成される。具体的には、リン(P)をドーズ量1015cm-2でイオン注入しn型低抵抗ドーピング層4a、4bを形成する。次に、スパッタ蒸着により、金属電極材料5a,5bとして,膜厚20nmのチタン(Ti)の下部電極と、膜厚500nm白金(Pt)の上部電極からなる積層膜を成膜して、フォトリソグラフィによりパターンニングする。さらに、保護膜6として、プラズマ気相成長法(P−CVD)を用いて、膜厚100nmの窒化ケイ素(Si34)膜と膜厚200nmの酸化ケイ素(SiO2)膜の積層膜を形成する。次にフォトリソグラフィを用いて検知膜8の開口部のパターニングを行い、保護膜6の窒化ケイ素(Si34)膜をエッチングする。 Thereafter, a pair of electrodes is formed. The pair of electrodes includes a low resistance doping layer and a metal electrode. Specifically, phosphorus (P) is ion-implanted at a dose of 10 15 cm −2 to form n-type low resistance doping layers 4a and 4b. Next, as a metal electrode material 5a, 5b, a laminated film composed of a titanium (Ti) lower electrode having a thickness of 20 nm and an upper electrode having a thickness of 500 nm platinum (Pt) is formed by sputtering deposition, and photolithography is performed. Pattern with Further, as the protective film 6, a laminated film of a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film having a thickness of 100 nm and a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 200 nm is formed by plasma vapor deposition (P-CVD). Form. Next, the opening of the detection film 8 is patterned using photolithography, and the silicon nitride (Si 3 N 4 ) film of the protective film 6 is etched.

次に、ソース電極ドーピング層4aとドレイン電極ドーピング層4bの電極間上部に酸化ケイ素(SiO2)膜からなるゲート絶縁膜2を介して水素ガスを検知する検知膜8を形成する。なお、検知膜8をソース電極ドーピング層4aドレイン電極ドーピング層4bそれぞれと一部に重なる位置に形成することで検知膜8による発生電位をソース・ドレイン電極間に形成される導電チャネルに均一に印加することができる。 Next, a detection film 8 for detecting hydrogen gas is formed on the upper portion between the source electrode doping layer 4a and the drain electrode doping layer 4b via the gate insulating film 2 made of a silicon oxide (SiO 2 ) film. The detection film 8 is formed at a position partially overlapping with the source electrode doping layer 4a and the drain electrode doping layer 4b so that the potential generated by the detection film 8 is uniformly applied to the conductive channel formed between the source and drain electrodes. can do.

検知膜8のパターン形成にはリフトオフを用いる。具体的には、ポジ型レジストを塗布し、所定の検知膜8パターン部のみレジストを除去する。その後検知膜となるゾルゲル溶液を塗布し、空気中80℃10分で乾燥後、レジストを除去することで検知膜8のパターンを形成できる。その後、検知膜を所定の条件で仮焼成後、本焼成することで検知膜8を作製する。なお、検知膜8は電極5a,5bとは電気的導通がない。   Lift-off is used for pattern formation of the detection film 8. Specifically, a positive resist is applied, and the resist is removed only in a predetermined detection film 8 pattern portion. Thereafter, a sol-gel solution serving as a detection film is applied, dried in air at 80 ° C. for 10 minutes, and then the resist is removed, whereby the pattern of the detection film 8 can be formed. Thereafter, the detection film 8 is fabricated by temporarily firing the detection film under predetermined conditions and then performing main firing. The detection film 8 is not electrically connected to the electrodes 5a and 5b.

検知膜8のパターン形成方法は上記リフトオフに限定されるわけではなく、エッチングでも形成できる。   The pattern forming method of the detection film 8 is not limited to the lift-off, and can be formed by etching.

検知膜8の本焼成後、半導体基板の他面に前記ゲート絶縁膜と対向して前記半導体基板にバイアス電圧を与えるためのゲート電極7として膜厚300nmのアルミニウム(Al)を蒸着する。図1では、ソース電極ドレイン電極がゲート絶縁膜2に貫通して形成されているが、検知部以外の領域で外部に引き出し、リード線により、ドレイン電極5bを電圧源に、ソース電極5aを電流計に接続すればよい(図示せず)。   After the detection film 8 is baked, aluminum (Al) having a film thickness of 300 nm is deposited on the other surface of the semiconductor substrate as the gate electrode 7 for applying a bias voltage to the semiconductor substrate so as to face the gate insulating film. In FIG. 1, the source electrode drain electrode is formed so as to penetrate through the gate insulating film 2. However, the drain electrode 5 b is used as a voltage source and the source electrode 5 a is used as a current source by a lead wire in a region other than the detection portion. Connect to a meter (not shown).

図2に検知膜8の模式図を示す。触媒21を金属酸化物20に分散担持してなるものであって、この様な構造が形成できる形成方法であれば如何なる方法でも良い。例えば蒸着法、浸漬法、ゾルゲル法等が上げられる。今回はゾルゲル法を用いた.ゾルゲル法を用いて金属酸化物を形成させるための前駆体となる金属酸塩(一例としてナトリウム塩を挙げる)水溶液を陽イオン交換樹脂により、ナトリウムイオン(Na+)とプロトン(H+)を交換させたゾルゲル溶液を作成し、そこに、触媒前駆体である金属錯塩を純水に溶解させた溶液を加えて均一に分散混合しゾルゲル溶液を合成した。 FIG. 2 shows a schematic diagram of the detection film 8. Any method may be used as long as it is a formation method in which the catalyst 21 is dispersedly supported on the metal oxide 20 and can form such a structure. For example, a vapor deposition method, a dipping method, a sol-gel method, etc. can be raised. This time, the sol-gel method was used. Sodium ions (Na + ) and protons (H + ) are exchanged with a cation exchange resin in an aqueous solution of a metal salt (for example, sodium salt) as a precursor for forming a metal oxide using the sol-gel method. A sol-gel solution was prepared, and a solution in which a metal complex salt as a catalyst precursor was dissolved in pure water was added to the sol-gel solution, and dispersed and mixed uniformly to synthesize a sol-gel solution.

検知膜8の塗布方法としては、スピンコート法、ディップコート法、ディスペンス法、スクリーン印刷法などを用いることが可能である。   As a method for applying the detection film 8, a spin coating method, a dip coating method, a dispensing method, a screen printing method, or the like can be used.

検知膜8として触媒を白金(Pt)とし、金属酸化物を三酸化タングステン(WO3)を用いる。ゾルゲル溶液は、まず、タングステン酸ナトリウム二水和物(Na2WO4・2H2O:純正科学株式会社)41.2gをメスフラスコに取り、純水を加えて250mLに調製し、0.5mol/Lの無色透明のタングステン酸ナトリウム(Na2WO4)水溶液を得る。次に、陽イオン交換樹脂(アンバーライトIR120B Na:オルガノ株式会社)をカラム塔に充填し、タングステン酸ナトリウム(Na2WO4)水溶液を通過させ、タングステン酸ナトリウム(Na2WO4)水溶液のナトリウムイオン(Na+)をプロトン(H+)に交換し、薄黄色のタングステン酸(H2WO4)水溶液を得る。さらに、タングステン酸(H2WO4)水溶液13mLに触媒金属であるヘキサクロロ白金酸(H2PtCl6・6H2O:和光純薬工業株式会社)を純水に、0.5mol/L溶解させた水溶液を4mLと、エタノール(C25OH)を8mL加えて均一に分散混合し、白金分散型酸化タングステンのゾルゲル溶液を合成する。
上記ゾルゲル溶液を検知膜8パターン部にスピンコータを用いて塗布する。その後、空気中で80℃10分で乾燥後、レジストを除去することで、検知膜8のパターンが形成される。次に、電気炉を用いて200℃で1時間仮焼成した後、さらに、空気50mL/分のフロー状態で焼成温度350℃から500℃で5時間焼成してから室温に冷却する。このときの検知膜8の膜厚は200nmとなるように塗布条件を設定する。
As the detection film 8, a catalyst is platinum (Pt), and a metal oxide is tungsten trioxide (WO 3 ). First, 41.2 g of sodium tungstate dihydrate (Na 2 WO 4 · 2H 2 O: Junsei Kagaku Co., Ltd.) is placed in a volumetric flask and adjusted to 250 mL with pure water. A colorless transparent sodium tungstate (Na 2 WO 4 ) aqueous solution of / L is obtained. Next, a cation exchange resin (Amberlite IR120B Na: Organo Co., Ltd.) is packed in a column tower, and an aqueous solution of sodium tungstate (Na 2 WO 4 ) is passed through to form sodium in the aqueous solution of sodium tungstate (Na 2 WO 4 ). Ions (Na + ) are exchanged for protons (H + ) to obtain a pale yellow tungstic acid (H 2 WO 4 ) aqueous solution. Furthermore, hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O: Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), which is a catalytic metal, was dissolved in 13 mL of an aqueous solution of tungstic acid (H 2 WO 4 ) in pure water at 0.5 mol / L. 4 mL of an aqueous solution and 8 mL of ethanol (C 2 H 5 OH) are added and uniformly dispersed and mixed to synthesize a sol-gel solution of platinum-dispersed tungsten oxide.
The sol-gel solution is applied to the pattern portion of the detection film 8 using a spin coater. Thereafter, after drying in air at 80 ° C. for 10 minutes, the resist is removed, whereby the pattern of the detection film 8 is formed. Next, after pre-baking at 200 ° C. for 1 hour using an electric furnace, baking is further performed at a baking temperature of 350 ° C. to 500 ° C. for 5 hours in a flow state of air at 50 mL / min, and then cooled to room temperature. The coating conditions are set so that the thickness of the detection film 8 at this time is 200 nm.

次に検知膜の作用について説明する。   Next, the operation of the detection film will be described.

図2において、検知膜8は粒径15nmから100nmの粒子金属酸化物20の集合体で構成され、隙間を有する。隙間は、検知膜8合成時において熱処理する際に、後述の金属酸化物20の合成材料であるゾルゲル溶液に含まれる水やアルコールの溶媒成分が蒸発することで形成される。金属酸化物20の集合体8の隙間は、ガスの吸着に関係し、隙間が多いほど水素ガスの吸着面積が多くなり、水素ガス感度は向上する。金属酸化物20の表面には、粒径1nm〜35nmの触媒21が分散担持されている。分散担持とは図2に示すように金属酸化物20中に触媒21が粒子となって散らばって存在し、その中の金属酸化物20の表面に触媒21が一部を金属酸化物20の表面に出た状態で吸着された状態を示している。   In FIG. 2, the detection film 8 is composed of an aggregate of particulate metal oxides 20 having a particle diameter of 15 nm to 100 nm and has a gap. The gap is formed by evaporating the solvent component of water or alcohol contained in a sol-gel solution that is a synthetic material of the metal oxide 20 described later when heat treatment is performed when the detection film 8 is synthesized. The gap between the metal oxide 20 aggregates 8 is related to gas adsorption, and as the gap increases, the hydrogen gas adsorption area increases and the hydrogen gas sensitivity improves. A catalyst 21 having a particle diameter of 1 nm to 35 nm is dispersed and supported on the surface of the metal oxide 20. As shown in FIG. 2, the dispersion support means that the catalyst 21 is dispersed in the metal oxide 20 as particles, and a part of the catalyst 21 on the surface of the metal oxide 20 is the surface of the metal oxide 20. It shows the state of being adsorbed in the state where it came out.

なお、触媒21は、検知膜8を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を金属酸化物20の粒子上に分散担持する粒子構造を有するものとする。   The catalyst 21 has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film 8 are dispersed and supported on the metal oxide 20 particles.

金属酸化物20粒子に吸着している触媒21粒子は、金属酸化物20の粒子径より 、触媒21粒子径が小さい方が好ましく、触媒21は金属酸化物20の粒子の表面に露出する面積が広いほど、水素ガスの吸着解離作用が大きくなり、プロトン(H+)生成量が多くなる。図2では、金属酸化物20の粒子表面に複数の触媒21が存在するように示されているが、金属酸化物20粒子表面の触媒21の個数を限定するものではない。 The catalyst 21 particles adsorbed on the metal oxide 20 particles preferably have a smaller catalyst 21 particle size than the particle size of the metal oxide 20, and the catalyst 21 has an area exposed on the surface of the metal oxide 20 particles. The wider, the greater the adsorption / dissociation action of hydrogen gas, and the more proton (H + ) production occurs. In FIG. 2, the plurality of catalysts 21 are shown to exist on the surface of the metal oxide 20 particles, but the number of the catalysts 21 on the surface of the metal oxide 20 particles is not limited.

検知膜8は、水素ガスを吸着して最終的にプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒21と前記作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって電位が変化する金属酸化物20に分散担持してなるものであって、検知膜8中の触媒21材料としては、水素ガスを吸着しプロトン(H+)と電子(e)に解離するものであればよく、好ましくは、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)を用いることができる。また、検知膜8中の金属酸化物20材料としては、触媒21によって解離されたプロトン(H+)と電子(e)によって電位が変化する材料であれば如何なる材料でもよい。好ましくは、プロトン(H+)と電子(e)が注入されることにより、不定比化合物を形成し、電位が変化する金属酸化物である三酸化モリブデン(MnO3)、三酸化タングステン(WO3)、二酸化チタン(TiO2)、五酸化バナジウム(V25)、酸化ニッケル(NiO2)、水酸化イリジウム(Ir(OH)n)などを用いることが可能である。 Detection film 8 is finally protons by adsorbing hydrogen gas (H +) and electrons protons generated by the action as a catalyst 21 having an effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) It is formed by being dispersedly supported on the metal oxide 20 whose potential changes by the reaction, and as the material of the catalyst 21 in the detection film 8, it adsorbs hydrogen gas and dissociates into protons (H + ) and electrons (e). Any material can be used, and palladium (Pd), iridium (Ir), and platinum (Pt) can be preferably used. Further, the metal oxide 20 material in the detection film 8 may be any material as long as the potential is changed by protons (H + ) and electrons (e) dissociated by the catalyst 21. Preferably, a proton (H + ) and an electron (e) are injected to form a non-stoichiometric compound, which is a metal oxide that changes potential, molybdenum trioxide (MnO 3 ), tungsten trioxide (WO 3). ), Titanium dioxide (TiO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO 2 ), iridium hydroxide (Ir (OH) n ), and the like.

水素ガス検知センサの電界効果トランジスタの動作原理について図1を用いて以下に説明する。一対の電極の片方5aに電源9bよりドレイン電圧VDを与え,一方ゲート電極7に電源9aより所定のゲート電圧VGと検知膜の電位ΔVにより生じる,半導体基板1
の導電チャネル11の導電率の変化を電流計10で測定する。ゲート電圧VGはバイアス電圧であり、検知膜の電位ΔVによる導電率の変化率が大きくなるように所定の電圧に設
定される。したがって、ゲート電圧VGにより検知膜8の電位ばらつきによらず、半導体基板1に所望の導電率を有する導電チャネル11を形成できる。
The operation principle of the field effect transistor of the hydrogen gas detection sensor will be described below with reference to FIG. A semiconductor substrate 1 is generated by applying a drain voltage V D from a power source 9b to one of the pair of electrodes 5a, and generating a predetermined gate voltage V G and a potential ΔV of the detection film from the power source 9a to the gate electrode 7.
The change in conductivity of the conductive channel 11 is measured with an ammeter 10. The gate voltage V G is a bias voltage, and is set to a predetermined voltage so that the rate of change in conductivity due to the potential ΔV of the detection film is increased. Therefore, the conductive channel 11 having a desired conductivity can be formed in the semiconductor substrate 1 regardless of the potential variation of the detection film 8 due to the gate voltage V G.

次に検知膜の電位ΔVの発生機構について説明する。
検知膜8では、金属酸化物20に分散担持している触媒粒子21上に水素ガスが解離吸着し、次式に示すように、吸着水素原子(Had)となる。
Next, a mechanism for generating the potential ΔV of the detection film will be described.
In the detection film 8, hydrogen gas is dissociated and adsorbed on the catalyst particles 21 dispersedly supported on the metal oxide 20, and becomes adsorbed hydrogen atoms (H ad ) as shown in the following equation.

2 → 2Had
この吸着水素原子は、次式に示すように、スピルオーバーによって触媒粒子21から検知膜3の主成分である金属酸化物20上に拡散するとともに、最終的にプロトン(H+)と電子(e)となって酸化物内20に注入される。
H 2 → 2H ad
As shown in the following equation, the adsorbed hydrogen atoms diffuse from the catalyst particles 21 onto the metal oxide 20 which is the main component of the detection film 3 due to spillover, and finally protons (H + ) and electrons (e). Into the oxide 20.

ad → H+ + e-
XH+ + Xe- + Myz → Hxyz (M:金属)
前記検知膜8の主成分である金属酸化物(Myz)はほぼ絶縁体であり、水素が存在しない雰囲気では、検知膜8は電気的に高い抵抗を有し、検知膜8の電位は0Vであるが、水素存在下で上記反応が起こり、不定比化合物(Hxyz)が生成されると電位を発生する。
H ad → H + + e -
XH + + Xe - + M y O z → H x M y O z (M: metal)
The main component is a metal oxide of the sensing film 8 (M y O z) is substantially an insulator, in the atmosphere there is no hydrogen, the sensing film 8 has an electrically high resistance, the potential of the detection film 8 is a 0V, the reaction occurs in the presence of hydrogen, the non-stoichiometric compound (H x M y O z) is generated for generating an electric potential.

金属酸化物が三酸化タングステン(WO3)の場合には検知膜の電位ΔVは最大約1V
変化する。したがって、水素ガス濃度により生成されるタングステンブロンズ量に比例して,検知膜8の電位ΔVは、0Vから最大約1Vの間のゲート電圧を発生する.
一方、水素ガスが存在しない大気雰囲気に戻せば、次式に示すように、大気の酸素ガスによって不定比化合物(Hxyz)が酸化され、金属酸化物(Myz)が再生する。これによって、検知膜8の電位ΔVは下がり、もとの0Vの状態に復帰する。 Hxyz + (X/4) O2 → Myz + (X/2)H2
以上のような動作原理によって、雰囲気ガスに含まれる水素ガスに応じて検知膜8が第2のゲート電極として作用し、半導体膜とゲート絶縁膜との界面の半導体膜導電チャネルの電気導電率を測定することによって水素ガスの検出が可能となる
構造としては,以上の構造に限られるものではない.
ゲート電極7としては電気的な導電性がある材料を用いることができる。好ましくは、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金や炭素(C)などを用いることが可能である。
金属膜の成膜方法としては、公知の抵抗加熱蒸着法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング蒸着法等が用いられる。また、炭素膜は化学気相成長法が用いられる。
When the metal oxide is tungsten trioxide (WO 3 ), the potential ΔV of the detection film is about 1 V at the maximum.
Change. Accordingly, the potential ΔV of the detection film 8 generates a gate voltage between 0 V and a maximum of about 1 V in proportion to the amount of tungsten bronze generated by the hydrogen gas concentration.
On the other hand, be returned to the atmosphere there is no hydrogen gas, as shown in the following equation, non-stoichiometric compound (H x M y O z) is oxidized by oxygen gas atmosphere, the metal oxide (M y O z) is Reproduce. As a result, the potential ΔV of the detection film 8 decreases and returns to the original 0V state. H x M y O z + ( X / 4) O 2 → M y O z + (X / 2) H 2 O
According to the operation principle as described above, the detection film 8 acts as the second gate electrode in accordance with the hydrogen gas contained in the atmospheric gas, and the electric conductivity of the semiconductor film conductive channel at the interface between the semiconductor film and the gate insulating film is increased. The structure that can detect hydrogen gas by measurement is not limited to the above structure.
As the gate electrode 7, a material having electrical conductivity can be used. Preferably, aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium ( Use metals and alloys such as Ru), rhodium (Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), gold (Au), carbon (C), etc. Is possible.
As a method for forming the metal film, a known resistance heating vapor deposition method, sputtering vapor deposition method, ion plating vapor deposition method or the like is used. Further, the chemical vapor deposition method is used for the carbon film.

半導体基板1としても,炭化ケイ素(SiC)基板、ダイヤモンド基板、あるいは窒化ガリウム(GaN)基板など低抵抗基板を使用すれば耐熱性に優れた水素ガス検知センサを提供できる.
電極材料5a,5bの上部電極は,検知膜8の焼結温度である約700℃以上で安定である材料を用いることができる。具体的には白金(Pt)以外にチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることができる.電極材料5a,5bの下部電極は半導体基板1と上部金属電極材料との密着性改善を目的とするものであり,チタン(Ti)以外に,クロム(Cr),ニッケル(Ni),モリブデン(Mo)またはこれらの合金膜または多層膜を使用できる.
また,ゲート絶縁膜2としては,窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO2)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)等や,またこれらの複合膜や積層膜を用いることが可能である.
保護膜6としては,窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)膜等の無機膜やこれらの複合膜,またポリイミド膜、エポキシ膜、ポリフッ化エチレン膜等樹脂膜、あるいは前記無機膜と樹脂膜の積層膜や複合膜を使用できる.
次に本発明の水素ガス検知センサの評価結果について説明する。
If a low resistance substrate such as a silicon carbide (SiC) substrate, a diamond substrate, or a gallium nitride (GaN) substrate is used as the semiconductor substrate 1, a hydrogen gas detection sensor excellent in heat resistance can be provided.
For the upper electrodes of the electrode materials 5a and 5b, a material that is stable at about 700 ° C. or higher, which is the sintering temperature of the detection film 8, can be used. Specifically, in addition to platinum (Pt), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium (Nb), molybdenum (Mo), Metals and alloys such as ruthenium (Ru), rhodium (Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), and gold (Au) can be used. The lower electrodes of the electrode materials 5a and 5b are intended to improve the adhesion between the semiconductor substrate 1 and the upper metal electrode material. In addition to titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo ) Or an alloy film or multilayer film thereof.
The gate insulating film 2 includes a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxide (SiO 2 ) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), oxidation It is possible to use tantalum (Ta 2 O 5 ), zirconia oxide (ZrO 2 ), etc., or a composite film or laminated film thereof.
As the protective film 6, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxide (SiO) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2) O 5 ), inorganic films such as zirconia oxide (ZrO 2 ) films, and composite films thereof, resin films such as polyimide films, epoxy films, and polyfluorinated ethylene films, or laminated films and composite films of the inorganic films and resin films. Can be used.
Next, the evaluation result of the hydrogen gas detection sensor of the present invention will be described.

ゲート長L(μm),ゲート幅W(μm)をW/L=500/50とする水素ガス検知センサを用いて,ドレイン電圧VD(9b)を±1V、1KHzで、湿度50%、水素ガス濃度0%,0.5%,1%の空気希釈ガスを導入したときの導電率Gのゲート電圧VG(9a)依存性を図3に示す。導電率Gは、ドレイン電流ID(10)と、ドレイン電圧VD(9b)とゲート長L(μm),ゲート幅W(μm)より、G=(IDL)/(VDW)より算出する。
導電率Gのゲート電圧VG(9a)依存性を図3に示す. 図3からわかるように水素ガス濃度の増加にともない,導電率G対ゲート電圧VG(9a)特性がゲート電位VG(9a)の負側にシフトする。したがって、水素ガス暴露とともに検知膜8に実効的に正の電位が発生し,導電率Gが増加することがわかる。
Using a hydrogen gas detection sensor with a gate length L (μm) and gate width W (μm) of W / L = 500/50, drain voltage V D (9b) is ± 1 V, 1 KHz, humidity 50%, hydrogen FIG. 3 shows the dependence of the conductivity G on the gate voltage V G (9a) when an air dilution gas having a gas concentration of 0%, 0.5%, and 1% is introduced. The conductivity G is determined by G = (I D L) / (V D W) from the drain current I D (10), the drain voltage V D (9b), the gate length L (μm), and the gate width W (μm). Calculate from
The dependence of conductivity G on the gate voltage V G (9a) is shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, as the hydrogen gas concentration increases, the conductivity G vs. gate voltage V G (9a) characteristic shifts to the negative side of the gate potential V G (9a). Therefore, it can be seen that a positive potential is effectively generated in the detection film 8 with the hydrogen gas exposure, and the conductivity G increases.

図4はドレイン電圧VD(9b)を±1V、1KHzで、ゲート電圧VG(9a)を−0.5V,0.5V,1Vとした時の導電率Gの水素ガス濃度依存性である.図4よりゲート電圧VGの設定により導電率Gの水素ガス感度が変化することがわかる.ゲート電圧VG(9a)を増加させるとともに,水素ガス濃度に対する導電率Gは増大する.また,ゲート電圧VG(9a)を0.5Vとするとき,水素ガス濃度に対する導電率Gの変化率が最大となる.ゲート電位VG(9a)1Vとすると,水素ガス濃度に対する導電率Gの絶対値は大きいが、導電率Gの変化率は小さい。 FIG. 4 shows the dependence of the conductivity G on the hydrogen gas concentration when the drain voltage V D (9b) is ± 1 V, 1 KHz, and the gate voltage V G (9a) is −0.5 V, 0.5 V, 1 V. . Hydrogen gas sensitivity of the conductivity G by setting the gate voltage V G from Figure 4 it can be seen that change. As the gate voltage V G (9a) is increased, the conductivity G with respect to the hydrogen gas concentration increases. When the gate voltage V G (9a) is 0.5 V, the rate of change of the conductivity G with respect to the hydrogen gas concentration is maximized. When the gate potential V G (9a) is 1 V, the absolute value of the conductivity G with respect to the hydrogen gas concentration is large, but the rate of change of the conductivity G is small.

以上のことから,ゲート電圧VG(9a)により水素ガス検知センサの水素ガス濃度に対する絶対感度および感度の変化率を制御できることがわかる.また基板として半導体基板を利用することによりセンサの微細化や,水素ガス検知センサの通信機能や、制御回路等との集積化も容易となる。 From the above, it can be seen that the absolute sensitivity to the hydrogen gas concentration of the hydrogen gas detection sensor and the rate of change of sensitivity can be controlled by the gate voltage V G (9a). In addition, by using a semiconductor substrate as the substrate, it becomes easy to miniaturize the sensor, to integrate the communication function of the hydrogen gas detection sensor, the control circuit, and the like.

次に検知膜8の構造と水素ガス感度との評価結果について説明する。   Next, the evaluation results of the structure of the detection film 8 and the hydrogen gas sensitivity will be described.

室温25℃において、水素ガス濃度1%の空気希釈ガスに暴露したときの本発明の水素ガス感度と金属酸化物平均粒子径依存性との関係を図5に示す。ドレイン電圧VDは±1V、1KHz、ゲート電圧VGを0.5Vとし、水素ガスの有無の導電率Gより算出された水素ガス感度を示している。図5には、比較例として従来のセンサであるゲート電極を有しない、すなわちゲート電圧を印加しない無バイアス時(VG=0V)の上記水素ガス検知時の水素ガス感度も示す。なお、検知膜8は触媒の主たる成分が白金(Pt)であって、金属酸化物の主たる成分が三酸化タングステン(WO3以下酸化タングステンと略す)である。検知膜8の平均粒子径は、焼成条件として空気中で50mL/分、焼成時間を5時間とし、焼成温度を350℃から700℃に変えることにより制御する。各焼成温度で形成した検知膜8の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)により、100個の酸化タングステン(WO3)微粒子の粒子径度数分布より算出する。酸化タングステン(WO3)の平均粒子径は、焼成温度350℃で約10nmであり、焼成温度とともに増加し、焼成温度700℃で約120nmとなる。なお、それぞれの焼成温度で形成した白金(Pt)触媒の平均粒子径は、図2に示すように酸化タングステンより小さく、白金(Pt)触媒が酸化タングステンに一部表面を露出して分散担持されている。 FIG. 5 shows the relationship between the hydrogen gas sensitivity of the present invention and the metal oxide average particle size dependency when exposed to an air dilution gas having a hydrogen gas concentration of 1% at room temperature of 25 ° C. The drain voltage V D is ± 1 V, 1 KHz, the gate voltage V G is 0.5 V, and shows the hydrogen gas sensitivity calculated from the conductivity G with and without hydrogen gas. FIG. 5 also shows the hydrogen gas sensitivity when the hydrogen gas is detected as a comparative example without the gate electrode that is a conventional sensor, that is, without bias (V G = 0 V) when no gate voltage is applied. In the detection film 8, the main component of the catalyst is platinum (Pt), and the main component of the metal oxide is tungsten trioxide (WO 3 or less, abbreviated as tungsten oxide). The average particle diameter of the detection film 8 is controlled by changing the firing temperature from 350 ° C. to 700 ° C. with firing conditions of 50 mL / min in air, a firing time of 5 hours. The average particle diameter of the detection film 8 formed at each firing temperature is calculated from the particle diameter frequency distribution of 100 tungsten oxide (WO 3 ) fine particles by a scanning electron microscope (SEM). The average particle diameter of tungsten oxide (WO 3 ) is about 10 nm at a firing temperature of 350 ° C., increases with the firing temperature, and becomes about 120 nm at a firing temperature of 700 ° C. The average particle size of the platinum (Pt) catalyst formed at each firing temperature is smaller than that of tungsten oxide as shown in FIG. 2, and the platinum (Pt) catalyst is partially supported by tungsten oxide with its surface exposed. ing.

図5の比較例では、感度10以上となる検知膜8の主たる成分である酸化タングステン(WO3)20の平均粒子径30nmから50nmであるが、本発明によりゲート電圧0.5Vを印加することにより、前記平均粒子径を有する検知膜の水素ガス感度は、平均粒子径15nmから80nmいずれも100以上となり、水素ガスの高感度を実現できる。 In the comparative example of FIG. 5, the average particle diameter of tungsten oxide (WO 3 ) 20 which is the main component of the detection film 8 having a sensitivity of 10 or more is 30 nm to 50 nm, but a gate voltage of 0.5 V is applied according to the present invention. Thus, the hydrogen gas sensitivity of the detection film having the average particle diameter is 100 or more in any of the average particle diameters from 15 nm to 80 nm, and high sensitivity of hydrogen gas can be realized.

ゲート電圧の設定は、上記0.5Vに限定されるものではなく、検知膜8のばらつきを考慮して、所定の水素ガス感度が得られるように設定すればよい。   The setting of the gate voltage is not limited to the above 0.5 V, and may be set so as to obtain a predetermined hydrogen gas sensitivity in consideration of variations in the detection film 8.

さらに上記本発明による検知膜8を構成する酸化タングステン(WO3)20及び、白金(Pt)触媒の構成原子の組成比、及び各構成原子の化学状態をX線光電子分光(以降XPSと略す)を用いて測定する。XPS測定には、島津製X線電子分光装置(型番AXIS−HSU)により、X線源にはMgΚα;1253.6eVを用い、測定条件は15KV,300Wとする。 Further, the composition ratio of the constituent atoms of the tungsten oxide (WO 3 ) 20 and the platinum (Pt) catalyst constituting the detection film 8 according to the present invention and the chemical state of each constituent atom are X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter abbreviated as XPS). Use to measure. For XPS measurement, an X-ray electron spectrometer (model number AXIS-HSU) manufactured by Shimadzu is used, and MgΚα; 1253.6 eV is used as an X-ray source, and measurement conditions are 15 KV and 300 W.

XPSより求めた酸化タングステン(WO3)の構成原子である酸素原子数とタングステン原子数との比「O」/「W」水素ガス感度との関係を図6に示す。 FIG. 6 shows the relationship between the ratio of the number of oxygen atoms and the number of tungsten atoms, which are constituent atoms of tungsten oxide (WO 3 ) determined by XPS, “O” / “W” hydrogen gas sensitivity.

検知膜の「O」/「W」、上記焼成温度350℃で2.54であり、焼成温度とともに増加する。ゲート電圧0Vでは、検知膜8の「O」/「W」が2.55から2.60の範囲で、水素ガス感度約10を得たが、ゲート電圧を印加することにより、2.55以上で水素ガス感度100以上を得ることわかる。   “O” / “W” of the detection film is 2.54 at the firing temperature of 350 ° C., and increases with the firing temperature. At a gate voltage of 0 V, the hydrogen gas sensitivity of about 10 was obtained when “O” / “W” of the detection film 8 was in the range of 2.55 to 2.60. However, by applying the gate voltage, 2.55 or more. It can be seen that a hydrogen gas sensitivity of 100 or more is obtained.

図7に白金(Pt)触媒の化学状態と水素ガス感度との関係を示す。白金(Pt)触媒は、焼成温度350℃で白金(Pt)触媒の18%が酸化状態となり、焼成温度とともに酸化状態が増加する傾向を示す。これは分散担持の母体となる酸化タングステンの酸化電位が焼成温度とともに増大し、酸化タングステンが固体酸になるためと考えている。ゲート電圧0Vでは、検知膜の白金(Pt)触媒の酸化状態が40%から70%で、水素ガス感度10以上を得ていたが、ゲート電圧を印加することにより、水素ガス感度が増大し、白金(Pt)触媒の酸化状態が18%以上で、水素ガス感度100以上を得ることができる。   FIG. 7 shows the relationship between the chemical state of the platinum (Pt) catalyst and the hydrogen gas sensitivity. The platinum (Pt) catalyst shows that 18% of the platinum (Pt) catalyst is in an oxidized state at a firing temperature of 350 ° C., and the oxidized state tends to increase with the firing temperature. This is thought to be because the oxidation potential of tungsten oxide serving as a base for dispersion support increases with the firing temperature, and the tungsten oxide becomes a solid acid. At a gate voltage of 0 V, the oxidation state of the platinum (Pt) catalyst of the detection film was 40% to 70%, and a hydrogen gas sensitivity of 10 or more was obtained. However, by applying a gate voltage, the hydrogen gas sensitivity increased. When the oxidation state of the platinum (Pt) catalyst is 18% or more, a hydrogen gas sensitivity of 100 or more can be obtained.

次に、本発明の水素ガス検知センサ応答のゲート電圧依存性を調べた。湿度50%とした水素ガス濃度1%の空気希釈ガスを導入してから導電率が安定するまでの時間を応答時間として、その応答時間の測定を行う。   Next, the gate voltage dependence of the hydrogen gas detection sensor response of the present invention was examined. The response time is measured using the time from the introduction of the air dilution gas having a humidity of 50% and a hydrogen gas concentration of 1% until the conductivity is stabilized.

図8より、ゲート電圧の増加に従い応答時間は短くなり、ゲート電圧0.5V以上で5秒以下の高速応答性が得られることがわかる。しかしながら、さらにゲート電圧を印加すると半導体の導電チャネルが常に形成され低抵抗となり、水素ガス感度の低下を招く。したがって、検知膜8のばらつきに応じて、ゲート電圧の最適な電圧が存在する。実際には、所望の水素ガス感度と応答時間を考慮してゲート電圧を設定すればよい。   As can be seen from FIG. 8, the response time is shortened as the gate voltage increases, and a high-speed response of 5 seconds or less can be obtained when the gate voltage is 0.5 V or more. However, when a gate voltage is further applied, a semiconductor conductive channel is always formed, resulting in a low resistance, resulting in a decrease in hydrogen gas sensitivity. Therefore, an optimum voltage of the gate voltage exists according to the variation of the detection film 8. In practice, the gate voltage may be set in consideration of the desired hydrogen gas sensitivity and response time.

また、本発明の水素ガス検知センサの耐被毒性実験結果を図9に示す。比較例として、触媒を含まない三酸化タングステン(WO3)で検知膜を形成し、しかる後に、触媒層として、白金(Pt)を形成した積層膜を用いる。上記以外は同一構造である。ドレイン電圧は±1V、1KHzとし、ゲート電圧は、水素ガス感度が最大となり、かつ応答性が5秒以下となるように設定する。室温に保持された容器にそれぞれの水素ガス検知センサを設置し、一酸化炭素ガスボンベから100%の純一酸化炭素ガスを前記容器に導入し、それぞれの水素ガス検知センサを上記雰囲気にて12時間暴露し、その後、一酸化炭素を排気後、水素ガス濃度1%の空気希釈ガスに曝露したときの導電率を測定した。図9の縦軸は、一酸化炭素雰囲気に暴露する前の出力を基準として、一酸化炭素に暴露後、水素ガス濃度1%に暴露した時の導電率の減少率を表す。図9において、従来型である積層型水素ガス検知センサは、一酸化炭素(CO)に暴露することで、暴露前の導電率と比較して導電率が80%減少するが、本発明の水素ガス検知センサは、暴露前と暴露後ともドレイン電流は変化しないことがわかる。上記より、検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい触媒粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することにより、一酸化炭素ガスに水素ガス検知センサが暴露されても、水素ガス感度の劣化がない耐被毒性に優れた水素ガス検知センサを提供できる。 FIG. 9 shows the results of the poisoning resistance experiment of the hydrogen gas detection sensor of the present invention. As a comparative example, a detection film is formed of tungsten trioxide (WO 3 ) that does not contain a catalyst, and then a laminated film in which platinum (Pt) is formed is used as the catalyst layer. Other than the above, the structure is the same. The drain voltage is set to ± 1 V and 1 KHz, and the gate voltage is set so that the sensitivity of hydrogen gas is maximized and the response is 5 seconds or less. Each hydrogen gas detection sensor is installed in a container kept at room temperature, 100% pure carbon monoxide gas is introduced into the container from a carbon monoxide gas cylinder, and each hydrogen gas detection sensor is exposed in the above atmosphere for 12 hours. Then, after evacuating carbon monoxide, the conductivity was measured when exposed to an air dilution gas having a hydrogen gas concentration of 1%. The vertical axis in FIG. 9 represents the rate of decrease in conductivity when exposed to a hydrogen gas concentration of 1% after being exposed to carbon monoxide, based on the output before being exposed to the carbon monoxide atmosphere. In FIG. 9, when the conventional stacked hydrogen gas detection sensor is exposed to carbon monoxide (CO), the conductivity is reduced by 80% compared to the conductivity before the exposure. The gas detection sensor shows that the drain current does not change before and after exposure. As described above, the hydrogen gas detection sensor is exposed to the carbon monoxide gas by having a particle structure in which catalyst particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles. However, it is possible to provide a hydrogen gas detection sensor having excellent poisoning resistance and no deterioration of hydrogen gas sensitivity.

その他の実施例を図10に示す.実施例1との違いは、基板として絶縁性基板を用いた点にある。他の構成及び製造方法は実施例1と同様である。図10を用いて構造とその製造方法について以下に説明する。絶縁性基板101である石英基板上に膜厚200nmのタンタル(Ta)からなるゲート電極102と,ゲート電極102を覆って形成される第1のゲート絶縁膜103である膜厚20nmから300nmの酸化ケイ素(SiO2)膜と半導体膜104である膜厚100nmの多結晶ケイ素(Si)膜と,前記多結晶ケイ素膜に接して形成される一対の電極のオーミック接触を形成するようにリン(P)をドーズ量1015cm-2でイオン注入して形成されるn型低抵抗ドーピング層105と106と,上記両領域上に膜厚20nm−チタン(Ti)/膜厚500nm−白金(Pt)の積層膜からなる一対の電極で構成されるソース電極107とドレイン電極108と、前記ソース電極107とドレイン電極108を絶縁する、前記半導体膜104上に形成される膜厚20nmから300nmの酸化ケイ素(SiO2)からなる第2のゲート絶縁膜109と、前記一対の電極を絶縁する第2のゲート絶縁膜109を介して前記一対の電極間上部に形成される膜厚200nmの検知膜110で構成される。なお、検知膜110は、前記ソース電極107とドレイン電極108と電気的導通はない。保護膜111は膜厚200nmの窒化シリコン(Si34)膜を用いる。 Another embodiment is shown in FIG. The difference from Example 1 is that an insulating substrate is used as the substrate. Other configurations and manufacturing methods are the same as those in the first embodiment. The structure and the manufacturing method thereof will be described below with reference to FIG. A gate electrode 102 made of tantalum (Ta) with a thickness of 200 nm on a quartz substrate, which is an insulating substrate 101, and an oxide with a thickness of 20 nm to 300 nm, which is a first gate insulating film 103 formed so as to cover the gate electrode 102 Phosphorus (P) is formed so as to form an ohmic contact between a silicon (SiO 2 ) film, a 100 nm-thick polycrystalline silicon (Si) film as the semiconductor film 104, and a pair of electrodes formed in contact with the polycrystalline silicon film. N-type low resistance doping layers 105 and 106 formed by ion implantation at a dose of 10 15 cm −2 , and a film thickness of 20 nm-titanium (Ti) / film thickness of 500 nm-platinum (Pt) on both the regions. A source electrode 107 and a drain electrode 108 constituted by a pair of electrodes made of a laminated film, and the semiconductor film 1 insulating the source electrode 107 and the drain electrode 108. And the second gate insulating film 109 made of silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 20 nm to 300 nm and the second gate insulating film 109 that insulates the pair of electrodes. A detection film 110 having a thickness of 200 nm is formed on the upper part. The detection film 110 is not electrically connected to the source electrode 107 and the drain electrode 108. As the protective film 111, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film having a thickness of 200 nm is used.

支持体として絶縁性基板101を用いることにより、半導体基板の場合と比較して大面積基板に形成でき、コスト低減の効果が得られる。   By using the insulating substrate 101 as a support, it can be formed on a large-area substrate as compared with the case of a semiconductor substrate, and an effect of cost reduction can be obtained.

また、膜厚20nm−チタン(Ti)/膜厚500nm−白金(Pt)の積層膜からなる一対の電極を構成するソース電極107とドレイン電極108を第1のゲート絶縁膜と半導体104の間に構成しても上記構造と同様の特性が得られる。すなわち、第1のゲート絶縁膜103を成膜後に、膜厚20nm−チタン(Ti)/膜厚500nm−白金(Pt)の積層膜を形成し、エッチングにより一対の電極であるソース電極107とドレイン電極108のパターン形成を行う。または、第1のゲート絶縁膜103を成膜後に、レジストでパターン形成後、一対の電極を構成する金属積層膜を形成し、レジストを除去するリフトオフ法を用いることもできる。然る後に、前記一対の電極上に半導体膜104を形成する。半導体膜104は、前記一対の電極と接して形成されればよく、半導体膜の形状を限定するものではない(図示せず)。   In addition, the source electrode 107 and the drain electrode 108 that constitute a pair of electrodes formed of a stacked film of 20 nm-titanium (Ti) / 500 nm-platinum (Pt) are provided between the first gate insulating film and the semiconductor 104. Even if configured, the same characteristics as the above structure can be obtained. That is, after forming the first gate insulating film 103, a stacked film of 20 nm-titanium (Ti) / 500 nm-platinum (Pt) is formed, and the source electrode 107 and the drain which are a pair of electrodes are formed by etching. The pattern of the electrode 108 is formed. Alternatively, a lift-off method can be used in which after the first gate insulating film 103 is formed, a metal stacked film that forms a pair of electrodes is formed after a pattern is formed with a resist, and the resist is removed. Thereafter, a semiconductor film 104 is formed over the pair of electrodes. The semiconductor film 104 may be formed in contact with the pair of electrodes and does not limit the shape of the semiconductor film (not shown).

絶縁性基板101としては,絶縁性を有するものであれば如何なる材質でも良いが、検知膜110の焼結時の加熱温度が約700℃以上であるため、耐熱性の高い材料である必要がある。好ましくは、石英(SiO2)、表面に絶縁処理された(例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si34)、窒化アルミ(AlN)、アルミナ(Al23)またはこれらの複合膜が形成施されたシリコン(Si)基板や炭化ケイ素(SiC)基板、窒化アルミ(AlN)基板、アルミナ(Al23)基板,セラミックス基板などを用いることができる。 The insulating substrate 101 may be any material as long as it has insulating properties. However, since the heating temperature during sintering of the detection film 110 is about 700 ° C. or higher, it needs to be a material having high heat resistance. . Preferably, quartz (SiO 2 ), surface-insulated (eg, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), or these A silicon (Si) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, an aluminum nitride (AlN) substrate, an alumina (Al 2 O 3 ) substrate, a ceramic substrate, or the like on which a composite film is formed can be used.

ゲート電極102としては電気的な導電性があり、検知膜110の焼結温度である約700℃以上で安定である材料を用いることができる。好ましくは、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることが可能である。電極形成は、スパッタ蒸着や、イオンプレーティング蒸着などの蒸着法以外に、印刷法や、インクジェット法用いることができる。   As the gate electrode 102, a material that is electrically conductive and is stable at a sintering temperature of the detection film 110 of about 700 ° C. or more can be used. Preferably, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium ( It is possible to use metals and alloys such as Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), and gold (Au). The electrode can be formed by a printing method or an ink jet method other than a vapor deposition method such as sputtering vapor deposition or ion plating vapor deposition.

第1のゲート絶縁膜103、及び第2のゲート絶縁膜109としては,窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)等や,またこれらの複合膜を用いることができる。形成方法としては、反応性スパッタ蒸着や、反応性イオンプレーティング蒸着、化学気相成長法(CVD)、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線ビームエピタキシィ(MBE)等が用いられる。 As the first gate insulating film 103 and the second gate insulating film 109, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxide (SiO) film, a silicon oxynitride (SiON) film, an aluminum nitride (AlN), Alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zirconia oxide (ZrO 2 ), etc., or a composite film thereof can be used. As the formation method, reactive sputter deposition, reactive ion plating deposition, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or the like is used.

半導体膜104の多結晶ケイ素膜は、基板温度500℃、水素希釈のジシランガス(Si26)を用いて減圧気相成長法(LPCVD)で膜厚100nm成膜する。 The polycrystalline silicon film of the semiconductor film 104 is formed to a thickness of 100 nm by low pressure vapor deposition (LPCVD) using a substrate temperature of 500 ° C. and hydrogen diluted disilane gas (Si 2 H 6 ).

半導体膜104としては非晶質ケイ素(α―Si)膜も使用できる。非晶質ケイ素膜の形成は、基板温度約300℃で、水素希釈のシランガス(SiH4)を用いて、プラズマ気相成長法(P−CVD)を用いて成膜できる。 As the semiconductor film 104, an amorphous silicon (α-Si) film can also be used. The amorphous silicon film can be formed by plasma vapor phase epitaxy (P-CVD) using hydrogen diluted silane gas (SiH 4 ) at a substrate temperature of about 300 ° C.

ソース電極107とドレイン電極108領域にオーミック接触改善のために、リン(P)をイオン注入しn型ドーピング層を形成するが、n型ドーピング源としては、ヒ素(As)も使用できる。一方、ボロン(B)をイオン注入し、p型ドーピング層を形成後、ソース電極107とドレイン電極108を形成してもよい.イオン注入の代わりに、プラズマドーピングによりn型あるいはp型ドーピング層を形成してもよい。   In order to improve ohmic contact in the source electrode 107 and drain electrode 108 regions, phosphorus (P) is ion-implanted to form an n-type doping layer. As the n-type doping source, arsenic (As) can also be used. On the other hand, the source electrode 107 and the drain electrode 108 may be formed after ion implantation of boron (B) to form the p-type doping layer. Instead of ion implantation, an n-type or p-type doped layer may be formed by plasma doping.

ソース電極107とドレイン電極108の電極材料としては,白金(Pt)以外にチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることができる.電極材料107,108の下部電極は半導体膜と上部金属電極材料との密着性改善を目的とするものであり,チタン(Ti)以外に,クロム(Cr),ニッケル(Ni),モリブデン(Mo)またはこれらの合金膜または多層膜を使用できる.
保護膜111としては,窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)膜等の無機膜やこれらの複合膜,またポリイミド膜、エポキシ膜、ポリフッ化エチレン膜等樹脂膜、あるいは前記無機膜と樹脂膜の積層膜や複合膜を使用できる.
実施例1と比較して絶縁性基板を使用することにより半導体基板に比べて安価に水素ガス検知センサを実現できる.実施例1の場合と同様に,水素ガス濃度に応じて検知膜110にタングステンブロンズが形成され電位を生じる。半導体膜104と第2のゲート絶縁膜109との界面に形成される導電チャネルの導電率が,水素ガス濃度により生じた電位により変化するので水素ガス濃度の計測が可能となる。実施例1と同様にゲート電極102により,水素ガス濃度に対する絶対感度および感度の変化率を制御できる.また本発明の検知膜により一酸化炭素ガスに対する耐被毒性も確認されている。
As an electrode material of the source electrode 107 and the drain electrode 108, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium as well as platinum (Pt). Metals such as (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), gold (Au) And alloys can be used. The lower electrodes of the electrode materials 107 and 108 are intended to improve the adhesion between the semiconductor film and the upper metal electrode material. In addition to titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo) Alternatively, these alloy films or multilayer films can be used.
As the protective film 111, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxide (SiO) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2) O 5 ), inorganic films such as zirconia oxide (ZrO 2 ) films, and composite films thereof, resin films such as polyimide films, epoxy films, and polyfluorinated ethylene films, or laminated films and composite films of the inorganic films and resin films. Can be used.
By using an insulating substrate as compared with Example 1, a hydrogen gas detection sensor can be realized at a lower cost than a semiconductor substrate. Similar to the case of the first embodiment, tungsten bronze is formed on the detection film 110 according to the hydrogen gas concentration to generate a potential. Since the conductivity of the conductive channel formed at the interface between the semiconductor film 104 and the second gate insulating film 109 changes depending on the potential generated by the hydrogen gas concentration, the hydrogen gas concentration can be measured. As in the first embodiment, the absolute sensitivity to the hydrogen gas concentration and the rate of change in sensitivity can be controlled by the gate electrode 102. Moreover, the poisoning resistance with respect to carbon monoxide gas is also confirmed by the detection film | membrane of this invention.

即ち、水素ガスを検知して検知膜110に発生する電位は、半導体膜104と第2のゲート絶縁膜109との界面下のドーピング層105と106間に形成される導電チャンネルに作用してその導電率の変化させるので水素ガス濃度を測定できる。   That is, the potential generated in the detection film 110 when hydrogen gas is detected acts on the conductive channel formed between the doping layers 105 and 106 below the interface between the semiconductor film 104 and the second gate insulating film 109. Since the conductivity is changed, the hydrogen gas concentration can be measured.

その他の実施例を図11に示す。前記実施例1及び2との違いは,検知膜206が、一対の電極であるソース電極及びドレイン電極と電気的に導通しており,電流源として作用することである。すなわち検知膜自体に水素ガス濃度に応じて導電チャネルが形成される。   Another embodiment is shown in FIG. The difference from the first and second embodiments is that the detection film 206 is electrically connected to a source electrode and a drain electrode, which are a pair of electrodes, and functions as a current source. That is, a conductive channel is formed in the detection film itself according to the hydrogen gas concentration.

比抵抗8−12Ωcm(100)のp型シリコン(Si)半導体基板201と、前記半導体基板上に熱酸化法で形成した膜厚300nmの酸化ケイ素(SiO2)膜からなるゲート絶縁膜202と、前記ゲート絶縁膜202上に形成された膜厚20nmのチタン(Ti)からなる下部電極と膜厚500nmの白金(Pt)からなる上部電極の積層膜からなる一対の電極203、204を構成する。ドレイン電極とソース電極はゲート絶縁膜202との良好な導電性を得るための下部電極上に形成され、構造上は、203と204のどちらがドレイン電極又はソース電極としても構わない。検知膜206は、ドレイン電極とソース電極からなる一対の電極のそれぞれと接触するとともに、ゲート絶縁膜202上に形成される。そして水素ガスの検知部は、水素ガスを吸着して最終的にプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒21と前記作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって導電率が増加する金属酸化物20に分散担持してなる検知膜206と、保護膜205から構成される。なお、検知膜206は、前記ソース電極とドレイン電極と電気的導通がある。 A p-type silicon (Si) semiconductor substrate 201 having a specific resistance of 8-12 Ωcm (100), a gate insulating film 202 made of a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 300 nm formed on the semiconductor substrate by a thermal oxidation method, A pair of electrodes 203 and 204 are formed of a laminated film of a lower electrode made of titanium (Ti) with a thickness of 20 nm and an upper electrode made of platinum (Pt) with a thickness of 500 nm formed on the gate insulating film 202. The drain electrode and the source electrode are formed on the lower electrode for obtaining good conductivity with the gate insulating film 202, and any one of 203 and 204 may be used as the drain electrode or the source electrode in terms of structure. The detection film 206 is formed on the gate insulating film 202 while being in contact with each of a pair of electrodes including a drain electrode and a source electrode. The detection portion of the hydrogen gas is adsorbed hydrogen gas finally protons (H +) and protons generated in the action as a catalyst 21 having an action to dissociate the electrons (e) (H +) and electrons (e ) And a protective film 205 formed by dispersing and supporting the metal oxide 20 whose conductivity is increased by the reaction. The detection film 206 is electrically connected to the source electrode and the drain electrode.

ゲート電極207は電気的な導電性があり、検知膜208の焼結温度である約700℃以上で安定である材料を用いることができる。好ましくは、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金を用いることができる.また検知膜の焼成後であれば、ゲート電極207として半導体シリコン基板の自然酸化膜をエッチング後、真空蒸着やスパッタ蒸着などを用いてアルミニウム(Al)など低融点金属も用いることができる。   For the gate electrode 207, a material that is electrically conductive and is stable at about 700 ° C. or higher, which is the sintering temperature of the detection film 208, can be used. Preferably, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium ( Metals and alloys such as Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), and gold (Au) can be used. If the detection film is fired, a low-melting-point metal such as aluminum (Al) can be used after the natural oxide film of the semiconductor silicon substrate is etched as the gate electrode 207 and then vacuum deposition or sputter deposition is used.

ゲート電極を構成するp型シリコン(Si)半導体の代わりにn型シリコン(Si)半導体基板を使用できる.
ゲート絶縁膜202は,酸化珪素(SiO2)膜以外に窒化ケイ素(Si34)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)等や,またこれらの複合膜や積層膜を用いることができる。形成方法としては、反応性スパッタ蒸着や、反応性イオンプレーティング蒸着、化学気相成長法(CVD)、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線ビームエピタキシィ(MBE)等が用いられる。
An n-type silicon (Si) semiconductor substrate can be used instead of the p-type silicon (Si) semiconductor constituting the gate electrode.
In addition to the silicon oxide (SiO 2 ) film, the gate insulating film 202 includes a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide ( Ta 2 O 5 ), zirconia oxide (ZrO 2 ), or the like, or a composite film or a laminated film thereof can be used. As the formation method, reactive sputter deposition, reactive ion plating deposition, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or the like is used.

ソース電極とドレイン電極の上部電極204の材料としては,白金(Pt)以外にチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることができる.下部電極203は半導体基板201と上部金属電極204材料との密着性改善を目的とするものであり,チタン(Ti)以外に,クロム(Cr),ニッケル(Ni),モリブデン(Mo)またはこれらの合金膜または多層膜を使用できる.
検知膜206は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)とに反応することによって後述のように水素ガス濃度に応じて導電率が増加(あるいは、変化)する金属酸化物に前記触媒粒子が分散担持してなるものであって、構造としては図2に示すように、粒径15nmから100nmの粒子金属酸化物20の集合体で構成され、隙間を有する。隙間は、検知膜206合成時において熱処理する際に、後述の金属酸化物20の合成材料であるゾルゲル溶液に含まれる水やアルコールの溶媒成分が蒸発することで形成される。金属酸化物20の集合体の隙間は、ガスの吸着に関係し、隙間が多いほど水素ガスの吸着面積が多くなり、水素ガス感度は向上する。金属酸化物20の表面には、粒径1nm〜35nmの触媒21が分散担持されている。分散担持とは図2に示すように金属酸化物20中に触媒21が粒子となって散らばって存在し、その中の金属酸化物20の表面に触媒21が一部を金属酸化物20の表面に出た状態で吸着された状態を示している。
As a material of the upper electrode 204 of the source electrode and the drain electrode, in addition to platinum (Pt), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), Niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), gold (Au), etc. Metals and alloys can be used. The lower electrode 203 is for the purpose of improving the adhesion between the semiconductor substrate 201 and the upper metal electrode 204. In addition to titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo), or these Alloy film or multilayer film can be used.
Detection film 206, by reacting the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) As will be described later, the catalyst particles are dispersed and supported on a metal oxide whose conductivity increases (or changes) depending on the hydrogen gas concentration. As shown in FIG. It is composed of an aggregate of 15 to 100 nm particulate metal oxide 20 and has a gap. The gap is formed by evaporating the solvent components of water and alcohol contained in a sol-gel solution that is a synthetic material of the metal oxide 20 described later when heat treatment is performed during the synthesis of the detection film 206. The gaps between the aggregates of the metal oxides 20 are related to gas adsorption, and as the gaps increase, the hydrogen gas adsorption area increases and the hydrogen gas sensitivity improves. A catalyst 21 having a particle diameter of 1 nm to 35 nm is dispersed and supported on the surface of the metal oxide 20. As shown in FIG. 2, the dispersion support means that the catalyst 21 is dispersed in the metal oxide 20 as particles, and a part of the catalyst 21 on the surface of the metal oxide 20 is the surface of the metal oxide 20. It shows the state of being adsorbed in the state where it came out.

なお、触媒21は、検知膜206を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を金属酸化物20の粒子上に分散担持する粒子構造を有するものとする。   The catalyst 21 has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film 206 are dispersed and supported on the metal oxide 20 particles.

金属酸化物20粒子に吸着している、触媒21粒子は、金属酸化物20の粒子径より 、触媒21粒子径が小さい方が好ましく、触媒21は金属酸化物20の粒子の表面に露出する面積が広いほど、水素ガスの吸着解離作用が大きくなり、プロトン(H+)生成量が多くなる。図2では、金属酸化物20の粒子表面に複数の触媒21が存在するように示されているが、金属酸化物20粒子表面の触媒21の個数を限定するものではない。 The catalyst 21 particles adsorbed on the metal oxide 20 particles preferably have a smaller catalyst 21 particle diameter than the metal oxide 20 particle diameter. The catalyst 21 is exposed on the surface of the metal oxide 20 particles. The wider, the greater the adsorption / dissociation action of hydrogen gas, and the more proton (H + ) production. In FIG. 2, the plurality of catalysts 21 are shown to exist on the surface of the metal oxide 20 particles, but the number of the catalysts 21 on the surface of the metal oxide 20 particles is not limited.

検知膜206中の触媒21材料としては、水素ガスを吸着しプロトン(H+)と電子(e)に解離するものであればよく、好ましくは、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)を用いることができる。また、検知膜206中の金属酸化物20材料としては、触媒21によって解離されたプロトン(H+)と電子(e)によって導電率が増加する材料であれば如何な材料でもよい。好ましくは、プロトン(H+)と電子(e)が注入されることにより、不定比化合物を形成し、導電率が増加する金属酸化物である三酸化モリブデン(MnO3)、三酸化タングステン(WO3)、二酸化チタン(TiO2)、五酸化バナジウム(V25)、酸化ニッケル(NiO2)、水酸化イリジウム(Ir(OH)n)などを用いることが可能である。 The catalyst 21 material in the detection film 206 may be any material that adsorbs hydrogen gas and dissociates into protons (H + ) and electrons (e), and preferably palladium (Pd), iridium (Ir), platinum ( Pt) can be used. The metal oxide 20 material in the detection film 206 may be any material as long as the conductivity is increased by protons (H + ) and electrons (e) dissociated by the catalyst 21. Preferably, by injecting protons (H + ) and electrons (e), a non-stoichiometric compound is formed, and molybdenum trioxide (MnO 3 ) or tungsten trioxide (WO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO 2 ), iridium hydroxide (Ir (OH) n ), and the like can be used.

保護膜205としては,窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)膜等の無機膜やこれらの複合膜,またポリイミド膜、エポキシ膜、ポリフッ化エチレン膜等樹脂膜、あるいは前記無機膜と樹脂膜の積層膜や複合膜を使用できる.保護膜としては、ガス透過性の低い材料が望ましい。無機膜の形成方法としては、ゲート絶縁膜と同様に反応性スパッタ蒸着や、反応性イオンプレーティング蒸着、化学気相成長法(CVD)、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線ビームエピタキシィ(MBE)等が用いられる。樹脂膜の形成方法としては、スピンコート法、ディップコート法、ディスペンス法、スクリーン印刷法等塗布工程とフォトリソグラフィを用いてパターン形成できる。 As the protective film 205, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxide (SiO) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2) O 5 ), inorganic films such as zirconia oxide (ZrO 2 ) films, and composite films thereof, resin films such as polyimide films, epoxy films, and polyfluorinated ethylene films, or laminated films and composite films of the inorganic films and resin films. Can be used. As the protective film, a material having low gas permeability is desirable. As for the method of forming the inorganic film, reactive sputtering deposition, reactive ion plating deposition, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy are used as in the gate insulating film. (MBE) or the like is used. As a method for forming the resin film, a pattern can be formed using a coating process such as a spin coating method, a dip coating method, a dispensing method, a screen printing method, and photolithography.

本発明の水素ガス検知センサの動作原理について説明する。   The operation principle of the hydrogen gas detection sensor of the present invention will be described.

動作原理としては、雰囲気ガス中に水素ガスが存在すると、はじめに、触媒21粒子上に水素ガスが解離吸着し、次式に示すように、吸着水素原子(Had)となる。 As an operation principle, when hydrogen gas is present in the atmospheric gas, first, the hydrogen gas is dissociated and adsorbed on the catalyst 21 particles, and becomes an adsorbed hydrogen atom (H ad ) as shown in the following equation.

2 → 2Had
この吸着水素原子は、次式に示すように、スピルオーバーによって触媒21粒子から検知膜206の主成分である金属酸化物20上に拡散するとともに、最終的にプロトン(H+)と電子(e)となって酸化物20内に注入される。
H 2 → 2H ad
As shown in the following equation, the adsorbed hydrogen atoms diffuse from the catalyst 21 particles onto the metal oxide 20 which is the main component of the detection film 206 by spillover, and finally protons (H + ) and electrons (e). Into the oxide 20.

ad → H+ + e-
XH+ + Xe- + Myz → Hxyz (M:金属)
前記検知膜206の主成分である金属酸化物(Myz)20はほぼ絶縁体であり、水素が存在しない雰囲気では、検知膜206は電気的に高い抵抗を有する。水素存在下で上記反応が起こり、良導体である不定比化合物(Hxyz)が生成する。
H ad → H + + e -
XH + + Xe - + M y O z → H x M y O z (M: metal)
The main component metal oxide which is a detection film 206 (M y O z) 20 is substantially an insulator, in the atmosphere there is no hydrogen, detection film 206 has an electrically high resistance. The reaction takes place in the presence of hydrogen, non-stoichiometric compound is a good conductor (H x M y O z) is produced.

一方、水素が存在しない大気雰囲気に戻れば、次式に示すように、大気中の酸素ガスによって不定比化合物(Hxyz)が酸化され、金属酸化物(Myz)が再生する。これに伴って検知膜206の電気導電率は低くなり、もとの絶縁性の状態に復帰する。 On the other hand, Returning to the atmosphere there is no hydrogen, as shown in the following equation, non-stoichiometric compound with oxygen gas in the atmosphere (H x M y O z) is oxidized, a metal oxide (M y O z) is Reproduce. Along with this, the electric conductivity of the detection film 206 is lowered and returns to the original insulating state.

xyz + (X/4) O2 → Myz + (X/2)H2
以上のような動作原理によって、雰囲気ガスに含まれる水素ガスに応じて検知膜206が電流源として作用し、検知膜206とゲート絶縁膜202との界面の検知膜導電チャネルの電気導電率を測定することによって水素ガスの検出が可能となる。
H x M y O z + ( X / 4) O 2 → M y O z + (X / 2) H 2 O
Based on the operation principle as described above, the sensing film 206 acts as a current source according to the hydrogen gas contained in the atmospheric gas, and the electrical conductivity of the sensing film conductive channel at the interface between the sensing film 206 and the gate insulating film 202 is measured. By doing so, it becomes possible to detect hydrogen gas.

もし検知膜206の電気導電率にばらつきがある場合,ゲート電極207に所望の電位を印加することにより,ゲート絶縁膜202と検知膜206の界面の検知膜206に形成されるプロトン蓄積層(または電子蓄積層)を制御できることから,検知膜206の電気導電率のばらつきを補正できる.
以下に本発明における水素ガス検知センサの実験結果を示す。
If the electric conductivity of the detection film 206 varies, a proton accumulation layer (or a layer formed on the detection film 206 at the interface between the gate insulating film 202 and the detection film 206 is applied by applying a desired potential to the gate electrode 207 (or Since the electron storage layer can be controlled, variations in the electrical conductivity of the sensing film 206 can be corrected.
The experimental results of the hydrogen gas detection sensor in the present invention are shown below.

検知膜206には、実施例1と同様に、触媒の主たる成分が白金(Pt)であって、金属酸化物の主たる成分が三酸化タングステン(WO3以下酸化タングステンと略す)からなる検知膜を用いる。検知膜206の平均粒子径は、焼成条件として空気中で50mL/分、焼成時間を5時間とし、焼成温度を350℃から700℃に変えることにより制御する。 Similarly to Example 1, the detection film 206 is a detection film in which the main component of the catalyst is platinum (Pt) and the main component of the metal oxide is tungsten trioxide (WO 3 or less, abbreviated as tungsten oxide). Use. The average particle size of the detection film 206 is controlled by changing the firing temperature from 350 ° C. to 700 ° C. with firing conditions of 50 mL / min in air, a firing time of 5 hours.

図12に、湿度50%、水素ガス濃度を0%、0.5%、1%の空気希釈ガスに暴露した場合の導電率Gのゲート電圧VG依存性を示す。実施例1と違い、導電率Gは、ゲート電圧に対して、ほぼ対称的に、ゲート電圧とともに増大する。   FIG. 12 shows the dependence of the conductivity G on the gate voltage VG when exposed to an air dilution gas having a humidity of 50% and a hydrogen gas concentration of 0%, 0.5%, and 1%. Unlike Example 1, the conductivity G increases with the gate voltage almost symmetrically with respect to the gate voltage.

導電率の水素ガス濃度依存性を図13に示す。図13では、ゲート電圧をパラメートとしてプロットしている。図13より、ゲート電圧とともに水素ガス暴露時の導電率が増大することがわかる。ゲート電圧0.5Vの時に導電率の水素ガス濃度に対する変化が最大となり、さらにゲート電圧を増加すると、導電率は大きくなるが、導電率の水素ガス濃度に対する変化率は小さい。したがって、本発明によれば、水素ガス検知センサの感度と感度の変化率が最大となるようにゲート電圧を調整できることが分かる。検知膜の導電率の増加する理由を発明者は以下のように考えている。すなわち、本発明の構造では,ゲート電極に印加するバイアスの極性に応じてプロトン(H+)と電子(e)を分離できることから,プロトン(H+)と電子(e)結合確率を低減でき,それらの平均余命が長くなり,その結果,検知膜の低抵抗化(高導電率化)を実現できる.したがって検知膜を加熱することなく、低消費電力で高感度化と高速化が可能となる.
また、本発明による水素ガス検知センサの検知膜を構成する金属酸化物平均粒子径のゲート電圧の効果も、実施例1と同様に、所望のゲート電圧を印加することにより、水素ガスの高感度を実現できることを確認している。
FIG. 13 shows the dependence of the conductivity on the hydrogen gas concentration. In FIG. 13, the gate voltage is plotted as a parameter. FIG. 13 shows that the conductivity at the time of hydrogen gas exposure increases with the gate voltage. When the gate voltage is 0.5 V, the change of the conductivity with respect to the hydrogen gas concentration becomes maximum, and when the gate voltage is further increased, the conductivity increases, but the change rate of the conductivity with respect to the hydrogen gas concentration is small. Therefore, according to the present invention, it can be seen that the gate voltage can be adjusted so that the sensitivity of the hydrogen gas detection sensor and the rate of change in sensitivity are maximized. The inventor considers the reason why the conductivity of the detection film increases as follows. That is, in the structure of the present invention, proton (H + ) and electron (e) can be separated according to the polarity of the bias applied to the gate electrode, so that the probability of proton (H + ) and electron (e) coupling can be reduced, Their life expectancy becomes longer, and as a result, low resistance (high conductivity) of the sensing film can be realized. Therefore, high sensitivity and high speed can be achieved with low power consumption without heating the sensing film.
Moreover, the effect of the gate voltage of the average particle diameter of the metal oxide constituting the detection film of the hydrogen gas detection sensor according to the present invention is also the same as in Example 1 by applying a desired gate voltage, so that the sensitivity of hydrogen gas is high. It is confirmed that can be realized.

さらに、検知膜の触媒粒子の酸化状態についても、実施例1と同様に酸化数が大ほど水素ガス感度は増大する傾向を示し、検知膜の触媒の主たる成分が白金(Pt)であって、金属酸化物の主たる成分が三酸化タングステン(WO3以下酸化タングステンと略す)からなる検知膜の場合に、所定のゲート電圧化において、白金が18%以上酸化している場合に、水素ガス感度100以上が得られる。 Further, as for the oxidation state of the catalyst particles of the detection film, the hydrogen gas sensitivity tends to increase as the oxidation number increases as in Example 1, and the main component of the detection film catalyst is platinum (Pt), In the case where the main component of the metal oxide is a detection film made of tungsten trioxide (WO 3 or less, abbreviated as tungsten oxide), the hydrogen gas sensitivity is 100 when platinum is oxidized by 18% or more at a predetermined gate voltage. The above is obtained.

本発明の検知膜の構造体から、実施例1及び2と同様に一酸化炭素ガスに対する耐被毒性も有することを確認している。   From the structure of the detection film of the present invention, it has been confirmed that it has poisoning resistance to carbon monoxide gas as in Examples 1 and 2.

その他の実施例を図14に示す。本実施例は、実施例3と原理的には同じ電流源型の水素ガス検知センサである。実施例3と比べて、基板として絶縁性基板を用いた点にある。他の構成及び製造方法は実施例3と同様である。   Another embodiment is shown in FIG. The present embodiment is a current source type hydrogen gas detection sensor that is theoretically the same as the third embodiment. Compared to the third embodiment, an insulating substrate is used as the substrate. Other configurations and manufacturing methods are the same as those in the third embodiment.

図14を用いて構造とその製造方法について以下に説明する。絶縁性基板301である石英基板上に膜厚200nmのタンタル(Ta)からなるゲート電極302と,ゲート電極302を覆って形成される膜厚300nmの酸化ケイ素(SiO2)膜からなるゲート絶縁膜303と、ゲート絶縁膜303に接して形成される膜厚20nmのチタン(Ti)からなる下部電極304と、膜厚500nmの白金(Pt)からなる上部電極305で一対の電極を構成するソース電極とドレイン電極と、前記一対の電極と接して、ゲート絶縁膜303上に形成される膜厚200nmの検知膜308と、膜厚200nmの窒化シリコン(Si34)膜の保護膜306とからなる。 The structure and the manufacturing method thereof will be described below with reference to FIG. A gate electrode 302 made of tantalum (Ta) having a thickness of 200 nm on a quartz substrate which is an insulating substrate 301, and a gate insulating film made of a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 300 nm formed so as to cover the gate electrode 302 A source electrode constituting a pair of electrodes 303, a lower electrode 304 made of titanium (Ti) with a thickness of 20 nm formed in contact with the gate insulating film 303, and an upper electrode 305 made of platinum (Pt) with a thickness of 500 nm A 200 nm-thickness detection film 308 formed on the gate insulating film 303 and a 200 nm-thickness silicon nitride (Si 3 N 4 ) film protection film 306 in contact with the pair of electrodes. Become.

また、ゲート絶縁膜303を形成後、ゲート電極302に重なるように検知膜307を形成し、パターン形成後、膜厚20nmのチタン(Ti)からなる下部電極304と、膜厚500nmの白金(Pt)からなる上部電極305で一対の電極を構成するソース電極とドレイン電極とを形成してもよい(図示せず)。本構造では、白金、パラジウム、イリジウムなど水素ガスに対して活性のある金属を使う場合には、金属電極を覆って水素ガスバリア層となる保護膜が必要となる。保護膜には膜厚200nmの窒化シリコン(Si34)膜が望ましい。 Further, after forming the gate insulating film 303, a detection film 307 is formed so as to overlap the gate electrode 302. After pattern formation, a lower electrode 304 made of titanium (Ti) with a thickness of 20 nm and platinum (Pt with a thickness of 500 nm) are formed. A source electrode and a drain electrode that constitute a pair of electrodes may be formed by the upper electrode 305 made of (not shown). In this structure, when a metal active against hydrogen gas, such as platinum, palladium, or iridium, is used, a protective film that covers the metal electrode and serves as a hydrogen gas barrier layer is required. The protective film is preferably a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film having a thickness of 200 nm.

絶縁性基板301としては,絶縁性を有するものであれば如何なる材質でも良いが、検知膜308の焼結時の加熱温度が約700℃以上であるため、耐熱性の高い材料である必要がある。好ましくは、石英(SiO2)、表面に絶縁処理された(例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si34)、窒化アルミ(AlN)、アルミナ(Al23)またはこれらの複合膜が形成施されたシリコン(Si)基板や炭化ケイ素(SiC)基板、窒化アルミ(AlN)基板、アルミナ(Al23)基板,セラミックス基板などを用いることができる。 The insulating substrate 301 may be made of any material as long as it has insulating properties. However, since the heating temperature during sintering of the detection film 308 is about 700 ° C. or higher, the insulating substrate 301 needs to be a material having high heat resistance. . Preferably, quartz (SiO 2 ), surface-insulated (eg, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), or these A silicon (Si) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, an aluminum nitride (AlN) substrate, an alumina (Al 2 O 3 ) substrate, a ceramic substrate, or the like on which a composite film is formed can be used.

ゲート電極302としては電気的な導電性があり、検知膜307の焼結温度である約700℃以上で安定である材料を用いることができる。好ましくは、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることが可能である。電極形成は、スパッタ蒸着や、イオンプレーティング蒸着などの蒸着法以外に、印刷法や、インクジェット法用いることができる。   As the gate electrode 302, a material that has electrical conductivity and is stable at about 700 ° C. or higher, which is the sintering temperature of the detection film 307, can be used. Preferably, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium ( Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), gold (Au), and other metals and alloys can be used. The electrode can be formed by a printing method or an ink jet method other than a vapor deposition method such as sputtering vapor deposition or ion plating vapor deposition.

ゲート絶縁膜303としては,酸化ケイ素(SiO2)膜,窒化ケイ素(Si34)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)等や,またこれらの複合膜を用いることができる。形成方法としては、反応性スパッタ蒸着や、反応性イオンプレーティング蒸着、化学気相成長法(CVD)、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線ビームエピタキシィ(MBE)等が用いられる。 As the gate insulating film 303, a silicon oxide (SiO 2 ) film, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, a silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide ( Ta 2 O 5 ), zirconia oxide (ZrO 2 ), or the like, or a composite film thereof can be used. As the formation method, reactive sputter deposition, reactive ion plating deposition, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or the like is used.

ソース電極とドレイン電極の上部電極305の材料としては,白金(Pt)以外にチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)白金(Pt)、金(Au)などの金属及び合金などを用いることができる.下部電極304はゲート絶縁膜303と上部金属電極材料との密着性改善を目的とするものであり,チタン(Ti)以外に,クロム(Cr),ニッケル(Ni),モリブデン(Mo)またはこれらの合金膜または多層膜を使用できる.
保護膜306としては、窒化ケイ素(Si34)膜,酸化ケイ素(SiO)膜,酸窒化ケイ素(SiON)膜,窒化アルミ(AlN),アルミナ(Al23),酸化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニア(ZrO2)膜等の無機膜やこれらの複合膜,またポリイミド膜、エポキシ膜、ポリフッ化エチレン膜等樹脂膜、あるいは前記無機膜と樹脂膜の積層膜や複合膜を使用できる.保護膜としては、ガス透過性の低い材料が望ましい。無機膜の形成方法としては、ゲート絶縁膜と同様に反応性スパッタ蒸着や、反応性イオンプレーティング蒸着、化学気相成長法(CVD)、有機金属化学堆積法(MOCVD)、分子線ビームエピタキシィ(MBE)等が用いられる。樹脂膜の形成方法としては、スピンコート法、ディップコート法、ディスペンス法、スクリーン印刷法等塗布工程とフォトリソグラフィを用いてパターン形成できる。
As the material of the upper electrode 305 of the source electrode and the drain electrode, in addition to platinum (Pt), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), Niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), silver (Ag), tantalum (Ta), osmium (Os), iridium (Ir) platinum (Pt), gold (Au), etc. Metals and alloys can be used. The lower electrode 304 is intended to improve the adhesion between the gate insulating film 303 and the upper metal electrode material. In addition to titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo), or these Alloy film or multilayer film can be used.
As the protective film 306, silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, silicon oxide (SiO) film, silicon oxynitride (SiON) film, aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2) O 5 ), inorganic films such as zirconia oxide (ZrO 2 ) films, and composite films thereof, resin films such as polyimide films, epoxy films, and polyfluorinated ethylene films, or laminated films and composite films of the inorganic films and resin films. Can be used. As the protective film, a material having low gas permeability is desirable. As for the method of forming the inorganic film, reactive sputtering deposition, reactive ion plating deposition, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy are used as in the gate insulating film. (MBE) or the like is used. As a method for forming the resin film, a pattern can be formed using a coating process such as a spin coating method, a dip coating method, a dispensing method, a screen printing method, and photolithography.

実施例3と比較して絶縁性基板を使用することにより半導体基板に比べて安価に水素ガス検知センサを実現できる.実施例3の場合と同様に,水素ガス濃度に応じて検知膜307の金属酸化物に電子とプロトンが注入されて不定比化合物が形成され、検知膜307の導電率が増大する。特にゲート電極302によりゲート電圧を印加することにより、上記導電チャネルは、ゲート絶縁膜303側の検知膜307界面に形成され、前記導電チャネルはゲート電圧により制御できる。したがって、水素ガス検知センサの感度と感度の変化率を考慮してゲート電圧を調整することにより、所望の特性を有する水素ガス検知センサを提供できる。また本発明の検知膜により実施例1,2,3と同様に一酸化炭素ガスに対する耐被毒性も確認されている。   By using an insulating substrate compared to Example 3, a hydrogen gas detection sensor can be realized at a lower cost than a semiconductor substrate. As in the case of the third embodiment, electrons and protons are injected into the metal oxide of the detection film 307 according to the hydrogen gas concentration to form a non-stoichiometric compound, and the conductivity of the detection film 307 increases. In particular, when a gate voltage is applied by the gate electrode 302, the conductive channel is formed at the interface of the detection film 307 on the gate insulating film 303 side, and the conductive channel can be controlled by the gate voltage. Therefore, the hydrogen gas detection sensor having desired characteristics can be provided by adjusting the gate voltage in consideration of the sensitivity of the hydrogen gas detection sensor and the rate of change in sensitivity. Moreover, the poisoning resistance to carbon monoxide gas was confirmed by the detection film of the present invention as in Examples 1, 2, and 3.

本発明の水素ガス検知センサは、いずれも、如何なる環境下においても、低コスト、低消費電力、高感度、高速で安定した水素ガスの漏洩検知が可能である水素ガス検知センサとして有用である。   Any of the hydrogen gas detection sensors of the present invention is useful as a hydrogen gas detection sensor capable of stably detecting leakage of hydrogen gas at low cost, low power consumption, high sensitivity, and high speed under any environment.

本発明の水素ガス検知センサにおいて、同一基板上に少なくとも複数の水素ガス検知センサを設け、前記どちらか片方の検知膜をガスに暴露されないようなガスバリア層を設けた比較用水素ガス検知センサと、片方はガスに暴露する測定用水素ガス検知センサとの出力を相対比較するような構成とすることで、製造ばらつきや環境ばらつきのない水素ガス検知センサを提供できる。   In the hydrogen gas detection sensor of the present invention, a comparative hydrogen gas detection sensor provided with at least a plurality of hydrogen gas detection sensors on the same substrate, and provided with a gas barrier layer that does not expose one of the detection films to the gas, On the other hand, a hydrogen gas detection sensor free from manufacturing variations and environmental variations can be provided by relatively comparing the outputs with the measurement hydrogen gas detection sensor exposed to the gas.

さらに、検知膜を導電性微細繊維構造と、本発明の触媒と、前記触媒は触媒の粒子径より径の大きな不定比化合物を形成する金属酸化物上に担持されている集合体と構成し、前記導電性微細繊維構造体に前記集合体を分散担持することで、より高感度、高速応答の水素ガス検知センサを提供できる。   Further, the sensing membrane is composed of a conductive fine fiber structure, the catalyst of the present invention, and the catalyst is an aggregate supported on a metal oxide that forms a non-stoichiometric compound having a diameter larger than the particle diameter of the catalyst, A hydrogen gas detection sensor with higher sensitivity and faster response can be provided by dispersing and supporting the aggregate on the conductive fine fiber structure.

また、本発明の水素ガス検知センサは、プロトンまたは電子を利用することから、硫化水素ガス(H2S)、アンモニア(NH3)や可燃性ガスである一酸化窒素(NO)、一酸化炭素(CO)用のガス検知センサや、水素ガスの脱吸着をともなう揮発性有機混合ガスセンサ、ラジカルセンサに利用できる。   Further, since the hydrogen gas detection sensor of the present invention uses protons or electrons, hydrogen sulfide gas (H2S), ammonia (NH3), flammable gases such as nitrogen monoxide (NO), carbon monoxide (CO). It can be used for a gas detection sensor, a volatile organic mixed gas sensor with hydrogen gas desorption, and a radical sensor.

本発明の水素ガス検知センサにヒータを設けることにより、基板温度とゲート電圧を調整することにより、水素ガス感度と応答性の微調整が可能となる。デート電極構造を設けない構造に比べて消費電力を低減できることは言うまでもない。   By providing a heater in the hydrogen gas detection sensor of the present invention, it is possible to finely adjust the hydrogen gas sensitivity and responsiveness by adjusting the substrate temperature and the gate voltage. It goes without saying that power consumption can be reduced compared to a structure without a date electrode structure.

本発明の実施例1における水素ガス検知センサの構造を示す図The figure which shows the structure of the hydrogen gas detection sensor in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における水素ガス検知センサの検知膜の構造を模式的に示す図The figure which shows typically the structure of the detection film | membrane of the hydrogen gas detection sensor in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における水素ガス検知センサの導電率のゲート電圧依存性を説明するための図The figure for demonstrating the gate voltage dependence of the electrical conductivity of the hydrogen gas detection sensor in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における水素ガス検知センサの導電率の水素ガス濃度との関係を示す図The figure which shows the relationship with the hydrogen gas concentration of the electrical conductivity of the hydrogen gas detection sensor in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における水素ガス感度の検知膜三酸化タングステンの平均粒子径依存性を示す図The figure which shows the average particle diameter dependence of the detection film tungsten trioxide of the hydrogen gas sensitivity in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における水素ガス感度の検知膜三酸化タングステンの酸素原子数とタングステン原子数比依存性を示す図The figure which shows the number of oxygen atoms and tungsten atom number ratio dependence of the detection film tungsten trioxide of the hydrogen gas sensitivity in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における水素ガス感度の検知膜三酸化タングステンの表面に含有する触媒金属として白金金属触媒における白金の酸化状態依存性を示す図The figure which shows the oxidation state dependence of the platinum in a platinum metal catalyst as a catalyst metal contained in the surface of the detection film tungsten trioxide of the hydrogen gas sensitivity in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における水素ガス検知センサ応答性のゲート電圧依存性を示す図The figure which shows the gate voltage dependence of the hydrogen gas detection sensor responsiveness in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における水素ガス検知センサの耐被毒性を説明するための図The figure for demonstrating the poisoning resistance of the hydrogen gas detection sensor in Example 1 of this invention 本発明の実施例2における水素ガス検知センサの構造を示す図The figure which shows the structure of the hydrogen gas detection sensor in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における水素ガス検知センサの構造を示す図The figure which shows the structure of the hydrogen gas detection sensor in Example 3 of this invention. 本発明の実施例3における水素ガス検知センサのゲート電圧依存性を示す図The figure which shows the gate voltage dependence of the hydrogen gas detection sensor in Example 3 of this invention. 本発明の実施例3における水素ガス検知センサの導電率の水素ガス濃度依存性を示す図The figure which shows the hydrogen gas concentration dependence of the electrical conductivity of the hydrogen gas detection sensor in Example 3 of this invention 本発明の実施例4における水素ガス検知センサの構造を示す図The figure which shows the structure of the hydrogen gas detection sensor in Example 4 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 絶縁膜
4a 低抵抗ドーピング層
4b 低抵抗ドーピング層
5a 電極
5b 電極
6 保護膜
7 ゲート電極
8 検知膜
9a 電源
9b 電源
10 電流計
11 導電チャネル
20 金属酸化物
21 触媒
101 絶縁性基板
102 ゲート電極
103 ゲート絶縁膜
104 半導体膜
105 低抵抗ドーピング層
106 低抵抗ドーピング層
107 電極
108 電極
109 ゲート絶縁膜
110 検知膜
111 保護膜
201 半導体基板
202 ゲート絶縁膜
203 電極
204 電極
205 保護膜
206 検知膜
207 ゲート電極
301 絶縁性基板
302 ゲート電極
303 ゲート絶縁膜
304 電極
305 電極
306 保護膜
307 検知膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Gate insulating film 3 Insulating film 4a Low resistance doping layer 4b Low resistance doping layer 5a Electrode 5b Electrode 6 Protective film 7 Gate electrode 8 Detection film 9a Power supply 9b Power supply 10 Ammeter 11 Conductive channel 20 Metal oxide 21 Catalyst 101 Insulating substrate 102 Gate electrode 103 Gate insulating film 104 Semiconductor film 105 Low resistance doping layer 106 Low resistance doping layer 107 Electrode 108 Electrode 109 Gate insulating film 110 Detection film 111 Protection film 201 Semiconductor substrate 202 Gate insulation film 203 Electrode 204 Electrode 205 Protection Film 206 Sensing film 207 Gate electrode 301 Insulating substrate 302 Gate electrode 303 Gate insulating film 304 Electrode 305 Electrode 306 Protective film 307 Sensing film

Claims (10)

水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、
半導体基板上に形成される一対の電極と、
前記一対の電極を絶縁するゲート絶縁膜を介して前記一対の電極間上部に形成される水素ガスを検知するための検知膜と、
前記ゲート絶縁膜と対向して前記半導体基板の他面に形成される前記半導体基板にバイアス電圧を与えるためのゲート電極と、
を備え、
前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって検知膜の電位が変化する金属酸化物からなり、
前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴とする水素ガス検知センサ。
A hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas,
A pair of electrodes formed on a semiconductor substrate;
A detection film for detecting hydrogen gas formed above the pair of electrodes via a gate insulating film that insulates the pair of electrodes;
A gate electrode for applying a bias voltage to the semiconductor substrate formed on the other surface of the semiconductor substrate facing the gate insulating film;
With
The sensing membrane, detection film by the reaction of the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) Consisting of a metal oxide whose potential changes
The hydrogen gas detection sensor, wherein the catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles.
水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、
絶縁性基板上に形成されるゲート電極と、
前記ゲート電極を覆って形成される第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成される半導体膜と、
前記半導体膜に接して形成される一対の電極と、
前記一対の電極を絶縁する第2のゲート絶縁膜を介して前記一対の電極間上部に形成される水素ガスを検知するための検知膜と、
を備え、
前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって検知膜の電位が変化する金属酸化物からなり、
前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴とする水素ガス検知センサ。
A hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas,
A gate electrode formed on an insulating substrate;
A first gate insulating film formed to cover the gate electrode;
A semiconductor film formed on the first gate insulating film;
A pair of electrodes formed in contact with the semiconductor film;
A detection film for detecting hydrogen gas formed above the pair of electrodes through a second gate insulating film that insulates the pair of electrodes;
With
The sensing membrane, detection film by the reaction of the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) Consisting of a metal oxide whose potential changes
The hydrogen gas detection sensor, wherein the catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles.
水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、
半導体基板に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成される一対の電極と、
前記一対の電極と接して前記ゲート絶縁膜上に形成される水素ガスを検知する検知膜と、
前記半導体基板の他面にゲート絶縁膜と対向して形成される前記半導体基板にバイアスを与えるためのゲート電極と、を備え、
前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって導電率が増加する金属酸化物からなり、
前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴とする水素ガス検知センサ。
A hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas,
A gate insulating film formed on a semiconductor substrate;
A pair of electrodes formed on the gate insulating film;
A detection film for detecting hydrogen gas formed on the gate insulating film in contact with the pair of electrodes;
A gate electrode for applying a bias to the semiconductor substrate formed on the other surface of the semiconductor substrate so as to face the gate insulating film,
The sensing film, the conductivity by the reaction of the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) Consisting of increasing metal oxides,
The hydrogen gas detection sensor, wherein the catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles.
水素ガスを検知する水素ガス検知センサであって、
絶縁性基板上に形成されるゲート電極と、
前記ゲート電極を覆って形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成される一対の電極と、
前記一対の電極と接して前記ゲート絶縁膜上に形成される水素ガスを検知する検知膜と、
を備え、
前記検知膜は、水素ガスを吸着してプロトン(H+)と電子(e)に解離する作用を有する触媒と当該作用で生じたプロトン(H+)と電子(e)との反応によって導電率が増加する金属酸化物からなり、
前記触媒は、前記検知膜を構成する金属酸化物の粒子より径の小さい粒子を前記金属酸化物の粒子上に分散担持する粒子構造を有することを特徴とする水素ガス検知センサ。
A hydrogen gas detection sensor for detecting hydrogen gas,
A gate electrode formed on an insulating substrate;
A gate insulating film formed to cover the gate electrode;
A pair of electrodes formed on the gate insulating film;
A detection film for detecting hydrogen gas formed on the gate insulating film in contact with the pair of electrodes;
With
The sensing film, the conductivity by the reaction of the adsorbed hydrogen gas and protons (H +) and electrons protons generated in the catalyst and the effect it has the effect of dissociation in (e) (H +) and electrons (e) Consisting of increasing metal oxides,
The hydrogen gas detection sensor, wherein the catalyst has a particle structure in which particles having a diameter smaller than the metal oxide particles constituting the detection film are dispersedly supported on the metal oxide particles.
前記金属酸化物は,結晶微粒子の集合体で構成され,前記金属酸化物上に酸化状態の触媒を分散担持する粒子構造を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかの請求項に記載の水素ガス検知センサ。 The claim according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal oxide is composed of an aggregate of crystal fine particles and has a particle structure in which an oxidized catalyst is dispersedly supported on the metal oxide. The hydrogen gas detection sensor according to item. 前記検知膜は、前記触媒の平均粒子径が2nmから35nmの粒子構造を有し、
前記触媒の粒子が、平均粒子径が15nmから80nmの金属酸化物粒子上に分散担持された構造を有することを特徴とする請求項5に記載の水素ガス検知センサ。
The detection film has a particle structure in which the average particle diameter of the catalyst is 2 nm to 35 nm,
6. The hydrogen gas detection sensor according to claim 5, wherein the catalyst particles have a structure in which the particles are dispersed and supported on metal oxide particles having an average particle diameter of 15 nm to 80 nm.
前記触媒は金属酸化物に含有する全触媒量の18%以上が酸化状態であることを特徴とする請求項5に記載の水素ガス検知センサ。 The hydrogen gas detection sensor according to claim 5, wherein 18% or more of the total amount of the catalyst contained in the metal oxide is in an oxidized state. 前記触媒は、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)若しくは白金(Pt)のいずれかの一つであること、又はこれらの少なくもいずれかの一つを含む混合物であることを特徴とする請求項5に記載の水素ガス検知センサ。 The catalyst is one of palladium (Pd), iridium (Ir), and platinum (Pt), or a mixture containing at least one of these. 5. The hydrogen gas detection sensor according to 5. 前記金属酸化物の主たる成分は、三酸化モリブデン(MoO3)、三酸化タングステン(WO3)、二酸化チタン(TiO2)、水酸化イリジウム(Ir(OH)n)、五酸化バナジウム(V2O5)、酸化ニッケル(NiO2)のいずれかの一つよりなることを特徴とする請求項5に記載の水素ガス検知センサ。 The main components of the metal oxide are molybdenum trioxide (MoO 3 ), tungsten trioxide (WO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), iridium hydroxide (Ir (OH) n ), vanadium pentoxide (V 2 O 5), The hydrogen gas detection sensor according to claim 5, wherein the hydrogen gas detection sensor is made of any one of nickel oxide (NiO 2 ). 前記検知膜は、触媒の主たる成分が白金(Pt)であって、
金属酸化物の主たる成分が三酸化タングステン(WO3)であることを特徴とする請求項5に記載の水素ガス検知センサ。
In the detection film, the main component of the catalyst is platinum (Pt),
The hydrogen gas detection sensor according to claim 5, wherein a main component of the metal oxide is tungsten trioxide (WO 3 ).
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