JP2877822B2 - Multi-gas identification gas detector - Google Patents

Multi-gas identification gas detector

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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は雰囲気中に1又は2以上の種類のガスの存在
を識別検知するガス検出装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas detection device that discriminates and detects the presence of one or more types of gases in an atmosphere.

〔従来技術〕(Prior art)

ガス検出装置には、金属酸化物を使用する半導体検出
方式のものと、触媒を使用した接触燃焼方式のものとが
あるが、何れの場合にもヒーターを用いてガス感応素子
を加熱する必要があり、消費電力が大きく又応答性にも
問題がある。その為、微細加工によるマイクロヒーター
(特公昭62−2438号公報)を使用するガス検出装置が提
案されている(特開昭61−191953号公報)。マイクロヒ
ーターの使用により消費電力、応答性は大幅に改善され
たが、ガス選択性を持たせるためにはフィルター等を付
加する必要があり、コスト面等で問題を残している。加
えて、前記フィルターは雑ガスを除き目的のガスのみを
検知するものであり、多種類のガスを1つのガス検出装
置で識別することは不可能である。
Gas detection devices include a semiconductor detection type using a metal oxide and a catalytic combustion type using a catalyst. In any case, it is necessary to heat a gas-sensitive element using a heater. Power consumption is large and there is a problem in responsiveness. For this reason, a gas detector using a micro heater (Japanese Patent Publication No. 62-2438) formed by fine processing has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-191953). Although the power consumption and responsiveness have been greatly improved by the use of the micro heater, it is necessary to add a filter or the like in order to have gas selectivity, which leaves a problem in terms of cost and the like. In addition, the filter detects only a target gas except for miscellaneous gases, and it is impossible to identify various types of gases with one gas detection device.

〔目的〕〔Purpose〕

本発明は、フィルター等の付加を必要とすることな
く、一つのガス検出装置で多種類のガスの識別が可能な
ガス検出装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a gas detection device capable of discriminating various kinds of gases with one gas detection device without requiring an additional filter or the like.

〔構成〕〔Constitution〕

本発明は基板、その基板上に空中に張り出して設けら
れた電気絶縁性材料からなる張り出し部、前記張り出し
部上に設けられたガス検出用の金属酸化物半導体層、前
記金属酸化物半導体層に接触する電極リード及び前記電
極リードにほぼ並置して設けられたヒーターリードを有
するガス検出装置において、前記の金属酸化物半導体
層、電極リード及びヒーターリードを備えた張り出し部
が2個以上存在させ、かつ、それぞれの張り出し部又は
それらのうちの幾つかの張り出し部上における前記の金
属酸化物半導体層と電極リードとの材料が、それぞれ、
下記の表−1に示したものであり、更に、張り出し部の
ガス検出部の温度を表−1に示すとおりとした場合、各
検出素子(電極材料及び金属酸化物半導体層)の応答の
パターンが同表に示されたとおりとなったとき、それぞ
れ同表に示す対応するガス種を識別することを特徴とす
る。
The present invention relates to a substrate, an overhang portion made of an electrically insulating material provided overhanging the substrate over the air, a metal oxide semiconductor layer for gas detection provided over the overhang portion, and the metal oxide semiconductor layer. In a gas detection device having a contact electrode lead and a heater lead provided substantially juxtaposed to the electrode lead, the metal oxide semiconductor layer, two or more overhangs provided with the electrode lead and the heater lead are present, And the material of the metal oxide semiconductor layer and the electrode lead on each overhang or overhangs of some of them, respectively,
The response pattern of each detection element (electrode material and metal oxide semiconductor layer) is shown in Table 1 below, and further, when the temperature of the gas detection section at the overhang is set as shown in Table 1. Is characterized by identifying the corresponding gas type shown in the table when it becomes as shown in the table.

以下に、本発明装置を添付の図面によりさらに詳細に
説明するが、本発明は、端的にいえば、ガス検出装置内
に複数のマイクロヒーター及びガス検出素子を有し、ガ
ス検出素子である金属酸化物半導体層とそれに接する電
極リードとの材料を変えることにより、一つのガス検出
装置で多種類のガスの識別を行なおうとする装置であ
る。
Hereinafter, the device of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In short, the present invention has a plurality of micro heaters and a gas detecting element in a gas detecting device, By changing the material of the oxide semiconductor layer and the material of the electrode lead in contact with the oxide semiconductor layer, a single gas detection device attempts to identify various types of gases.

第1図及び第2図は本発明に係るガス検出装置のうち
架橋構造が採用されたものの例である。ここでは、ほぼ
正方形の形状をした基板1上に電気絶縁性材料からなる
四本の張り出し部2,3,4,及び5が空中に浮いた格好の架
橋構造として設けられているが、必要に応じて、張り出
し部の数は2以上であれば幾つであってもかまわない。
1 and 2 show examples of a gas detector according to the present invention in which a cross-linking structure is employed. Here, four overhang portions 2, 3, 4, and 5 made of an electrically insulating material are provided on a substantially square-shaped substrate 1 as a nice bridge structure floating in the air. Accordingly, the number of overhang portions may be any number as long as it is two or more.

第3図は、本発明に係るガス検出装置のうち片持ち梁
構造が採用されたものの例であり、ここでも張り出し部
の数は2以上であれば幾つあってもかまわない。第4図
は第3図(IV)−(IV′)線断面図である。
FIG. 3 shows an example of a gas detection device according to the present invention in which a cantilever structure is employed. Here, any number of overhanging portions may be used as long as the number is two or more. FIG. 4 is a sectional view taken along the line (IV)-(IV ') of FIG.

基板1はアンダーカットエッチングが容易で、高温で
も変形しない材料、例えばSi,Al,Cu,Ni,Cr等が使用さ
れ、好ましくはSi(100)が用いられる。(100)面を使
用する理由は、アンダーカットエッチングする際に公知
の異方性エッチング液を使用するためである。基板1の
外形寸法は1〜4mm角程度で、その厚さは0.1〜1mmが適
当である。
The substrate 1 is made of a material that can be easily subjected to undercut etching and does not deform even at a high temperature, for example, Si, Al, Cu, Ni, Cr, or the like, and is preferably made of Si (100). The reason for using the (100) plane is to use a known anisotropic etchant when performing undercut etching. The external dimensions of the substrate 1 are about 1 to 4 mm square, and the thickness is suitably 0.1 to 1 mm.

この基板1のアンダーカットエッチングにより形成さ
れた四本の張り出し部2,3,4,5上には各々ヒーターリー
ド6,7,8,9と、金属酸化物半導体層10,11,12,13と、この
金属酸化物半導体層に接続した電極リード14,15,16,17,
18,19,20,21とが形成されている。
Heater leads 6,7,8,9 and metal oxide semiconductor layers 10,11,12,13 are provided on four overhangs 2,3,4,5 formed by undercut etching of the substrate 1, respectively. And the electrode leads 14, 15, 16, 17, connected to the metal oxide semiconductor layer
18, 19, 20, and 21 are formed.

本発明装置の具体例の1つとして、張り出し部2,3,4
上の金属酸化物半導体層10,11,12がTiO2からなり、張り
出し部5上の金属酸化物半導体層13がSnO2からなるもの
の場合についての説明を第3図及び第5図に従がって行
なうこととする。第5図(イ)(ロ)(ハ)(ニ)は第
3図の張り出し部2,3,4及び5のガス検出部の(X2)−
(X2′),(X3)−(X3′),(X4)−(X4′)及び
(X5)−(X5′)のそれぞれの断面を表わしている。
As one specific example of the device of the present invention, the overhang portions 2, 3, 4
3 and 5 will be described with reference to the case where the upper metal oxide semiconductor layers 10, 11, 12 are made of TiO 2 and the metal oxide semiconductor layer 13 on the overhang portion 5 is made of SnO 2 . I will do it. 5 (a), (b), (c), and (d) are (X 2 ) − of the gas detectors of the overhanging parts 2, 3, 4 and 5 in FIG.
(X 2 ′), (X 3 ) − (X 3 ′), (X 4 ) − (X 4 ′) and (X 5 ) − (X 5 ′).

張り出し部2〜4のガス検出部は、Pd/TiO2あるいはA
u/TiO2のダイオード構成となっている。TiO2上の電極リ
ード15,17,19であるPdおよびAuの厚さは200Å程度が望
ましい。TiO2下の電極リード14,16,18はオーミックコン
タクトをとるためInが望ましい。金属酸化物半導体層、
電極の形成方法については、蒸着法、スパッタリング
法、あるいは本発明者等の一人である太田が発明した
『薄膜蒸着装置』(特開昭59−89763)を用いる方法な
ど種々あるがどの方法であっても良い。
The gas detectors of the overhanging parts 2 to 4 are Pd / TiO 2 or A
It has a u / TiO 2 diode configuration. The thicknesses of Pd and Au, which are the electrode leads 15, 17, and 19 on TiO 2 , are desirably about 200 mm. The electrode leads 14, 16, and 18 under TiO 2 are preferably made of In for making ohmic contact. Metal oxide semiconductor layer,
There are various methods for forming the electrode, such as a vapor deposition method, a sputtering method, and a method using a “thin film deposition apparatus” (JP-A-59-89763) invented by one of the present inventors, Ota. May be.

ヒーターリードに通電し、ガス検出部を70℃程度に加
熱した場合のPd/TiO2ダイオードのI−V特性は第6図
のように示される。図中(a)は雰囲気中にCOを含まな
い場合の特性であり、(b)はCO約3500ppmを含む場合
の特性である。順方向に一定の電圧を印加しておけば、
電流値の変化によりCOガスの存在を検知できる。電極の
材料、ガス検出部の温度を変えることにより検出ガスの
種類を選択することができる。
The IV characteristic of the Pd / TiO 2 diode when the heater lead is energized and the gas detection unit is heated to about 70 ° C. is shown in FIG. In the figure, (a) shows the characteristics when the atmosphere does not contain CO, and (b) shows the characteristics when the atmosphere contains about 3500 ppm of CO. If a constant voltage is applied in the forward direction,
The presence of CO gas can be detected by a change in the current value. The type of detection gas can be selected by changing the material of the electrode and the temperature of the gas detection unit.

張り出し部5のSnO2は、SnO2自体の抵抗値変化により
ガス検知をする。この場合の電極材料としてはPt,Au,Pd
のような耐熱性のあるものであれば良い。
SnO 2 in the overhanging portion 5 detects gas by a change in the resistance value of SnO 2 itself. In this case, the electrode materials are Pt, Au, Pd
Any material having heat resistance such as described above may be used.

なお便宜上、第5図においては10,11及び12はTiO2、1
3はSnO2、14,16及び18はIn、15及び19はPd、17はAu、20
及び21はPtを用いている。
For convenience, in FIG. 5, 10, 11, and 12 are TiO 2 , 1
3 is SnO 2 , 14, 16 and 18 are In, 15 and 19 are Pd, 17 is Au, 20
And 21 use Pt.

それぞれの張り出し部のガス検出素子が応答可能なガ
スを示せば表−1のとおりである。
Table 1 shows the gases that can be responded to by the gas detection elements at each overhang.

また、張り出し部2,3のガス検出部の温度を常温と
し、張り出し部4のガス検出部の温度を70℃、張り出し
部5のガス検出部の温度を35℃とした場合、SiH4,H2,C
O,C2H5OHのガスに対し、それぞれのガス検出素子が表−
2に示すパターンの応答を示し、ガス種を識別できる。
なお表−2中、○は応答あり、×は応答なしを意味して
いる。
When the temperature of the gas detectors of the overhang portions 2 and 3 is set to normal temperature, the temperature of the gas detector of the overhang portion 4 is 70 ° C., and the temperature of the gas detector of the overhang portion 5 is 35 ° C., SiH 4 , H 2 , C
For gas of O, C 2 H 5 OH, each gas detection element
The response of the pattern shown in FIG. 2 is shown, and the gas type can be identified.
In Table 2, −2 means that there was a response, and × means that there was no response.

これまでの説明では、金属酸化物半導体の例としてス
ズ及びチタンの酸化物をあげてきたが、その外にも亜
鉛、インジウム、ニッケル、鉄、タングステン、カドミ
ウム、ジナジウムなどの酸化物も使用しうる。
In the above description, the oxides of tin and titanium have been given as examples of the metal oxide semiconductor, but oxides such as zinc, indium, nickel, iron, tungsten, cadmium, and dynadium may also be used. .

本発明ガス検出装置は、金属酸化物半導体層及び電極
(上下の電極リード)の材料をいろいろ変え、更には、
ガス検出部の温度を変えることにより、より多くの他の
ガスについての識別も可能となる。
The gas detection device of the present invention changes the material of the metal oxide semiconductor layer and the electrodes (upper and lower electrode leads) in various ways.
By changing the temperature of the gas detector, it is possible to identify more other gases.

〔効果〕〔effect〕

本発明ガス検出装置によれば、フィルター等を用いる
ことなく、多種類のガスを容易に識別できる。
According to the gas detection device of the present invention, various types of gases can be easily identified without using a filter or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明に係るガス検出装置の一例の平面図、第
2図は第1図(II)−(II′)線断面図である。 第3図は本発明に係るガス検出装置の他の一例の平面
図、第4図は第3図(IV)−(IV′)線断面図である。 第5図(イ)(ロ)(ハ)及び(ニ)はそれぞれ第3図
(X2)−(X2′)線、(X3)−(X3′)線、(X4)−
(X4′)線及び(X5)−(X5′)線の断面図である。 第6図はPd/TiO2ダイオードのI−V特性を表わしたグ
ラフである。 1……基板、2,3,4,5……張り出し部 6,7,8,9……ヒーターリード 10,11,12,13……金属酸化物半導体層 14,15,16,17,18,19,20,21……電極リード 22……絶縁膜、○……空洞
FIG. 1 is a plan view of an example of a gas detection device according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line (II)-(II ') of FIG. FIG. 3 is a plan view of another example of the gas detector according to the present invention, and FIG. 4 is a sectional view taken along the line (IV)-(IV ') of FIG. 5 (a) (ii) (c) and (d) of FIG. 3, respectively (X 2) - (X 2 ') line, (X 3) - (X 3') lines, (X 4) -
(X 4 ') line and the (X 5) - (X 5 ' is a cross-sectional view of) lines. FIG. 6 is a graph showing IV characteristics of a Pd / TiO 2 diode. 1 ... substrate, 2,3,4,5 ... overhang 6,7,8,9 ... heater lead 10,11,12,13 ... metal oxide semiconductor layer 14,15,16,17,18 , 19,20,21 …… Electrode lead 22 …… Insulating film, O …… Cavity

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 27/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板、その基板上に空中に張り出して設け
られた電気絶縁性材料からなる張り出し部、前記張り出
し部上に設けられたガス検出用の金属酸化物半導体層、
前記金属酸化物半導体層に接触する電極リード及び前記
電極リードにほぼ並置して設けられたヒーターリードを
有するガス検出装置において、前記の金属酸化物半導体
層、電極リード及びヒーターリードを備えた張り出し部
が2個以上存在し、かつ、各張り出し部あるいはそれら
のうちいくつかの張り出し部上における前記の金属酸化
物半導体層と電極リードとの材料及び張り出し部のガス
検出部の温度が、それぞれ、下記の表−1に示したもの
である場合、各検出素子の応答のパターンが表−1のと
おりとなったとき、それぞれ同表に示す対応するガス種
を識別すことを特徴とする多ガス識別ガス検出装置。
1. A substrate, an overhanging portion made of an electrically insulating material provided overhanging the substrate over the air, a metal oxide semiconductor layer for gas detection provided over the overhanging portion,
In a gas detection device having an electrode lead in contact with the metal oxide semiconductor layer and a heater lead substantially juxtaposed to the electrode lead, an overhang portion provided with the metal oxide semiconductor layer, the electrode lead and the heater lead And two or more, and the material of the metal oxide semiconductor layer and the electrode lead on each overhanging portion or overhanging some of them, and the temperature of the gas detecting portion of the overhanging portion are as follows, respectively. When the response pattern of each detection element is as shown in Table 1, the corresponding gas type shown in the table is identified. Gas detector.
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