JP2008032458A - Hydrogen gas sensor - Google Patents

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Kensho Sugimoto
憲昭 杉本
Hirobumi Funabashi
博文 船橋
Koichi Mitsushima
康一 光嶋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas sensor excellent in sensitivity and response, capable of rapidly detecting even a very small amount of a hydrogen gas and developing sufficient durability. <P>SOLUTION: The hydrogen gas sensor is equipped with a meso-porous body 11 with a center pore diameter of 1.5-5.0 nm, the metal components 12 having a hydrogen occluding capacity arranged in the pores of the meso-porous body 11 and the electrode 13 electrically connected to the metal components 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素ガスセンサに関する。   The present invention relates to a hydrogen gas sensor.

最近、クリーンエネルギーの実用化に向けて様々な技術の開発が進められており、環境負荷の少ない水素ガスが注目されてきている。しかしながら、このような水素ガスは爆発性が高く、危険性が高いものである。そのため、水素ガスを安全に利用するために、種々の水素ガスセンサが研究されてきた。   Recently, various technologies have been developed for practical use of clean energy, and hydrogen gas having a low environmental load has been attracting attention. However, such hydrogen gas is highly explosive and dangerous. Therefore, various hydrogen gas sensors have been studied in order to use hydrogen gas safely.

例えば、このような水素ガスセンサとしては、SnO膜を用いたセンサ(フィガロ社製の「TGS 821」等のような市販品等)が知られている。しかしながら、このようなSnO膜を利用した水素ガスセンサにおいては、水素ガスの感度を上げるために大面積の感応膜を用いる必要があり、炭化水素系の妨害ガスによる誤動作と水蒸気等の影響とを避けるために通電加熱が必要で、待機消費電力が大きくなってしまうという問題があった。 For example, as such a hydrogen gas sensor, a sensor using a SnO 2 film (a commercially available product such as “TGS 821” manufactured by Figaro) is known. However, in such a hydrogen gas sensor using a SnO 2 film, it is necessary to use a sensitive film with a large area in order to increase the sensitivity of hydrogen gas. In order to avoid this, there is a problem that energization heating is required, and standby power consumption increases.

また、このような水素ガスセンサとしては、Pd等の水素吸蔵合金を利用した水素ガスセンサも知られている。例えば、水素吸蔵合金の伸縮を利用したバイメタル型の力学変形を利用するタイプの水素ガスセンサ(特開2001−296238号公報(特許文献1)に記載の水素ガスセンサ等)や、薄膜多層構造を利用したトンネル電流を検出するタイプの水素ガスセンサ(Okuyama S,Usami H,Okuyama K,Yamada H,Matsushita K.,「Improved response time of Al−Al−Pd tunnel diode hydrogen gas sensor」,JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1−REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REVIEW PAPERS 36 (11),1997年発行,第6905−6908頁、NO.V(非特許文献1)参照)が知られている。しかしながら、特許文献1や非特許文献1に記載のような水素吸蔵合金を利用する従来の水素ガスセンサにおいては、水素ガス濃度を検知するのに数分を要し、応答性が十分なものではなかった。また、このような従来の水素ガスセンサにおいては、水素吸蔵合金から全ての吸蔵水素を追い出すための初期化処理が必要であり、使用する前に高温加熱(400℃程度)を施す必要があった。 As such a hydrogen gas sensor, a hydrogen gas sensor using a hydrogen storage alloy such as Pd is also known. For example, a hydrogen gas sensor of a type that utilizes bimetallic mechanical deformation utilizing expansion and contraction of a hydrogen storage alloy (such as the hydrogen gas sensor described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-296238 (Patent Document 1)) or a thin film multilayer structure is used. Hydrogen gas sensors of the type that detect tunnel current (Okuyama S, Usami H, Okuyama K, Yamada H, Matsushita K., “Improved response time of Al-Al 2 O 3 -Pd tunnel diode AP PHYSICS PART 1-REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REVIEW PAPERS 36 (11), 1997, 6905-69 Page 08, NO.V (see Non-Patent Document 1) is known. However, in the conventional hydrogen gas sensor using the hydrogen storage alloy as described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, it takes several minutes to detect the hydrogen gas concentration, and the response is not sufficient. It was. Further, in such a conventional hydrogen gas sensor, it is necessary to perform an initialization process for expelling all the stored hydrogen from the hydrogen storage alloy, and it is necessary to perform high-temperature heating (about 400 ° C.) before use.

また、Pd等の水素吸蔵合金をナノドットとして用いる水素ガスセンサが研究されている(Walter EC,Penner RM,Liu H,Ng KH,Zach MP,Favier F.,「Sensors from electrodeposited metal Nanowires」,SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS 34 (1),2002年8月発行,第409−412頁(非特許文献2)、並びに、Favier F,Walter EC,Zach MP,Benter T,Penner RM.,「Hydrogen sensors and switches from electrodeposited palladium mesowire arrays」,SCIENCE 293 (5538)。2001年9月21日発行、第2227−2231頁(非特許文献3)参照)。このような水素吸蔵合金をナノドットとして用いる水素ガスセンサは、応答速度が数秒で十分な応答性を示すものであった。しかしながら、非特許文献2〜3に記載のような従来の水素ガスセンサにおいては、ドット粒子の崩壊現象による性能劣化が起こり、繰り返し使用した場合の耐久性に問題があった。
特開2001−296238号公報 Okuyama S,Usami H,Okuyama K,Yamada H,Matsushita K.,「Improved response time of Al−Al2O3−Pd tunnel diode hydrogen gas sensor」,JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1−REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REVIEW PAPERS 36 (11),1997年発行,第6905−6908頁、NO.V Walter EC,Penner RM,Liu H,Ng KH,Zach MP,Favier F.,「Sensors from electrodeposited metal Nanowires」,SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS 34 (1),2002年8月発行,第409−412頁 Favier F,Walter EC,Zach MP,Benter T,Penner RM.,「Hydrogen sensors and switches from electrodeposited palladium mesowire arrays」,SCIENCE 293 (5538)。2001年9月21日発行、第2227−2231頁
In addition, hydrogen gas sensors using hydrogen storage alloys such as Pd as nanodots have been studied (Walter EC, Penner RM, Liu H, Ng KH, Zach MP, Fabier F., “Sensors from electrodeposited metal Nanowires”, SURFACE TERFACE. ANALYSIS 34 (1), August 2002, pp. 409-412 (Non-Patent Document 2), and Favier F, Walter EC, Zach MP, Benther T, Penner RM., “Hydrogen sensors and switches flemtrodetromicrodetroelectronics. mesoire arrays ", SCIENCE 293 (5538) .2 Issued on September 21, 001, pages 2227-2231 (non-patent document 3)). A hydrogen gas sensor using such a hydrogen storage alloy as nanodots has a response speed of several seconds and exhibits a sufficient response. However, in the conventional hydrogen gas sensors as described in Non-Patent Documents 2 to 3, performance deterioration due to the collapse phenomenon of dot particles occurs, and there is a problem in durability when repeatedly used.
JP 2001-296238 A Okuyama S, Usami H, Okuyama K, Yamada H, Matsushita K. et al. , "Improved response time of Al-Al2O3-Pd tunnel diode gas sensor, pp. 8-9, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1-REGULA PAPERS SH36 V Walter EC, Penner RM, Liu H, Ng KH, Zach MP, Fabier F. , “Sensors from electrodeposited metal Nanowires”, SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS 34 (1), August 2002, pp. 409-412 Fabier F, Walter EC, Zach MP, Bender T, Penner RM. , "Hydrogen sensors and switches from electrodeposited palladium mesh arrays", SCIENCE 293 (5538). Published September 21, 2001, pp. 2227-2231

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、感度と応答性とに優れ、微量の水素ガスであっても迅速に検知することができ、しかも十分な耐久性を発揮することが可能な水素ガスセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, is excellent in sensitivity and responsiveness, can be detected quickly even with a small amount of hydrogen gas, and exhibits sufficient durability. An object of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor that can be used.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体と、前記メソ多孔体の細孔内に配列された水素吸蔵能を有する金属と、前記金属に電気的に接続されている電極とを備えることにより、感度と応答性とに優れ、微量の水素ガスであっても迅速に検知することができ、しかも十分な耐久性を発揮することが可能な水素ガスセンサが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have a mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm and are arranged in the pores of the mesoporous material. By providing a metal having hydrogen storage capacity and an electrode electrically connected to the metal, it has excellent sensitivity and responsiveness, and can detect even a small amount of hydrogen gas quickly. The inventors have found that a hydrogen gas sensor capable of exhibiting sufficient durability can be obtained, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の水素ガスセンサは、中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体と、前記メソ多孔体の細孔内に配列された水素吸蔵能を有する金属と、前記金属に電気的に接続されている電極とを備えること特徴とするものである。   That is, the hydrogen gas sensor of the present invention includes a mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm, a metal having a hydrogen storage capacity arranged in the pores of the mesoporous material, and the metal And an electrode electrically connected to the electrode.

上記本発明にかかる水素ガスセンサとしては、前記金属が、前記メソ多孔体の細孔の周期構造と同様の周期で配列された量子ドット配列構造を形成していることが好ましい。   In the hydrogen gas sensor according to the present invention, it is preferable that the metal has a quantum dot array structure in which the metal is arrayed at the same period as the periodic structure of the pores of the mesoporous material.

また、上記本発明にかかる水素ガスセンサとしては、前記金属の水素吸蔵による膨張によって電気特性が変化し、トンネル電流の大小から水素ガスを検知するものであることが好ましい。   In addition, the hydrogen gas sensor according to the present invention preferably detects hydrogen gas from the magnitude of the tunnel current, since the electrical characteristics change due to expansion of the metal due to hydrogen storage.

上記本発明にかかる水素ガスセンサとしては、前記金属が、水素吸蔵により格子定数が1〜50%変化するものであることが好ましく、
また、上記本発明にかかる水素ガスセンサとしては、前記金属が、1〜5質量%の水素を吸蔵できるものであることが好ましい。
In the hydrogen gas sensor according to the present invention, the metal preferably has a lattice constant that changes by 1 to 50% due to hydrogen storage,
Moreover, as a hydrogen gas sensor concerning the said invention, it is preferable that the said metal can occlude 1-5 mass% hydrogen.

なお、本発明の水素ガスセンサによって、優れた感度と応答性とを有し、微量の水素ガスであっても迅速に検知することができ、しかも十分な耐久性を発揮することが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、先ず、本発明の水素ガスセンサにおいては、メソ多孔体を母体とし、前記メソ多孔体の細孔内に水素吸蔵能をもつ金属を導入してその細孔内に金属の粒子(量子ドット)を配列させる。そのため、本発明においては、中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体の細孔内に、数ナノ直径の量子ドットが細孔の周期構造と同様の周期で整然と配列された量子ドット配列構造が形成される。そして、このような水素ガスセンサを水素ガスの存在下に置くと、水素吸蔵能をもつ金属(量子ドット)の水素吸蔵が起こり、量子ドットの直径が増大する。更に、量子ドットの直径が増大すると、隣接する量子ドットとの間の距離が縮まり、量子ドット間にトンネル電流が流れる状態となる。このようなトンネル電流は量子ドット間の距離により敏感に変化するものである。そのため、本発明の水素ガスセンサにおいては、水素ガスが微量であっても、その濃度に依存した電流の増大が観測され、これによって水素ガスを高感度に検知することができる。このように、本発明においては、測定されるトンネル電流の大小により水素ガスを検知することが可能である。また、本発明の水素ガスセンサは、水素吸蔵現象によるトンネル電流の変化により水素ガスを検知することができるものであるため、複数種のガス中に水素ガスが存在する場合(大気中等)であっても水素ガスを選択的に検出することが可能である。   The reason why the hydrogen gas sensor of the present invention has excellent sensitivity and responsiveness, can detect even a small amount of hydrogen gas quickly, and can exhibit sufficient durability. Although not necessarily certain, the present inventors infer as follows. That is, first, in the hydrogen gas sensor of the present invention, a mesoporous material is used as a base, a metal having a hydrogen storage capacity is introduced into the pores of the mesoporous material, and metal particles (quantum dots) are introduced into the pores. Array. Therefore, in the present invention, quantum dots having a diameter of several nanometers are regularly arranged in the same period as the periodic structure of the pores in the pores of the mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm. A quantum dot array structure is formed. When such a hydrogen gas sensor is placed in the presence of hydrogen gas, hydrogen storage of a metal (quantum dot) having a hydrogen storage capacity occurs, and the diameter of the quantum dot increases. Further, when the diameter of the quantum dot increases, the distance between adjacent quantum dots is reduced, and a tunnel current flows between the quantum dots. Such a tunnel current changes sensitively depending on the distance between quantum dots. Therefore, in the hydrogen gas sensor of the present invention, even if the amount of hydrogen gas is very small, an increase in current depending on the concentration is observed, so that the hydrogen gas can be detected with high sensitivity. As described above, in the present invention, hydrogen gas can be detected based on the magnitude of the measured tunnel current. In addition, since the hydrogen gas sensor of the present invention can detect hydrogen gas by a change in tunneling current due to a hydrogen occlusion phenomenon, the hydrogen gas is present in a plurality of types of gases (such as in the atmosphere). It is also possible to selectively detect hydrogen gas.

また、本発明の水素ガスセンサにおいては、前記金属が、メソ多孔体の細孔内に配列されているため、その量子ドットのサイズが小さい。そのため、水素ガスの存在下において、水素ガス自体の出し入れが高速で行われる。従って、本発明においては、十分な応答速度で水素ガスを検知することが可能となる。   In the hydrogen gas sensor of the present invention, since the metal is arranged in the pores of the mesoporous material, the size of the quantum dot is small. Therefore, in the presence of hydrogen gas, the hydrogen gas itself is taken in and out at high speed. Therefore, in the present invention, hydrogen gas can be detected at a sufficient response speed.

さらに、本発明の水素ガスセンサは、従来の水素ガスセンサ(非特許文献2〜3等)と比較して耐久性が向上している。このように耐久性が向上する理由については、以下のように推察する。すなわち、従来の水素吸蔵合金をナノドットとして用いる水素ガスセンサにおいては、そのナノドットが蒸着法により形成され、100nm程度の直径のものとなっていたが、このような直径のナノドットは、水素の吸蔵と脱着に伴って膨張や収縮が起こり、発生する応力によってより小さな粒子に崩壊するものであった。そのため、従来の水素ガスセンサにおいては、センサの性能劣化が起こり、十分な耐久性が得られなかった。一方、本発明の水素ガスセンサにおいては、前記金属により形成される量子ドットの直径が5nm以下と小さく体積変化量が少ないこと及び量子ドットがシリカ細孔内に閉じ込められていること等から、その量子ドットが応力等により崩壊することが十分に抑制されている。そのため、本発明においては、ほとんど性能の劣化が起こらず、十分な耐久性を発揮できるものと推察する。   Furthermore, the hydrogen gas sensor of the present invention has improved durability compared to conventional hydrogen gas sensors (Non-Patent Documents 2 to 3 and the like). The reason why the durability is improved in this way is presumed as follows. That is, in a conventional hydrogen gas sensor using a hydrogen storage alloy as nanodots, the nanodots are formed by vapor deposition and have a diameter of about 100 nm. However, nanodots with such diameters store and desorb hydrogen. Along with this, expansion and contraction occurred, and the particles were broken into smaller particles by the generated stress. Therefore, in the conventional hydrogen gas sensor, the performance of the sensor deteriorates and sufficient durability cannot be obtained. On the other hand, in the hydrogen gas sensor of the present invention, the quantum dot formed by the metal has a small diameter of 5 nm or less and a small volume change amount, and the quantum dot is confined in the silica pore. It is sufficiently suppressed that the dots collapse due to stress or the like. Therefore, in the present invention, it is presumed that performance is hardly deteriorated and sufficient durability can be exhibited.

また、本発明の水素ガスセンサにおいては、量子ドットの直径と、用いるメソ多孔体の壁厚を調整することで、センサの性能を容易に微調整することが可能である。例えば、水素ガスが無い条件下においては、水素ガスセンサが絶縁状態又はそれに近い状態となるようにすることも可能であり、待機消費電力を十分に小さくすることが可能である。また、水素吸蔵能を有する金属を利用した従来の水素ガスセンサにおいては、水素吸蔵能を有する金属が若干の触媒作用を有するため、炭水化物系のガスや水蒸気に対して自己触媒作用による誤動作が生じていたが、本発明においては、量子ドットの直径と、用いるメソ多孔体の壁厚を容易に調整することができるため、このような誤動作を十分に抑制することが可能となる。   In the hydrogen gas sensor of the present invention, the performance of the sensor can be easily fine-tuned by adjusting the diameter of the quantum dots and the wall thickness of the mesoporous material used. For example, under conditions where there is no hydrogen gas, the hydrogen gas sensor can be in an insulated state or a state close thereto, and standby power consumption can be sufficiently reduced. Further, in the conventional hydrogen gas sensor using a metal having hydrogen storage ability, since the metal having hydrogen storage ability has a slight catalytic action, malfunction due to autocatalytic action on carbohydrate-based gas and water vapor has occurred. However, in the present invention, the diameter of the quantum dots and the wall thickness of the mesoporous material to be used can be easily adjusted, so that such a malfunction can be sufficiently suppressed.

本発明によれば、感度と応答性とに優れ、微量の水素ガスであっても迅速に検知することができ、しかも十分な耐久性を発揮することが可能な水素ガスセンサを提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a hydrogen gas sensor that has excellent sensitivity and responsiveness, can detect even a small amount of hydrogen gas quickly, and can exhibit sufficient durability. It becomes.

そして、本発明の水素ガスセンサは、量子ドットの直径と、メソ多孔体の壁厚を調整することでその性能を容易に微調整することが可能であるため、待機消費電力を十分に小さくすることができるとともに、誤動作を十分に抑制することが可能なものである。   And the hydrogen gas sensor of the present invention can easily fine-tune its performance by adjusting the diameter of the quantum dots and the wall thickness of the mesoporous material, so that standby power consumption can be made sufficiently small. In addition, the malfunction can be sufficiently suppressed.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.

本発明の水素ガスセンサは、中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体と、前記メソ多孔体の細孔内に配列された水素吸蔵能を有する金属と、前記金属に電気的に接続されている電極とを備えること特徴とするものである。   The hydrogen gas sensor of the present invention includes a mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm, a metal having hydrogen storage ability arranged in the pores of the mesoporous material, and an electric current connected to the metal. It is characterized by providing the electrode connected electrically.

(メソ多孔体)
本発明で用いるメソ多孔体は、中心細孔直径が1.5〜5.0nm(より好ましくは2.5〜3.5nm)である細孔(メソポアともいう)を有する多孔体である。したがって、かかるメソポアを有する多孔体であれば用いることができる。このようなメソ多孔体の細孔の中心細孔直径が1.5nm未満ではメソポア内部で前記金属の結晶成長が行えなくなり、他方、5.0nmを超えるとメソポアの周期性が劣化して、量子ドット間の障壁が一定でなくなり、センサとして動作しなくなる。
(Mesoporous material)
The mesoporous material used in the present invention is a porous material having pores (also referred to as mesopores) having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm (more preferably 2.5 to 3.5 nm). Therefore, any porous material having such mesopores can be used. If the center pore diameter of such a mesoporous material is less than 1.5 nm, the crystal growth of the metal cannot be performed inside the mesopore. On the other hand, if it exceeds 5.0 nm, the periodicity of the mesopore deteriorates and the quantum The barrier between dots is not constant and the sensor does not operate.

また、このようなメソ多孔体としては、細孔径分布曲線における最大のピークを示す細孔直径(中心細孔直径)の±40%の直径範囲に全細孔容積の60%以上が含まれているメソ多孔体を用いることが好ましい。メソ多孔体の細孔径分布曲線は、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対しプロットした曲線をいう。細孔径分布曲線は、例えば、以下に示す気体吸着法により作成される。この方法において最もよく用いられる気体は窒素である。まず、吸着材である試料に、液体窒素温度(−196℃)で窒素ガスを導入し、その吸着量を定容量法あるいは重量法で求める。導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットすることにより吸着等温線を作成する。この吸着等温線から、例えばCranston−Inklay法、Pollimore−Heal法の計算法を用いて、上記細孔径分布を求める。   Further, as such a mesoporous material, 60% or more of the total pore volume is included in the diameter range of ± 40% of the pore diameter (center pore diameter) showing the maximum peak in the pore diameter distribution curve. It is preferable to use a mesoporous material. The pore diameter distribution curve of the mesoporous material refers to a curve obtained by plotting the value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) by the pore diameter (D) against the pore diameter (D). The pore size distribution curve is created, for example, by the gas adsorption method shown below. The most commonly used gas in this method is nitrogen. First, nitrogen gas is introduced into a sample as an adsorbent at a liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), and the amount of adsorption is determined by a constant volume method or a weight method. An adsorption isotherm is created by gradually increasing the pressure of the introduced nitrogen gas and plotting the amount of nitrogen gas adsorbed against each equilibrium pressure. From the adsorption isotherm, the pore size distribution is obtained by using, for example, a Cranston-Inklay method or a Polimore-Heal method.

また、本発明で用いるメソ多孔体としては、そのX線回折パターンにおいて、1nm以上(より好ましくは2.0〜5.0nm)のd値に相当する回折角度に1本以上のピークを持つことが好ましい。X線回折ピークはそのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。上記X線回折パターンは、直径1.5〜5.0nmの細孔が1nm以上の間隔で規則的に配列した構造を反映したものである。すなわち、かかる回折パターンを有するメソ多孔体は、その回折パターンの示す構造の規則性から、細孔径に均一性があるといえる。このようなd値が前記下限未満では、得られる水素ガスセンサにおける量子ドット間の障壁層の厚みが小さくなって、待機中に絶縁状態とすることができず、待機消費電力が大きくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、金属が水素の吸蔵により膨張しても障壁間の厚みが大きくトンネル電流が流れ難いため、得られる水素ガスセンサの性能が低下する傾向にある。   The mesoporous material used in the present invention has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more (more preferably 2.0 to 5.0 nm) in the X-ray diffraction pattern. Is preferred. The X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. The X-ray diffraction pattern reflects a structure in which pores having a diameter of 1.5 to 5.0 nm are regularly arranged at intervals of 1 nm or more. That is, it can be said that the mesoporous material having such a diffraction pattern has a uniform pore diameter due to the regularity of the structure indicated by the diffraction pattern. When such a d value is less than the lower limit, the thickness of the barrier layer between the quantum dots in the obtained hydrogen gas sensor becomes small, so that it cannot be in an insulating state during standby, and standby power consumption tends to increase. On the other hand, if the upper limit is exceeded, even if the metal expands due to the occlusion of hydrogen, the thickness between the barriers is large and the tunnel current hardly flows, so the performance of the obtained hydrogen gas sensor tends to deteriorate.

さらに、本発明で用いるメソ多孔体の細孔の形状は、3次元的に箱状の細孔が結合したものが好ましい。このような細孔の形状のメソ多孔体を用いることで、細孔内において量子ドットを形成させることができ、これによって、より高性能の水素ガスセンサが得られる。   Furthermore, the shape of the pores of the mesoporous material used in the present invention is preferably a three-dimensionally bonded box-shaped pore. By using a mesoporous material having such a pore shape, quantum dots can be formed in the pores, thereby obtaining a hydrogen gas sensor with higher performance.

また、本発明で用いるメソ多孔体における細孔の配列状態(細孔配列構造)は特に制限されず、例えば、2D−ヘキサゴナルや3D−ヘキサゴナル等のヘキサゴナルの細孔配列構造を有するものであっても、キュービックやディスオーダの細孔配列構造を有するものであってもよい。ここで、シリカ系メソ多孔体がヘキサゴナルの細孔配列構造を有するとは、シリカ系メソ多孔体の細孔の配置が六方構造であることを意味する(S.Inagaki et al.,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,680,1993; S.Inagaki et al.,Bull.Chem.Soc.Jpn.,69,1449,1996; Q.Huo et al.,Science,268,1324,1995参照)。   Moreover, the arrangement state (pore arrangement structure) of the pores in the mesoporous material used in the present invention is not particularly limited, and has, for example, a hexagonal pore arrangement structure such as 2D-hexagonal or 3D-hexagonal. Alternatively, it may have a cubic or disordered pore arrangement structure. Here, that the silica-based mesoporous material has a hexagonal pore arrangement structure means that the arrangement of the pores of the silica-based mesoporous material is a hexagonal structure (S. Inagaki et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun., 680, 1993; see S. Inagaki et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, 1449, 1996; ).

また、メソ多孔体がキュービックの細孔配列構造を有するとは、メソ多孔体中の細孔の配置が立方構造であることを意味する(J.C.Vartuli et al.,Chem.Mater.,6,2317,1994; Q.Huo et al.,Nature,368,317,1994参照)。そして、メソ多孔体がディスオーダの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が不規則であることを意味する(P.T.Tanev et al.,Science,267,865,1995; S.A.Bagshaw et al.,Science,269,1242,1995; R.Ryoo et al.,J.Phys.Chem.,100,17718,1996参照)。   In addition, that the mesoporous material has a cubic pore arrangement structure means that the arrangement of the pores in the mesoporous material is a cubic structure (JC Vartuli et al., Chem. Mater.,). 6, 2317, 1994; see Q. Huo et al., Nature, 368, 317, 1994). When the mesoporous material has a disordered pore arrangement structure, it means that the arrangement of the pores is irregular (P. T. Tanev et al., Science, 267, 865, 1995; S A. Bagshaw et al., Science, 269, 1242, 1995; R. Ryoo et al., J. Phys. Chem., 100, 17718, 1996).

なお、メソ多孔体が、ヘキサゴナルやキュービック等の規則的細孔配列構造を有する場合は、細孔の全てがこれらの規則的細孔配列構造である必要はない。すなわち、メソ多孔体は、ヘキサゴナルやキュービック等の規則的細孔配列構造とディスオーダの不規則的細孔配列構造の両方を有していてもよい。しかしながら、全ての細孔のうち80%以上はヘキサゴナルやキュービック等の規則的細孔配列構造となっていることが好ましい。   When the mesoporous material has a regular pore arrangement structure such as hexagonal or cubic, all of the pores do not have to have these regular pore arrangement structures. That is, the mesoporous material may have both a regular pore arrangement structure such as hexagonal and cubic and a disordered irregular pore arrangement structure. However, it is preferable that 80% or more of all the pores have a regular pore arrangement structure such as hexagonal or cubic.

また、このようなメソ多孔体としては、電気的絶縁性の高さの観点から、シリカ系メソ多孔体が好ましい。また、このようなメソ多孔体の組成には、シリカの他、シリカ−アルミニウム(Al)、チタニウム(Ti)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、ベリリウム(Be)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、バナジウム(V)、ホウ素(B)等が含まれていてもよい。   In addition, as such a mesoporous material, a silica-based mesoporous material is preferable from the viewpoint of high electrical insulation. In addition to silica, the composition of such a mesoporous material includes silica-aluminum (Al), titanium (Ti), magnesium (Mg), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), cobalt (Co), nickel (Ni), gallium (Ga), beryllium (Be), yttrium (Y), lanthanum (La), tin (Sn), lead (Pb), vanadium (V), boron (B), etc. Good.

また、このようなメソ多孔体の形状は特に制限されないが、膜状のものを用いることが好ましい。以下において、このような膜状のメソ多孔体を製造するための好適な製造方法について説明する。   The shape of such a mesoporous material is not particularly limited, but it is preferable to use a membranous material. Below, the suitable manufacturing method for manufacturing such a membranous mesoporous material will be described.

このような膜状のメソ多孔体を製造するための好適な製造方法としては、例えば、アルコキシシランを用いてメソ多孔体を製造する方法を挙げることができる。このようなアルコキシシランを用いる方法としては、アルコキシシランと界面活性剤の複合液を基板の上にコートし、固化せしめてメソ多孔体前駆体を形成せしめ、これを焼成する方法が挙げられる。   As a suitable manufacturing method for manufacturing such a membranous mesoporous material, for example, a method of manufacturing a mesoporous material using alkoxysilane can be mentioned. As a method using such an alkoxysilane, there is a method in which a composite liquid of an alkoxysilane and a surfactant is coated on a substrate and solidified to form a mesoporous material precursor, which is then fired.

このようなアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシランあるいは、メチルトリメトキシシラン等のアルキルアルコキシシラン等が用いられる。これらの1種類あるいは2種類以上を組み合わせて用いることもできる。   As such an alkoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, alkylalkoxysilane such as methyltrimethoxysilane, or the like is used. One type or a combination of two or more types can be used.

前記界面活性剤としては、アルキル基および親水基を有する化合物を使用する。アルキル基としては、炭素原子数2〜18のものが好ましい。親水基としては、例えば、N、NH、NO、OH、COOH、を挙げることができる。前記界面活性剤としては、具体的には、下記一般式(1)
2n+1N(CHX (1)
(式中、nは2〜18の整数であり、Xは塩化物イオン、臭化物イオン等のハロゲン化イオン、HSO又は酢酸イオン等の有機アニオンを示す。)
で表されるアルキルトリメチルアンモニウム、アルキルアルコール、脂肪酸等があるが、アルキルトリメチルアンモニウムが好ましい。
As the surfactant, a compound having an alkyl group and a hydrophilic group is used. As the alkyl group, those having 2 to 18 carbon atoms are preferable. Examples of the hydrophilic group include N + , NH 2 , NO, OH, and COOH. Specifically, as the surfactant, the following general formula (1)
C n H 2n + 1 N (CH 3 ) 3 X (1)
(In the formula, n is an integer of 2 to 18, and X represents a halide ion such as chloride ion or bromide ion, or an organic anion such as HSO 4 or acetate ion.)
There are alkyltrimethylammonium, alkylalcohol, fatty acid and the like represented by

前記複合液の調製方法としては特に制限されないが、最初にアルコキシシランに少量の水(1モルのSiに対して0.5〜10モルの水)を添加し、室温で数分ないし3時間程度攪拌した後に界面活性剤を添加する調製方法を採用することが好ましい。また、この時にpH調整剤として少量の酸を添加することが好ましい。このようにして酸を添加することで各成分が溶解し、均一な溶液が調製できる傾向にある。また、前記複合液のpHは1〜4の範囲に調整することが好ましい。更に、前記酸としては希塩酸(例えば2規定)を好適に用いることができるが、硝酸や硫酸等の他の酸を用いてもよい。また、前記界面活性剤は、粉末のままで添加してもよいが、少量の水に溶解させて添加してもよい。   The method for preparing the composite liquid is not particularly limited. First, a small amount of water (0.5 to 10 mol of water relative to 1 mol of Si) is added to the alkoxysilane, and then at room temperature for several minutes to about 3 hours. It is preferable to employ a preparation method in which a surfactant is added after stirring. At this time, it is preferable to add a small amount of acid as a pH adjuster. Thus, by adding an acid, each component melt | dissolves and it exists in the tendency which can prepare a uniform solution. Moreover, it is preferable to adjust pH of the said complex liquid in the range of 1-4. Further, dilute hydrochloric acid (for example, 2N) can be suitably used as the acid, but other acids such as nitric acid and sulfuric acid may be used. The surfactant may be added as a powder, but may be added after being dissolved in a small amount of water.

また、複合液中のHO/Siモル比が1〜10であることが好ましい。ここにおいて「原料中のHO/Siモル比」とは、複合液中に添加した水の総量に対するSi原料の比を示すものである。複合液中のHO/Siモル比が10を超えると、例えば、シランアルコキシドが加水分解・縮合して生成する金属酸化物の微粒子同士の隙間が大きくなり、結果として生成した金属酸化物の密度が低下する傾向にあり、他方、その比が1未満の場合には、シランアルコキシドの加水分解が起こらず、結果としてメソ多孔体が得られない傾向にある。 Further, it is preferable that H 2 O / Si molar ratio in the composite liquid is 1 to 10. Here, the “H 2 O / Si molar ratio in the raw material” indicates the ratio of the Si raw material to the total amount of water added to the composite liquid. When the H 2 O / Si molar ratio in the composite liquid exceeds 10, for example, a gap between metal oxide fine particles generated by hydrolysis and condensation of silane alkoxide becomes large, and as a result, On the other hand, when the ratio is less than 1, the silane alkoxide is not hydrolyzed, and as a result, the mesoporous material tends not to be obtained.

さらに、前記界面活性剤の添加量は、複合液中のSi1モルに対し、1〜10モルが好ましい。界面活性剤の添加量が前記上限を超えるとメソ多孔体の形成に寄与しない余剰の界面活性剤が試料中に混在する傾向にあり、他方、前記下限未満では、メソ多孔体の形成に寄与しない余剰のSiが混在し、また、シリカ層が厚くなり細孔容積が減少する傾向にある。このようにして調製された溶液を基板上にコートし、これを放置すると次第に全体が均一なまま固化し、メソ多孔体前駆体が得られる。   Furthermore, the addition amount of the surfactant is preferably 1 to 10 mol with respect to 1 mol of Si in the composite liquid. When the amount of the surfactant added exceeds the upper limit, surplus surfactant that does not contribute to the formation of the mesoporous material tends to be mixed in the sample. On the other hand, when the amount is less than the lower limit, it does not contribute to the formation of the mesoporous material. Excess Si is mixed, and the silica layer becomes thick and the pore volume tends to decrease. The solution prepared as described above is coated on a substrate, and when left standing, the whole is gradually solidified and a mesoporous material precursor is obtained.

このような複合液を基板にコートする方法としては特に制限されず、公知の方法を適宜採用することができ、スピンコート法、キャステイング法、ディップコート法等を採用することができる。   A method for coating such a composite liquid on the substrate is not particularly limited, and a known method can be appropriately employed, and a spin coating method, a casting method, a dip coating method, or the like can be employed.

また、得られたメソ多孔体前駆体を焼成することで、界面活性剤を除去することができる。このような焼成による方法では、メソ多孔体前駆体を300℃〜1000℃の範囲で、好ましくは400〜700℃の範囲に加熱する。加熱時間は30分以上あればよいが、完全に有機成分を除去するには1時間以上加熱するのが好ましい。また、加熱の際の雰囲気は空気を流通させればよいが、多量の燃焼ガスが発生するため、燃焼初期は窒素等の不活性ガスを流通してもよい。   In addition, the surfactant can be removed by firing the obtained mesoporous precursor. In such a firing method, the mesoporous material precursor is heated in the range of 300 ° C to 1000 ° C, preferably in the range of 400 to 700 ° C. The heating time may be 30 minutes or longer, but it is preferable to heat for 1 hour or longer to completely remove the organic components. In addition, air may be circulated in the heating atmosphere, but since a large amount of combustion gas is generated, an inert gas such as nitrogen may be circulated in the early stage of combustion.

また、前述のような膜状のメソ多孔体を製造するための好適な他の製造方法としては、層状シリケートを用いてメソ多孔体を合成する方法を挙げることができる。   Moreover, as another suitable manufacturing method for manufacturing the membranous mesoporous material as described above, a method of synthesizing a mesoporous material using a layered silicate can be mentioned.

このような合成法においては、先ず、層状シリケートを、界面活性剤を溶解させた溶媒に分散させて分散溶液を得る。   In such a synthesis method, first, a layered silicate is dispersed in a solvent in which a surfactant is dissolved to obtain a dispersion solution.

このような層状シリケートとしては、例えば、カネマイト(NaHSi・3HO)が好ましい。また、他の層状シリケートとしては、ジケイ酸ナトリウム結晶(α,β,γ,δ−NaSi)、マカタイト(NaSi
5HO)、アイアライト(NaSi17・xHO)、マガディアイト(NaSi1429・xHO)、ケニヤイト(NaSi2041・xHO)等が代表的である。また、その他の層状シリケートとしては、例えば、セピオライトのような粘土鉱物を酸の水溶液で処理して二酸化珪素以外の元素を除去した層状シリケートを使用することもできる。この場合の粘土鉱物としては、セピオライトの他にモンモリロナイト、バーミキュライト、雲母、カオリナイト、スメクタイトが代表的であるが、これらに限定することなく用いることができる。なお、層状シリケートからメソ多孔体を合成する方法においては、層状シリケートのかわりに水ガラス、珪酸ソーダ、Siアルコキシド、シリカ等を用いてもよい。
As such a layered silicate, for example, kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O) is preferable. Other layered silicates include sodium disilicate crystals (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9).
5H 2 O), ialite (Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 29 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O), etc. Representative. As another layered silicate, for example, a layered silicate obtained by treating a clay mineral such as sepiolite with an acid aqueous solution to remove elements other than silicon dioxide can be used. Typical clay minerals in this case include montmorillonite, vermiculite, mica, kaolinite, and smectite in addition to sepiolite, but these can be used without limitation. In the method for synthesizing the mesoporous material from the layered silicate, water glass, sodium silicate, Si alkoxide, silica, or the like may be used instead of the layered silicate.

また、前記界面活性剤としては、アルキルトリメチルアンモニウム、ジメチルアルキルアンモニウム、アルキルアンモニウム、ベンジルアンモニウムの塩化物、臭化物、ヨウ化物あるいは水酸化物等を挙げることができる。さらに、前記溶媒としては水が好ましいが、水−アルコール混合溶媒や、その他の溶媒も用いることができる。このような溶媒中における界面活性剤の濃度は、0.05mol/L〜1mol/Lが好ましい。   Examples of the surfactant include chlorides, bromides, iodides and hydroxides of alkyltrimethylammonium, dimethylalkylammonium, alkylammonium and benzylammonium. Further, water is preferable as the solvent, but a water-alcohol mixed solvent and other solvents can also be used. The concentration of the surfactant in such a solvent is preferably 0.05 mol / L to 1 mol / L.

また、このような溶媒中における層状シリケートの含有量としては、用いる層状シリケートの種類によっても異なるものではあるが、例えばカネマイトを用いる場合には、0.1mol/Lの界面活性剤の水溶液1000mlに対して5〜200gであることが好ましい。   Further, the content of the layered silicate in such a solvent varies depending on the type of the layered silicate used. For example, when kanemite is used, the amount of the aqueous solution of the 0.1 mol / L surfactant is 1000 ml. The amount is preferably 5 to 200 g.

次に、得られた分散溶液を基板の上にコートして30〜150℃で加熱乾燥せしめた後、550℃以上の温度で焼成、或いは塩酸/エタノール混合溶液で処理することにより、結晶中に取り込まれた界面活性剤が除去され、基板の上にメソ多孔体が生成される。なお、基板上にコートする方法としては、前述のアルコキシシランを用いる方法において説明した方法と同様の方法を採用することができる。   Next, the obtained dispersion solution is coated on a substrate and heated and dried at 30 to 150 ° C., and then baked at a temperature of 550 ° C. or higher, or treated with a hydrochloric acid / ethanol mixed solution to form crystals. The incorporated surfactant is removed, and a mesoporous material is generated on the substrate. As a method for coating on the substrate, a method similar to the method described in the above-described method using alkoxysilane can be employed.

また、乾燥せしめる際の加熱時間としては1〜24時間程度が好ましい。また、このような加熱に際しては、加熱している間、分散溶液を撹拌するほうが好ましい。また、このような加熱乾燥に際しては、加熱開始から1〜5時間の間は分散溶液のpHを10以上に調整し、残りの加熱時間においては分散溶液のpHを10以下に調整することが好ましい。このようなpHの調整に際し、例えば層状シリケートとしてカネマイトを用いた場合には、カネマイトはアルカリ性であるため分散溶液のpHは何もしなくても10以上になるが、カネマイト以外の他の層状シリケートを用い、pHが10以上にならない場合には水酸化ナトリウム等のアルカリを添加してpHを10以上に調整することができる。このようなpHの制御により、結晶性の高いメソ多孔体を得ることができる。   The heating time for drying is preferably about 1 to 24 hours. In such heating, it is preferable to stir the dispersion while heating. In such heat drying, it is preferable to adjust the pH of the dispersion solution to 10 or more for 1 to 5 hours from the start of heating, and to adjust the pH of the dispersion solution to 10 or less for the remaining heating time. . When adjusting the pH, for example, when kanemite is used as the layered silicate, the kanemite is alkaline, so the pH of the dispersion solution is 10 or more without any action, but other layered silicates other than kanemite may be used. When the pH does not become 10 or higher, an alkali such as sodium hydroxide can be added to adjust the pH to 10 or higher. By controlling the pH as described above, a highly crystalline mesoporous material can be obtained.

さらに、前記焼成に際しては、空気、酸素、窒素等の雰囲気下で1時間以上加熱するのが好ましい。また、前記工程における前述の塩酸/エタノール混合溶液は単なる例示であり、酸/有機溶媒の組合せによる混合溶液であれば、この組み合わせ以外の酸と有機溶媒の混合溶液を用いることができる。   Furthermore, the firing is preferably performed for 1 hour or longer in an atmosphere of air, oxygen, nitrogen or the like. Moreover, the above-mentioned hydrochloric acid / ethanol mixed solution in the above step is merely an example, and a mixed solution of an acid and an organic solvent other than this combination can be used as long as it is a mixed solution of an acid / organic solvent combination.

なお、上述のようなメソ多孔体を製造する方法においては、用いる界面活性剤の種類を変更して界面活性剤のアルキル鎖を始めとする疎水性部分の長さ等を変更することによって、得られるメソ多孔体の細孔径を制御することが可能となり、これによって本発明に用いられる中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体を製造することができる。   In the method for producing a mesoporous material as described above, the length of the hydrophobic portion including the alkyl chain of the surfactant is changed by changing the type of the surfactant used. It is possible to control the pore diameter of the mesoporous material to be produced, and thereby the mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm used in the present invention can be produced.

(水素吸蔵能を有する金属)
本発明において前記メソ多孔体の細孔内に配列される金属は、水素吸蔵能を有するものである。このような金属は、水素吸蔵能を有するものであればよく、特に制限されず、単独の金属元素からなるものであっても、合金であってもよい。このような金属としては、例えば、パラジウム、バナジウム、マグネシウム等の他、チタン系合金(Ti−Fe系合金、Ti−Ni系合金、Ti−V系合金等)、Mg系合金(Mg−Ni系合金等)、希土類系AB型合金(LaNi合金等)等が挙げられる。このような金属の中でも、化学的な安定性及び他の種類のガスからの選択性の観点から、Pd、LaNi、TiVCr、TiVMnが好ましく、Pd及びLaNiが特に好ましい。
(Metal with hydrogen storage capacity)
In the present invention, the metal arranged in the pores of the mesoporous material has hydrogen storage capacity. Such a metal is not particularly limited as long as it has hydrogen storage capacity, and may be composed of a single metal element or an alloy. Examples of such a metal, e.g., palladium, vanadium, other such as magnesium, titanium-based alloy (Ti-Fe-based alloy, Ti-Ni based alloys, Ti-V alloys, etc.), Mg-based alloys (Mg 2 -Ni And rare earth-based AB 5 type alloys (LaNi 5 alloy and the like). Among these metals, Pd, LaNi 5 , TiVCr, and TiVMn are preferable, and Pd and LaNi 5 are particularly preferable from the viewpoint of chemical stability and selectivity from other types of gases.

また、このような水素吸蔵能を有する金属としては、水素吸蔵により格子定数が1〜50%変化するものであることが好ましく、5〜20%変化するものであることがより好ましい。このような格子定数の変化量が前記下限未満では、水素を吸蔵させた際に金属があまり変形(例えば膨張)しないため、トンネル電流の大小を感度よく認識することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると金属自体が応力によりこわれ易くなる傾向にある。   Moreover, as such a metal which has hydrogen storage ability, it is preferable that a lattice constant changes 1 to 50% by hydrogen storage, and it is more preferable that it changes 5 to 20%. If the amount of change in the lattice constant is less than the lower limit, the metal does not deform much (e.g., expands) when occluded hydrogen, so it tends to be difficult to recognize the magnitude of the tunnel current with high sensitivity. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the metal itself tends to be easily broken by stress.

さらに、このような水素吸蔵能を有する金属としては特に制限されないが、1〜5質量%(より好ましくは1〜3質量%)の水素を吸蔵できる金属であることが好ましい。前記金属に吸蔵できる水素の量の割合が前記下限未満では、水素ガス検知感度が実用範囲外となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、金属粒子の崩壊が起り長期安定性が保てなくなる傾向にある。   Furthermore, although it does not restrict | limit especially as a metal which has such a hydrogen occlusion ability, It is preferable that it is a metal which can occlude 1-5 mass% (more preferably 1-3 mass%) hydrogen. If the ratio of the amount of hydrogen that can be stored in the metal is less than the lower limit, the hydrogen gas detection sensitivity tends to be outside the practical range.On the other hand, if the upper limit is exceeded, the metal particles collapse and long-term stability can be maintained. It tends to disappear.

(電極)
本発明にかかる電極は、前記金属に電気的に接続されるものである。このような電極としては、その形状等は特に制限されず、公知の方法で適宜製造した電極を用いることができる。また、このような電極の材料も特に制限されず、電極を構成させることが可能な公知の材料を適宜用いることができ、例えば、アルミニウム、アルミニウムシリコン合金、アルミニウムシリコン銅合金、チタン、ニッケル、コバルト、白金、金等を用いることができる。
(electrode)
The electrode according to the present invention is electrically connected to the metal. The shape of the electrode is not particularly limited, and an electrode appropriately manufactured by a known method can be used. Further, the material of such an electrode is not particularly limited, and a known material capable of constituting the electrode can be appropriately used. For example, aluminum, aluminum silicon alloy, aluminum silicon copper alloy, titanium, nickel, cobalt Platinum, gold, etc. can be used.

(水素ガスセンサ)
本発明の水素ガスセンサは、前記メソ多孔体と、前記金属と、前記金属に電気的に接続されている電極とを備えるものである。
(Hydrogen gas sensor)
The hydrogen gas sensor of the present invention includes the mesoporous material, the metal, and an electrode that is electrically connected to the metal.

本発明の水素ガスセンサにおいては、前記メソ多孔体を母体とし、前記メソ多孔体の細孔内において金属の粒子を生成し、その細孔内に金属(量子ドット)を配列させているため、前記メソ多孔体の細孔の周期構造に依存した特有の配列構造を有し、前記金属の水素吸蔵による膨張によって電気特性が変化し、水素ガスを検知することが可能となる。そして、このような水素ガスセンサとしては、前記金属の水素吸蔵による膨張によって電気特性が変化し、トンネル電流の大小から水素ガスを検知することが可能なものであることが好ましい。このように前記金属の水素吸蔵に起因したトンネル電流の大小によって水素ガスを検知することで、優れた感度と十分な応答速度で水素ガスを検知できるとともに、他の種類のガスの中から、水素ガスを選択的に検知することが可能となる。なお、上述の電流の変化等を検出する装置や方法等は特に制限されず、公知の装置及び方法を適宜採用することができる。   In the hydrogen gas sensor of the present invention, the mesoporous material is used as a base, metal particles are generated in the pores of the mesoporous material, and metal (quantum dots) are arranged in the pores. It has a unique arrangement structure depending on the periodic structure of the pores of the mesoporous material, and the electrical characteristics change due to the expansion of the metal due to hydrogen absorption, and it becomes possible to detect hydrogen gas. And as such a hydrogen gas sensor, it is preferable that an electrical characteristic changes with expansion | swelling by the hydrogen occlusion of the said metal, and can detect hydrogen gas from the magnitude of a tunnel current. Thus, by detecting the hydrogen gas based on the magnitude of the tunnel current resulting from the hydrogen storage of the metal, the hydrogen gas can be detected with excellent sensitivity and sufficient response speed. Gas can be selectively detected. In addition, the apparatus, method, etc. which detect the above-mentioned change etc. of an electric current are not restrict | limited in particular, A well-known apparatus and method can be employ | adopted suitably.

また、このような水素ガスセンサとしては、前記金属により形成される量子ドットが前記メソ多孔体の細孔の周期構造と同様の周期で配列された量子ドット配列構造を形成していることが好ましい。このように、メソ多孔体に配列された量子ドット配列構造を形成すると、より高い量子効果が得られるため、より高感度で水素ガスを検知することができる傾向にある。   Moreover, as such a hydrogen gas sensor, it is preferable that the quantum dot formed with the said metal forms the quantum dot arrangement | sequence structure arranged with the period similar to the periodic structure of the pore of the said mesoporous body. Thus, when a quantum dot array structure arranged in a mesoporous material is formed, a higher quantum effect can be obtained, and thus hydrogen gas tends to be detected with higher sensitivity.

以下、図面を参照しながら上述のような本発明の水素ガスセンサの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the hydrogen gas sensor of the present invention as described above will be described in detail with reference to the drawings. In the following description and drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted.

図1は、本発明の水素ガスセンサの好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図である。図1に示す水素ガスセンサ1は、基本的には、メソ多孔体11と、金属12と、電極13と、基板20と、薄膜21aとを備えている。また、図1に示す水素ガスセンサ1においては、基板20上に形成された薄膜21aの上にメソ多孔体11が配置されており、そのメソ多孔体11の細孔内に金属12が配列されている。更に、図1に示す水素ガスセンサ1においては、金属12により形成される量子ドットが、メソ多孔体11の細孔の周期構造と同様の周期で配列され、量子ドット配列構造を形成している。また、図1に示す水素ガスセンサ1においては、メソ多孔体11は2つの電極13に挟まれるようにして配置され、金属12と電極13とは電気的に接続されている。   FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing the structure of a preferred embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention. The hydrogen gas sensor 1 shown in FIG. 1 basically includes a mesoporous material 11, a metal 12, an electrode 13, a substrate 20, and a thin film 21a. Further, in the hydrogen gas sensor 1 shown in FIG. 1, the mesoporous material 11 is disposed on the thin film 21 a formed on the substrate 20, and the metal 12 is arranged in the pores of the mesoporous material 11. Yes. Furthermore, in the hydrogen gas sensor 1 shown in FIG. 1, the quantum dots formed by the metal 12 are arranged with the same period as the periodic structure of the pores of the mesoporous body 11 to form a quantum dot array structure. In the hydrogen gas sensor 1 shown in FIG. 1, the mesoporous material 11 is disposed so as to be sandwiched between two electrodes 13, and the metal 12 and the electrode 13 are electrically connected.

このようなメソ多孔体11、金属12及び電極13には、前述のメソ多孔体、金属及び電極がそれぞれ用いられる。更に、基板20としては特に制限されず、このような水素ガスセンサに用いられる公知の基板を適宜用いることができる。   As the mesoporous material 11, the metal 12, and the electrode 13, the aforementioned mesoporous material, metal, and electrode are used, respectively. Furthermore, it does not restrict | limit especially as the board | substrate 20, The well-known board | substrate used for such a hydrogen gas sensor can be used suitably.

また、薄膜21aとしては特に制限されず、例えば、水素ガスセンサの表面保護用の膜等に用いられる材料として公知の材料により形成された薄膜(例えばUSG膜、SiN膜等)を適宜用いることができる。また、薄膜21aとしては、これでメソ多孔体12を覆った場合に、外部とメソ多孔体の細孔とが連通できなくなるような非多孔質の膜であることが好ましい。また、このような薄膜としては、メソ多孔体との密着性の高い膜が好ましい。   The thin film 21a is not particularly limited, and for example, a thin film (for example, USG film, SiN film, etc.) formed of a known material as a material used for a surface protection film of a hydrogen gas sensor can be appropriately used. . In addition, the thin film 21a is preferably a non-porous film in which when the mesoporous material 12 is covered with this, the outside and the pores of the mesoporous material cannot be communicated with each other. Moreover, as such a thin film, a film | membrane with high adhesiveness with a mesoporous body is preferable.

また、前記メソ多孔体11により形成される膜の厚みとしては、製造するセンサの構成によっても異なるものではあるが、50〜300nm程度であることが好ましい。このような膜の厚みが前記下限未満では、連続膜が形成されないため素子形成できず、センサの歩留まりが低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、応力により膜にクラックが生じ易くなる傾向にある。   Further, the thickness of the film formed of the mesoporous material 11 is preferably about 50 to 300 nm, although it varies depending on the structure of the sensor to be manufactured. If the thickness of such a film is less than the lower limit, a continuous film is not formed, so that elements cannot be formed, and the yield of the sensor tends to decrease. On the other hand, if the upper limit is exceeded, cracks are likely to occur in the film due to stress. There is a tendency.

薄膜21aの厚みとしては、製造するセンサの構成によっても異なるものではあるが、300〜600nm程度であることが好ましい。このような膜の厚みが前記下限未満では、基板の帯電によるバックグラウンドノイズが増大する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、膜の応力により素子部にひずみ力が加わり易くなる傾向にある。   The thickness of the thin film 21a varies depending on the structure of the sensor to be manufactured, but is preferably about 300 to 600 nm. If the thickness of the film is less than the lower limit, background noise due to charging of the substrate tends to increase. On the other hand, if the thickness exceeds the upper limit, a strain force tends to be easily applied to the element portion due to the stress of the film. .

次に、図面を参照しながら本発明の水素ガスセンサを製造するための好適な方法を説明する。   Next, a preferred method for producing the hydrogen gas sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.

先ず、所定の基板(図示せず)上に薄膜21aを形成し、薄膜21aの上にメソ多孔体11の膜を形成して、図2に示す薄膜にメソ多孔体が積層した積層体を形成せしめる。このような薄膜21aの形成方法は特に制限されず、公知の方法を適宜採用することができ、平坦化効果の高いSOG法やCVD法により緻密な膜を形成する方法を好適に採用することができる。また、メソ多孔体11の形成方法としては、前述のメソ多孔体を製造するための好適な製造方法を採用することができる。   First, the thin film 21a is formed on a predetermined substrate (not shown), the film of the mesoporous material 11 is formed on the thin film 21a, and the laminated body in which the mesoporous material is laminated on the thin film shown in FIG. 2 is formed. Let me. The method for forming such a thin film 21a is not particularly limited, and a known method can be adopted as appropriate, and a method for forming a dense film by an SOG method or a CVD method having a high leveling effect can be preferably used. it can. Moreover, as a formation method of the mesoporous body 11, a suitable manufacturing method for manufacturing the above-described mesoporous body can be employed.

次に、このようにして得られたメソ多孔体11の表面に薄膜21bを形成せしめ、図3に示す表面層形成ウエハを得る。このような薄膜21bは、上述の薄膜21aと同様のものである。このようにして、薄膜21aと薄膜21bとにより多孔体を覆うことで、多孔体の細孔と外部とが連通できなくなる。なお、このような薄膜21bを形成する方法は、上述の薄膜21aの形成方法と同様の方法を採用できる。   Next, the thin film 21b is formed on the surface of the mesoporous material 11 obtained in this way, and the surface layer-formed wafer shown in FIG. 3 is obtained. Such a thin film 21b is the same as the above-mentioned thin film 21a. Thus, by covering the porous body with the thin film 21a and the thin film 21b, the pores of the porous body cannot communicate with the outside. In addition, the method similar to the formation method of the above-mentioned thin film 21a is employable as the method of forming such a thin film 21b.

次いで、表面の薄膜21bとメソ多孔体11とをエッチングして、外部とメソ多孔体の細孔とが連通可能となるようなコンタクトホールを形成せしめ、図4に示すコンタクトホール形成ウエハを得る。   Next, the thin film 21b on the surface and the mesoporous material 11 are etched to form contact holes that allow communication between the outside and the pores of the mesoporous material, thereby obtaining a contact hole-formed wafer shown in FIG.

このようなエッチングに際しては、所定のステッパを用いて所定のパターン形成せしめた後、これをマスクとしてエッチングを行う方法を採用することができる。また、エッチングの方法としては特に制限されず、公知の方法を適宜採用することができ、例えば反応性イオンエッチングを採用することができる。このような反応性イオンエッチングを採用する場合にはエッチングガスとして、例えば、CF、CHF、CCl等を採用することができる。 In such etching, it is possible to employ a method of forming a predetermined pattern using a predetermined stepper and then performing etching using this as a mask. Moreover, it does not restrict | limit especially as an etching method, A well-known method can be employ | adopted suitably, for example, reactive ion etching can be employ | adopted. When such reactive ion etching is employed, for example, CF 4 , CHF 3 , CCl 4 or the like can be employed as an etching gas.

このようなイオンエッチング法を用いる場合において、投入する電力の大きさ、反応中のガス圧、および反応ガスのガス流量等の諸条件は、用いる装置の種類及びエッチング行う薄膜の状態等に依存する。そして、ガス圧等が最適な条件の下では、コンタクトホールの形状は、ほぼ垂直な壁を持つ垂直性のよいものとなる。なお、エッチング処理の最終工程において、エッチング壁を保護している析出物を取り除く02アッシング処理を行うことで、側壁に着いた析出物を取り除けると共に、細孔の細孔内表面を改質させることができる。このような処理に際し、特定の処理時間をとることで前記コンタクトホールから一定距離まで改質することが可能となる。   In the case of using such an ion etching method, various conditions such as the magnitude of electric power to be input, the gas pressure during the reaction, and the gas flow rate of the reaction gas depend on the type of apparatus used and the state of the thin film to be etched. . Under the optimum conditions such as gas pressure, the shape of the contact hole has good verticality with almost vertical walls. In the final step of the etching process, the 02 ashing process is performed to remove precipitates protecting the etching wall, so that the deposits attached to the side walls can be removed and the inner surface of the pores can be modified. Can do. In such processing, it is possible to modify the contact hole to a certain distance by taking a specific processing time.

このようにして形成される前記コンタクトホールの口径は特に制限されず、その口径が10〜50000nm程度であることが好ましい。コンタクトホールの口径が前記下限未満では、後述する原料溶液を供給する時に十分な量の供給が困難となる傾向にある。   The diameter of the contact hole formed in this way is not particularly limited, and the diameter is preferably about 10 to 50000 nm. If the diameter of the contact hole is less than the lower limit, it is difficult to supply a sufficient amount when supplying a raw material solution described later.

次に、前記ウエハに形成されたコンタクトホールを原料化合物の供給口として、前記コンタクトホールからメソ多孔体11の細孔内に原料化合物を導入して前記細孔内において金属を生成させる。   Next, using the contact hole formed in the wafer as a raw material compound supply port, the raw material compound is introduced from the contact hole into the pores of the mesoporous material 11 to generate metal in the pores.

このような原料化合物としては特に制限されないが、例えば、前述の金属が含有された金属の塩(例えば、塩化パラジウム)又は錯塩(例えば、ジエチルパラジウム、ジメチルパラジウム)を好適に用いることができる。   Although it does not restrict | limit especially as such a raw material compound, For example, the metal salt (for example, palladium chloride) or complex salt (for example, diethyl palladium, dimethyl palladium) containing the above-mentioned metal can be used conveniently.

また、このような原料化合物は水又は有機溶媒に溶解させて原料溶液として細孔内に導入することが好ましい。このような有機溶媒としては、例えばエタノール、メタノール、ジオキサン等を用いることができる。   Moreover, such a raw material compound is preferably dissolved in water or an organic solvent and introduced into the pores as a raw material solution. As such an organic solvent, for example, ethanol, methanol, dioxane and the like can be used.

また、メソ多孔体11の細孔内に原料化合物を導入する際には、前記コンタクトホールに前記原料溶液を注入する。このようにしてコンタクトホールに原料溶液を注入することで、ナノ細孔への毛管現象により、原料溶液がメソ多孔体の細孔内に拡散する。   Further, when the raw material compound is introduced into the pores of the mesoporous material 11, the raw material solution is injected into the contact hole. By injecting the raw material solution into the contact hole in this manner, the raw material solution is diffused into the pores of the mesoporous material by the capillary phenomenon to the nanopores.

前記毛管現象は、液体中に毛細管を立てると水面が管内を上昇し又は下降する現象であり、本発明においてこの現象を利用することによって、前記原料溶液をメソ多孔体の細孔内に高密度に導入することができる。   The capillary phenomenon is a phenomenon in which the water surface rises or falls in the liquid when a capillary is erected in the liquid. By utilizing this phenomenon in the present invention, the raw material solution is densely contained in the pores of the mesoporous material. Can be introduced.

また、このような原料溶液を導入する際には、真空引きをすることが好ましい。このような真空引きをすることで、細孔内に吸着している水成分、各種ガス、有機成分等の吸着物を除去することができ、より効率よく原料溶液を細孔内に拡散させることが可能となる傾向にある。さらに、前記真空引きの際の圧力は特に制限されないが10−2torr以下とすることが好ましい。 Further, when introducing such a raw material solution, it is preferable to evacuate. By evacuating in this way, adsorbates such as water components, various gases, and organic components adsorbed in the pores can be removed, and the raw material solution can be diffused more efficiently into the pores. Tend to be possible. Furthermore, the pressure during the evacuation is not particularly limited, but is preferably 10 −2 torr or less.

このようにして多孔体の細孔内に原料溶液を導入した後において、熱、光、γ線等を用いて処理することによって、細孔内において金属の粒子を生成する。本発明において、原料化合物から金属を生成する方法及び条件は原料化合物の種類に応じて適宜選択されるが、熱により原料溶液の処理を行う方法を採用する場合には、例えば、空気、窒素、水素等の気流中もしくは真空中、200〜600℃で1〜5時間加熱することによって処理する方法を採用することができる。   After introducing the raw material solution into the pores of the porous body in this way, metal particles are generated in the pores by treatment using heat, light, γ rays, or the like. In the present invention, the method and conditions for producing a metal from a raw material compound are appropriately selected according to the type of the raw material compound, but when employing a method of treating a raw material solution with heat, for example, air, nitrogen, A method of treating by heating at 200 to 600 ° C. for 1 to 5 hours in an air stream such as hydrogen or in a vacuum can be employed.

また、光を用いて原料溶液の処理を行う方法を採用する場合には、例えば、真空脱気した後、冷却しながら高圧水銀ランプ等を用いて10分〜3時間光照射を行う方法を採用できる。また、このような光照射の際には、還元ガスとして2−プロパノール等のアルコール蒸気、水蒸気、一酸化炭素(CO)等を導入することが好ましい。このような還元ガスを導入することにより、還元ガスは異方的な拡散をするため一定方向への結晶成長をより確実に行うことが可能となる傾向にある。更に、γ線を用いて処理を行う方法を採用する場合には、真空脱気した後、1〜100時間γ線照射を行うことが好ましく、また、γ線照射に際しては一酸化炭素を導入することが好ましい。   In addition, when adopting a method of processing a raw material solution using light, for example, a method of performing light irradiation for 10 minutes to 3 hours using a high-pressure mercury lamp or the like while cooling after vacuum degassing is adopted. it can. In such light irradiation, it is preferable to introduce alcohol vapor such as 2-propanol, water vapor, carbon monoxide (CO), or the like as a reducing gas. By introducing such a reducing gas, the reducing gas diffuses anisotropically, so that crystal growth in a certain direction tends to be more reliably performed. Furthermore, when adopting a method of performing treatment using γ-rays, it is preferable to perform γ-ray irradiation for 1 to 100 hours after vacuum degassing. In addition, carbon monoxide is introduced during the γ-ray irradiation. It is preferable.

さらに、このような熱、光、γ線等を用いて原料溶液を処理する方法の中でも、光を用いて処理する方法を用いると、金属をより均一に且つ高密度で形成させることができるので特に好ましい。また、このような光を用いて処理する方法において、前記メソ多孔体に照射する光は、紫外線であることが好ましく、その波長としては140〜360nmであることがより好ましく、200〜300nmであることが特に好ましい。このような光を照射する光源としては、前述の光源の他にUVランプ又はレーザー等を使用することができる。また、照射する光の光強度としては、1〜200mW/cmであることが好ましく、5〜20mW/cmであることがより好ましい。光を照射することによって、活性なHラジカルを生成することができ、このHラジカルの強い還元作用により、細孔内に導入された原料溶液中の金属イオンを0価の金属まで還元して、細孔内において金属を生成することができる。 Furthermore, among the methods of treating a raw material solution using such heat, light, γ-rays, etc., using a method of treating using a light allows a metal to be formed more uniformly and at a high density. Particularly preferred. Moreover, in the method of processing using such light, the light applied to the mesoporous material is preferably ultraviolet light, more preferably 140 to 360 nm, and 200 to 300 nm. It is particularly preferred. As a light source for irradiating such light, a UV lamp or a laser can be used in addition to the above-mentioned light source. Further, as the light intensity of the irradiated light is preferably 1~200mW / cm 2, more preferably 5~20mW / cm 2. By irradiating with light, active H radicals can be generated, and the metal ions in the raw material solution introduced into the pores are reduced to zero-valent metal by the strong reducing action of the H radicals, Metals can be generated within the pores.

次に、メソ多孔体の細孔内において金属が生成された前記ウエハに電極13を形成させる(図5)。このような電極13を形成する方法としては特に制限されず、電極を形成せしめる公知の方法を適宜採用することができ、例えば、前述のような電極の材料を前記ウエハ上に蒸着せしめて電極材料の膜を形成させた後、所定のステッパを用いて所定のパターン形成した後、反応性イオンエッチング処理を行うことによって電極を形成する方法を採用することができる。   Next, the electrode 13 is formed on the wafer in which metal is generated in the pores of the mesoporous material (FIG. 5). A method for forming such an electrode 13 is not particularly limited, and a known method for forming an electrode can be appropriately employed. For example, the electrode material as described above is deposited on the wafer to form an electrode material. After forming this film, after forming a predetermined pattern using a predetermined stepper, a method of forming an electrode by performing a reactive ion etching process can be employed.

そして、このようにして電極を形成させた後、露出している部分の薄膜21bを除去することで、図1に示すような構造の水素ガスセンサを得ることができる。なお、薄膜21bを除去する方法は、特に制限されず、形成された薄膜21を除去することが可能な公知の方法(例えば反応性イオンエッチング処理を採用する方法等)を適宜採用することができる。   And after forming an electrode in this way, the hydrogen gas sensor of a structure as shown in FIG. 1 can be obtained by removing the thin film 21b of the exposed part. The method for removing the thin film 21b is not particularly limited, and a known method capable of removing the formed thin film 21 (for example, a method employing a reactive ion etching process) can be appropriately employed. .

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
先ず、100Ω・cm伝導度を持つp型シリコンウエハーを基板とし、その基板の上にCVD法により厚みが1μmのUSG(Undoped Silica Glass)膜を製膜した。
(Example 1)
First, a p-type silicon wafer having 100 Ω · cm conductivity was used as a substrate, and a USG (Undoped Silica Glass) film having a thickness of 1 μm was formed on the substrate by a CVD method.

次に、前記USG膜上に、テトラメトキシシラン(TMOS)とナノ細孔形成の鋳型となる界面活性剤と水との複合液をディップコート法により均一に塗布し、これを100℃の温度条件で24時間乾燥処理した後、500℃の温度条件で2時間焼成処理して、前記USG膜上にメソ多孔体の膜を製膜した。このような界面活性剤としては、炭素数18の直鎖アルキル基を有するアルキルトリメチルアンモニウムクロリド(C18−TMACl)を使用した。また、前記複合液は、前記テトラメトキシシランの添加量が前記複合液中に含有されている全SiとHOのモル比(Si:HO)が1:2となるようにし、前記界面活性剤の添加量が前記複合液中に含有されているSi1モルに対して前記界面活性剤0.1モルとなるように調製した。このようにして得られたメソ多孔体の膜は、Cubic構造で中心細孔直径が3.2nmの細孔を有するメソ多孔体の膜であった。 Next, a composite liquid of tetramethoxysilane (TMOS), a surfactant used as a template for forming nanopores and water is uniformly applied on the USG film by a dip coating method, and this is applied at a temperature condition of 100 ° C. Then, a mesoporous film was formed on the USG film by drying for 24 hours at 500 ° C. for 2 hours. As such a surfactant, alkyltrimethylammonium chloride (C18-TMACl) having a linear alkyl group having 18 carbon atoms was used. In the composite liquid, the amount of tetramethoxysilane added is such that the molar ratio of all Si and H 2 O contained in the composite liquid (Si: H 2 O) is 1: 2. The surfactant was prepared so that the amount of the surfactant added was 0.1 mol of the surfactant relative to 1 mol of Si contained in the composite liquid. The mesoporous film thus obtained was a mesoporous film having a cubic structure and a pore having a central pore diameter of 3.2 nm.

次いで、CVD法により、前記メソ多孔体の膜上にナノ細孔の無い表面USG膜(厚み200nm)を製膜し、ウエハを得た。このようにして、外部から前記メソ多孔体の細孔へのアクセスが不能なようにした。   Next, a surface USG film (thickness: 200 nm) having no nanopores was formed on the mesoporous film by a CVD method to obtain a wafer. In this way, access to the pores of the mesoporous material from the outside was made impossible.

次に、前記ウエハにステッパを用いてパターン形成を行いった後に反応性イオンエッチング(RIE)を行い、前記ウエハの表面USG膜とメソ多孔体の膜とを同時にエッチングして、前記ウエハに原料溶液を供給可能なコンタクトホールを形成させた。このようなパターン形成には、通常のシリコン半導体プロセスで用いるポジ型レジストをマスクとして用い、前記ステッパとしてI線ステッパ(Cannon製のFPA2500)を用いた。また、前記反応性イオンエッチングには、エッチングガスとして、CFガスを用いた。なお、このようなエッチングの最終工程においては、エッチング壁を保護している析出物を取り除くために02アッシング処理を行った。 Next, after forming a pattern on the wafer using a stepper, reactive ion etching (RIE) is performed to simultaneously etch the surface USG film of the wafer and the mesoporous film, and the raw material is formed on the wafer. A contact hole capable of supplying the solution was formed. For such pattern formation, a positive resist used in a normal silicon semiconductor process was used as a mask, and an I-line stepper (FPA 2500 manufactured by Canon) was used as the stepper. In the reactive ion etching, CF 4 gas was used as an etching gas. In the final step of such etching, 02 ashing was performed in order to remove precipitates protecting the etching wall.

次に、前記ウエハに形成させたコンタクトホールに原料溶液(10質量%の塩化パラジウム溶液)を注入し、毛管現象により前記ウエハ中のメソ多孔体の細孔内に前記塩化パラジウム溶液を導入した。なお、このような原料溶液を注入する前には予め細孔内の水分を除去するために真空引き(1×10−2Torr)を1日しておき、前記塩化パラジウム溶液を導入する際には、真空状態(1×10−2Torr)を保つようにした。更に、このようにしてメソ多孔体の細孔内に前記塩化パラジウム溶液を導入した後に、メタノールにより表面洗浄を行い、前記細孔内に原料溶液を保持した。 Next, a raw material solution (10 mass% palladium chloride solution) was injected into the contact hole formed in the wafer, and the palladium chloride solution was introduced into the pores of the mesoporous material in the wafer by capillary action. In addition, before injecting such a raw material solution, in order to remove moisture in the pores, a vacuum was drawn (1 × 10 −2 Torr) for one day and the palladium chloride solution was introduced. Maintained a vacuum state (1 × 10 −2 Torr). Further, after the palladium chloride solution was introduced into the pores of the mesoporous material in this way, the surface was washed with methanol to hold the raw material solution in the pores.

次いで、前記メソ多孔体の細孔内に原料溶液を導入させた状態で、更に24時間真空引きした後、前記細孔内に還元ガスとしてメタノールを導入し、前記ウエハ全体にUVランプ光(263nm)を照射して、前記細孔内において結晶成長を行わせてPd金属の粒子を生成させ、Pd量子ドットの形成されたウエハを製造した。なお、Pd量子ドット間のメソ多孔体により形成される障壁層(絶縁層)の厚みは2.5nmであった。   Next, in a state in which the raw material solution was introduced into the pores of the mesoporous material, vacuum was further applied for 24 hours, methanol was introduced into the pores as a reducing gas, and UV lamp light (263 nm) was applied to the entire wafer. ), Crystal growth was performed in the pores to generate Pd metal particles, and a wafer on which Pd quantum dots were formed was manufactured. The thickness of the barrier layer (insulating layer) formed by the mesoporous material between the Pd quantum dots was 2.5 nm.

次に、前記Pd量子ドットの形成されたウエハに金属アルミを厚みが400nmとなるようにして蒸着し、ポジレジストパターンを形成せしめた後、RIE処理をドライプロセスで行い、電極を配置せしめた。その後、露出している表面のUSG膜をRIE処理で除去し、メソ多孔体の細孔内と外部とをアクセス可能として接合面がAl/Pd/Alとなっている水素ガスセンサを得た。   Next, metal aluminum was vapor-deposited on the wafer on which the Pd quantum dots had been formed to a thickness of 400 nm to form a positive resist pattern, and then an RIE process was performed by a dry process to place electrodes. Thereafter, the exposed USG film on the surface was removed by RIE, and a hydrogen gas sensor having a joining surface of Al / Pd / Al was obtained by making the inside and outside of the mesoporous body accessible.

<水素ガスセンサの構造の確認>
上述のようにして得られた水素ガスセンサの構造を確認するため、Pd金属を生成した段階のウエハを透過電子顕微鏡により観察した。得られた透過電子顕微鏡像を図6に示す。図6に示す透過電子顕微鏡像からも明らかなように、ナノサイズのPd金属粒子が生成されていることが確認された。
<Confirmation of hydrogen gas sensor structure>
In order to confirm the structure of the hydrogen gas sensor obtained as described above, the wafer at the stage where Pd metal was produced was observed with a transmission electron microscope. The obtained transmission electron microscope image is shown in FIG. As is clear from the transmission electron microscope image shown in FIG. 6, it was confirmed that nano-sized Pd metal particles were generated.

<水素ガスセンサの特性試験1>
実施例1で得られた水素ガスセンサの特性を確認するため、水素ガスセンサの電極の両端に200mVの定電圧印加した状態で、雰囲気中の水素ガスの濃度を0〜2000ppmまで変化させて電流の変化を測定した。得られた電流の変化のグラフを図7に示す。
<Characteristic test 1 of hydrogen gas sensor>
In order to confirm the characteristics of the hydrogen gas sensor obtained in Example 1, the current change was made by changing the concentration of hydrogen gas in the atmosphere from 0 to 2000 ppm with a constant voltage of 200 mV applied to both ends of the electrode of the hydrogen gas sensor. Was measured. A graph of the change in current obtained is shown in FIG.

このような測定の結果、水素ガスの濃度が0〜1000ppmの範囲において、水素ガスの濃度に比例した電流の増大が見られ、1000ppm程度を超えた範囲では、電流は増大したまま飽和状態となっていた。このような結果から、本発明の水素ガスセンサは、トンネル電流の変化により水素ガスを検知できることが確認された。また、本発明の水素ガスセンサにおいては、水素ガスが微量(例えば0〜1000ppm)であっても電流の変化を検知できることから、水素ガスを感度よく検知できることが確認された。   As a result of such measurement, when the hydrogen gas concentration is in the range of 0 to 1000 ppm, an increase in current proportional to the hydrogen gas concentration is observed, and in the range exceeding about 1000 ppm, the current is saturated and remains saturated. It was. From these results, it was confirmed that the hydrogen gas sensor of the present invention can detect hydrogen gas by a change in tunnel current. Moreover, in the hydrogen gas sensor of this invention, even if hydrogen gas was trace amount (for example, 0-1000 ppm), since the change of an electric current was detectable, it was confirmed that hydrogen gas can be detected with sufficient sensitivity.

<水素ガスセンサの特性試験2>
実施例1で得られた水素ガスセンサの特性を確認するため、先ず、水素ガスセンサの電極の両端に200mVの定電圧印加した状態で、水素ガスを含有していないガスを15秒間、水素ガスを0.1容量%含有するガスを15秒間の間隔で交互に流し、水素ガスの供給をON−OFFして、電流の変化を測定した。得られた電流の変化のグラフを図8に示す。
<Characteristic test 2 of hydrogen gas sensor>
In order to confirm the characteristics of the hydrogen gas sensor obtained in Example 1, first, in a state where a constant voltage of 200 mV was applied to both ends of the electrode of the hydrogen gas sensor, a gas not containing hydrogen gas was charged for 15 seconds and the hydrogen gas was set to 0. The gas containing 1% by volume was alternately flowed at intervals of 15 seconds, the supply of hydrogen gas was turned on and off, and the change in current was measured. The graph of the change of the obtained electric current is shown in FIG.

図8に示す結果からも明らかなように、本発明の水素ガスセンサにおいては、電流の変化から、水素ガスを十分に感度よく検知できることが確認された。また、約1秒の応答速度で水素ガスを検知していることから、本発明の水素ガスセンサは、応答性に優れたものであることが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 8, it was confirmed that the hydrogen gas sensor of the present invention can detect hydrogen gas with sufficient sensitivity from the change in current. Further, since hydrogen gas was detected at a response speed of about 1 second, it was confirmed that the hydrogen gas sensor of the present invention was excellent in responsiveness.

以上説明したように、本発明によれば、感度と応答性とに優れ、微量の水素ガスであっても迅速に検知することができ、しかも十分な耐久性を発揮することが可能な水素ガスセンサを提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, the hydrogen gas sensor is excellent in sensitivity and responsiveness, can be detected quickly even with a small amount of hydrogen gas, and can exhibit sufficient durability. Can be provided.

したがって、本発明の水素ガスセンサは、感度と応答性に優れるため、例えば、燃料電池を電源とするエネルギーシステム等からの水素ガスの漏れを検知するセンサとして特に有用である。   Therefore, since the hydrogen gas sensor of the present invention is excellent in sensitivity and responsiveness, it is particularly useful as a sensor that detects leakage of hydrogen gas from, for example, an energy system using a fuel cell as a power source.

本発明の水素ガスセンサの好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of suitable one Embodiment of the hydrogen gas sensor of this invention. 薄膜にメソ多孔体が積層した積層体の好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of suitable one Embodiment of the laminated body which laminated | stacked the mesoporous body on the thin film. 表面層が形成されたウエハの好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of suitable one Embodiment of the wafer in which the surface layer was formed. コンタクトホールが形成されたウエハの好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of suitable one Embodiment of the wafer in which the contact hole was formed. 電極を形成されたウエハの好適な一実施形態の構造を示す概略縦断面図であるIt is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of suitable one Embodiment of the wafer in which the electrode was formed. Pd金属を生成した段階のウエハの透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the wafer of the stage which produced | generated Pd metal. 本発明の水素ガスセンサに流れる電流と、雰囲気中の水素ガスの濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current which flows into the hydrogen gas sensor of this invention, and the density | concentration of hydrogen gas in atmosphere. 本発明の水素ガスセンサに、水素ガスの供給をON−OFFした際の電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the electric current when supply of hydrogen gas is turned on and off to the hydrogen gas sensor of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…水素ガスセンサ、11…メソ多孔体、12…金属(量子ドット)、13…電極、20…基板、21a…薄膜、21b…薄膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen gas sensor, 11 ... Mesoporous body, 12 ... Metal (quantum dot), 13 ... Electrode, 20 ... Substrate, 21a ... Thin film, 21b ... Thin film

Claims (5)

中心細孔直径が1.5〜5.0nmであるメソ多孔体と、前記メソ多孔体の細孔内に配列された水素吸蔵能を有する金属と、前記金属に電気的に接続されている電極とを備えること特徴とする水素ガスセンサ。   A mesoporous material having a central pore diameter of 1.5 to 5.0 nm, a metal having a hydrogen storage capacity arranged in the pores of the mesoporous material, and an electrode electrically connected to the metal A hydrogen gas sensor comprising: 前記金属が、前記メソ多孔体の細孔の周期構造と同様の周期で配列された量子ドット配列構造を形成していることを特徴とする請求項1に記載の水素ガスセンサ。   2. The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein the metal forms a quantum dot array structure in which the metal is arrayed at a period similar to the periodic structure of the pores of the mesoporous material. 前記金属の水素吸蔵による膨張によって電気特性が変化し、トンネル電流の大小から水素ガスを検知するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素ガスセンサ。   3. The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein electrical characteristics change due to expansion of the metal due to hydrogen absorption, and hydrogen gas is detected from the magnitude of a tunnel current. 4. 前記金属が、水素吸蔵により格子定数が1〜50%変化するものであることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal has a lattice constant that is changed by 1 to 50% by hydrogen storage. 前記金属が、1〜5質量%の水素を吸蔵できるものであることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal can occlude 1 to 5 mass% of hydrogen.
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