JP4530034B2 - Gas sensor, gas detection module therefor, and gas measurement system using them - Google Patents

Gas sensor, gas detection module therefor, and gas measurement system using them Download PDF

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Description

本発明は、ガスセンサー、そのための気体検知モジュール、およびこれらを用いた気体計測システムに関し、具体的には、半導体分野で使用しうる高感度な気体検知素子を用い、半導体の製造設備における個別のガス配管に取り付け可能な超小型のガスセンサー、そのための気体検知モジュール、およびそのガスセンサーまたは気体検知モジュールを用いた気体計測システムに関する。   The present invention relates to a gas sensor, a gas detection module therefor, and a gas measurement system using the same, and more specifically, using a highly sensitive gas detection element that can be used in the semiconductor field, The present invention relates to an ultra-compact gas sensor that can be attached to a gas pipe, a gas detection module therefor, and a gas measurement system using the gas sensor or gas detection module.

フラーレンとは、炭素原子のみからなる一連の球状炭素分子のことで、1985年に炭素のレーザーアブレーションによるクラスタービームの質量分析スペクトル中にKrotoらによって発見された(Kroto,H.W; Heath,J.R.; O'Brien,S.C.; Curl,R.F.; Smalley,R.E. Nature 1985, 318,162.)。その後、ダイヤモンド、グラファイトに次ぐ第3の結晶炭素としてのフラーレンの存在が明らかにされ、そのマクロ量の合成法(炭素電極のアーク放電法など)が確立されたのは1990年になってからである(Kratschmer,W.; Fostiropoulos,K.; Huffman,D.R. Chem.Phys.Lett.1990, 170,167.及び Kratschmer,W.; Lamb,L.D.; Fostiropoulos,K.; Huffman,D.R. Nature 1990, 347,354.) 。   Fullerenes are a series of spherical carbon molecules consisting only of carbon atoms, and were discovered in 1985 by Kroto et al. (Kroto, HW; Heath, JR; O) in a cluster beam mass spectrometry spectrum by laser ablation of carbon. 'Brien, SC; Curl, RF; Smalley, RE Nature 1985, 318, 162.). Later, the existence of fullerene as the third crystalline carbon after diamond and graphite was clarified, and it was not until 1990 that the synthesis method for macro quantities (such as the arc discharge method for carbon electrodes) was established. (Kratschmer, W .; Fostiropoulos, K .; Huffman, DR Chem. Phys. Lett. 1990, 170, 167. and Kratschmer, W .; Lamb, LD; Fostiropoulos, K .; Huffman, DR Nature 1990, 347, 354.).

フラーレンは、発見された当初から、光学的、電気的、化学的、機械的に特異な性質を有していると指摘されており、高感度の増感剤、n型半導体、活性酸素補足剤、マイクロベアリングなどの応用が検討されてきた。しかしながら、1990年代半ばに同様のカーボンナノ材料としてカーボンナノチューブ(CNT)が発見されて以来、研究者の注目はむしろこのCNTに向かっている。このため、発見から20年が経過していながら、フラーレンの基本的な諸物性はいまだに正確に把握されているとは言いがたく、さらなる解明が求められている。   Fullerenes have been pointed out to have optical, electrical, chemical, and mechanical properties from the beginning, and are highly sensitive sensitizers, n-type semiconductors, active oxygen scavengers. Applications such as micro bearings have been studied. However, since the discovery of carbon nanotubes (CNT) as a similar carbon nanomaterial in the mid-1990s, the attention of researchers has rather turned to this CNT. For this reason, it is difficult to say that the basic physical properties of fullerene are still accurately grasped even though 20 years have passed since the discovery, and further clarification is required.

また、フラーレンをベースとした材料(以下「フラーレンベース材料」とも記し、その詳細については後述する。)には多くの種類があり、具体的には、内包フラーレン、ヘテロフラーレン(フラーレン骨格を構成する一部の炭素が他の原子(たとえば窒素)に置換されたもの)、ノルフラーレン(フラーレン骨格構成炭素の一部が欠落したもの)、化学修飾フラーレン、フラーレン重合体が例示される。これらの材料については、多くが合成方法すら確立しておらず、物理特性も不明な部分が多い。   In addition, there are many types of fullerene-based materials (hereinafter also referred to as “fullerene-based materials”, details of which will be described later). Specifically, endohedral fullerenes and heterofullerenes (which constitute a fullerene skeleton). Examples include those in which some carbons are substituted with other atoms (for example, nitrogen)), norfullerenes (those in which a part of carbons constituting the fullerene skeleton is missing), chemically modified fullerenes, and fullerene polymers. Many of these materials have not even been established as a synthesis method, and many have unknown physical properties.

このようなフラーレン材料(以下、フラーレンとフラーレンベース材料との総称として用いる。)の具体的な応用例の一つにガスセンサーのための気体検知素子が挙げられる(例えば特許文献1)。   One specific application example of such fullerene materials (hereinafter, used as a general term for fullerene and fullerene base material) is a gas detection element for a gas sensor (for example, Patent Document 1).

特許文献1では、酸素の含有量が1014個/cm以下で、かつ、水の含有量が1016個/cm以下であるフラーレン類を用いたガスセンサーが開示されている。特許文献1に係るガスセンサーは、当初のコンダクタンスが0.1(Ωcm)−1程度であったものが、大気圧の酸素を導入することによって2×10−9(Ωcm)−1になり、その後、窒素雰囲気中で加熱して酸素を除去することによって酸素導入前の0.1(Ωcm)−1程度に回復することが示されている。
コンダクタンスがほぼ元の値に戻り、フラーレン類の導電率は可逆的に変化することが記載されている。
国際公開WO2007/029684号パンフレット
Patent Document 1 discloses a gas sensor using fullerenes having an oxygen content of 10 14 pieces / cm 3 or less and a water content of 10 16 pieces / cm 3 or less. The gas sensor according to Patent Document 1 has an initial conductance of about 0.1 (Ωcm) −1 , but becomes 2 × 10 −9 (Ωcm) −1 by introducing oxygen at atmospheric pressure, Thereafter, it is shown that the oxygen is removed by heating in a nitrogen atmosphere to recover to about 0.1 (Ωcm) −1 before introducing oxygen.
It is described that the conductance almost returns to the original value, and the conductivity of fullerenes reversibly changes.
International Publication WO2007 / 029684 Pamphlet

このような材料を用いたガスセンサーは高感度で計測できるため、半導体製造ラインにおける混入ガス検知などの目的に用いることも可能である。しかしながら、その反面、製造工程や計測環境などの影響を受けやすく、再現性高く安定して計測することが可能なセンサーとすることは容易でない。   Since a gas sensor using such a material can be measured with high sensitivity, it can also be used for the purpose of detecting mixed gas in a semiconductor production line. However, on the other hand, it is not easy to make a sensor that is easily affected by the manufacturing process and measurement environment, and that can stably measure with high reproducibility.

そこで、本発明は、半導体の製造設備における個別のガス配管にも設置可能な超小型のガスセンサーを提供すること、さらにはそのガスセンサーを用いる気体計測システムを提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an ultra-compact gas sensor that can be installed in individual gas piping in a semiconductor manufacturing facility, and further to provide a gas measurement system using the gas sensor.

本発明者は、上記の課題を解決しうる気体検知素子の構成材料の一つとなると期待されるフラーレン材料の持つ特性を詳細に検討し、その特性を最大限に活かしうるセンサーシステムの検討を行った。その結果、以下の新たな知見を得ることができた。   The present inventor has studied in detail the characteristics of fullerene materials that are expected to be one of the constituent materials of gas sensing elements that can solve the above-mentioned problems, and has studied a sensor system that can make full use of these characteristics. It was. As a result, the following new findings were obtained.

(a)フラーレン材料を含む部材(例えばフラーレン材料の蒸着膜)は気体吸着によって抵抗率が上昇する(導電率が低下する)ことはよく知られているが、その気体吸着量を十分に減らすと、フラーレン材料を含む部材は良導電性の半導体領域の導電率を示すようになる。   (A) It is well known that a member containing a fullerene material (for example, a vapor-deposited film of fullerene material) increases in resistivity (lowers conductivity) by gas adsorption, but if the amount of gas adsorption is sufficiently reduced The member containing the fullerene material exhibits the conductivity of the semiconductor region having good conductivity.

(b)その一方で、フラーレン材料を含む部材は、直流電場において誘電分極する誘電性を示す。すなわち、フラーレン材料は、誘電性を有する半導体と定義することができる。   (B) On the other hand, a member containing a fullerene material exhibits a dielectric property that undergoes dielectric polarization in a DC electric field. That is, the fullerene material can be defined as a semiconductor having dielectric properties.

(c)このような気体の吸着によって導電率が変動する誘電性半導体を有する気体検知素子を用いたガスセンサーは、直流電圧を印加すると誘電性に起因してチャージアップなどの不安定化現象が発生する。そこで、誘電性半導体を高感度のセンサーとして用いるためには、交流電圧を印加することがよい。交流電圧を印加し、その電気的応答、例えばコンダクタンスを計測することで安定性に優れたガスセンサーとすることが実現される。
(C) A gas sensor using a gas sensing element having a dielectric semiconductor whose conductivity varies due to the adsorption of gas, such as charging up due to dielectric properties when a DC voltage is applied. appear. Therefore, in order to use a dielectric semiconductor as a highly sensitive sensor, it is preferable to apply an AC voltage. By applying an AC voltage and measuring its electrical response, for example, conductance, a gas sensor having excellent stability can be realized.

(d)さらに、誘電性半導体に対して静電容量部を電気的に直列に接続し、電気的応答として複素キャパシタンスにおける実部を計測すれば、計測時の雑音の影響を軽減することが可能であり、超高感度ガスセンサーが実現される。   (D) Furthermore, if the capacitance part is electrically connected in series to the dielectric semiconductor and the real part of the complex capacitance is measured as an electrical response, the influence of noise during measurement can be reduced. Therefore, an ultra-sensitive gas sensor is realized.

(e)しかも、付加した静電容量部の調整によってガスセンサーの検出能力を調整することが可能であるから、気体検知素子の製造工程における品質管理の負荷を緩和することが可能となり、高感度なガスセンサーを生産性高く得ることが実現される。   (E) Moreover, since the detection capability of the gas sensor can be adjusted by adjusting the added capacitance portion, it is possible to reduce the load of quality control in the manufacturing process of the gas detection element, and high sensitivity. It is possible to obtain a simple gas sensor with high productivity.

上記の新たな知見に基づいて提供される本発明は以下のとおりである。
(1)誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、気体検知素子に対して直列に接続された静電容量部と、気体検知素子および静電容量部を含む電気素子の端部に夫々接続された一対の電極とを備え、静電容量部のキャパシタンスが気体検知素子のキャパシタンスよりも大きいガスセンサーであって、一対の電極に印加される極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化するガスセンサーの電気的応答から、気体検知素子への気体の吸着状態を検知するものであることを特徴とするガスセンサー。
The present invention provided based on the above new findings is as follows.
(1) A gas detection element having a dielectric semiconductor, the conductivity of which varies according to the state of gas adsorption, a capacitance unit connected in series to the gas detection element, a gas detection element, and an electrostatic A pair of electrodes respectively connected to the ends of the electric element including the capacitance unit, and a capacitance of the capacitance unit larger than the capacitance of the gas detection element, the polarity being applied to the pair of electrodes A gas sensor that detects an adsorption state of a gas to a gas detection element from an electrical response of the gas sensor that changes according to a voltage that periodically changes including inversion.

ここで、「誘電性半導体」とは、誘電性を有する半導体であって、外部からの電圧を印加したときに、生じた電界に応じて材料内部において誘電分極して所定のキャパシタンスが計測されるとともに、電荷のキャリアが外部電圧に応じて移動して所定のコンダクタンスが計測される材料をいう。したがって、その等価回路は、キャパシターと抵抗とが並列に接続された構成となる。   Here, the “dielectric semiconductor” is a semiconductor having a dielectric property, and when a voltage from the outside is applied, a predetermined capacitance is measured by dielectric polarization inside the material according to the generated electric field. In addition, it refers to a material whose predetermined conductance is measured by the movement of charge carriers according to an external voltage. Therefore, the equivalent circuit has a configuration in which a capacitor and a resistor are connected in parallel.

「気体の吸着状態に応じて導電率が変化する」とは、気体検知素子に吸着する気体について、質的および/または量的な変化が発生したことによって、気体検知素子の導電率が変動することをいう。なお、質的変化には、気体の種類のみならず、気体検知素子を構成する物質との化学的な相互作用の程度が変化すること、例えば物理吸着から化学吸着に変化することや、気体の気体検知素子における吸着場所が変化すること、例えば表面吸着から内部に拡散しての吸着に移行することなども含まれる。   “The conductivity changes according to the gas adsorption state” means that the conductivity of the gas detection element varies due to a qualitative and / or quantitative change in the gas adsorbed to the gas detection element. That means. The qualitative change includes not only the type of gas but also the degree of chemical interaction with the substance that constitutes the gas sensing element, such as a change from physical adsorption to chemical adsorption, It also includes a change in the adsorption location in the gas detection element, for example, a transition from surface adsorption to adsorption diffused inside.

気体検知素子における導電率変化を生じさせる気体は、一種以上あればよく、吸着しても導電率変化を生じさせない気体(以下、「不活性気体」ともいう。)があってもよい。また、導電率の変化は、誘電性半導体に起因する特性として生じることが好ましい。   There may be one or more gases that cause a change in conductivity in the gas detection element, and there may be a gas that does not cause a change in conductivity even if it is adsorbed (hereinafter also referred to as “inert gas”). Further, the change in conductivity is preferably caused as a characteristic due to the dielectric semiconductor.

「極性反転を含み周期的に変化する電圧」とは、一対の電極の少なくとも一方の電極に対する、所定の波形が所定の周期で繰り返し印加された電圧であって、その電圧波形が、他方の電極の電位に対して正の電圧をなす場合と負の電圧をなす場合とを有するような電圧である。そのような電圧変化の典型はサイン波による交流電圧であるが、これに限定されず、波形は矩形波でも三角波でもよい。また、電圧波形の中心電圧は0Vであってもよいし、正負のいずれかの値のバイアスがかかっていてもよい。   “A periodically changing voltage including polarity reversal” is a voltage in which a predetermined waveform is repeatedly applied to at least one electrode of a pair of electrodes in a predetermined cycle, and the voltage waveform is the other electrode. It is a voltage having a case where a positive voltage and a case where a negative voltage is formed with respect to the potential. A typical example of such a voltage change is an AC voltage generated by a sine wave, but is not limited thereto, and the waveform may be a rectangular wave or a triangular wave. Further, the center voltage of the voltage waveform may be 0 V, or a positive or negative bias may be applied.

「電気的応答」とは、極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加したことに対するガスセンサーによる応答のうち、電気計測手段により測定可能な全ての応答をいう。したがって、測定する電気的パラメータは特に制限されず、電流の変化を応答として測定してもよいし、インピーダンスやその逆数としてのアドミタンスを測定してもよい。また、ガスセンサーの複素キャパシタンスを計測してもよいし、複素コンダクタンスを計測してもよい。それらの中でも、印加する電圧を交流として、コンダクタンスを測定することが好ましい。   “Electrical response” refers to all responses measurable by an electrical measuring means among responses by a gas sensor to application of a periodically changing voltage including polarity reversal. Therefore, the electrical parameter to be measured is not particularly limited, and a change in current may be measured as a response, or an admittance as an impedance or its inverse may be measured. Further, the complex capacitance of the gas sensor may be measured, or the complex conductance may be measured. Among them, it is preferable to measure the conductance with the applied voltage as an alternating current.

ここで、「静電容量部」とは、気体検知素子が誘電性半導体を含むことなどにより有するキャパシターとは異なる、誘電性を有する部分を備える別個の電気素子であって、その電気的端部に電圧を印加したときに所定のキャパシタンスが測定される部材をいう。その形態は任意であって、電子部品として一般的なコンデンサの形態でもよいし、二層の導電性材料に誘電性材料からなる層が挟まれた構造を有する膜状体、塊状体または線状体でもよい。また、電気二重層のような双極子や電気的障壁が静電容量部を構成していてもよい。気体検知素子に静電容量部の少なくとも一部が直接接触する構造を有していれば、ガスセンサーを小型化することができ、有利である。   Here, the “capacitance portion” is a separate electric element having a dielectric part, which is different from a capacitor having a gas sensing element including a dielectric semiconductor, and has an electric end portion thereof. A member whose predetermined capacitance is measured when a voltage is applied to. The form is arbitrary, and may be a form of a general capacitor as an electronic component, or a film-like body, a block-like body, or a linear shape having a structure in which a layer made of a dielectric material is sandwiched between two layers of a conductive material. It may be the body. In addition, a dipole such as an electric double layer or an electric barrier may constitute the capacitance portion. If the gas sensing element has a structure in which at least a part of the capacitance part is in direct contact with the gas sensing element, the gas sensor can be reduced in size, which is advantageous.

「気体検知素子および静電容量部を含む電気素子」とは、気体検知素子と静電容量部とが直列に接続されていれば他にいかなる電気的要素が接続されていてもよい。例えば、さらに直列に抵抗成分が接続されていてもよい。   The “electric element including the gas detection element and the capacitance part” may be connected to any other electric element as long as the gas detection element and the capacitance part are connected in series. For example, a resistance component may be further connected in series.

上記のガスセンサーについて「電気的応答」を測定するためにいかなる電気的パラメータを用いてもよいが、印加する電圧を交流電圧として、複素キャパシタンスにおける実部(以下「キャパシタンス実部」または「キャパシタンス」と略称する。)を測定したり、コンダクタンスを測定したりすることが好ましい。   Any electrical parameter may be used to measure the “electrical response” for the above gas sensor, but the real part in the complex capacitance (hereinafter “capacitance real part” or “capacitance”) with the applied voltage as the AC voltage. Or a conductance is preferably measured.

「気体検知素子のキャパシタンス」とは、気体検知素子が誘電性半導体のみからなる場合には、誘電性半導体のキャパシタンスがそのまま気体検知素子のキャパシタンスとなるが、気体検知素子が誘電性半導体以外の物質、例えばセラミックスのような誘電体を含む場合には、誘電性半導体のキャパシタンスとその物質のキャパシタンスとが成分比率に応じて合成されたキャパシタンスとなる。   “Gas sensing element capacitance” means that when the gas sensing element is made only of a dielectric semiconductor, the capacitance of the dielectric semiconductor directly becomes the capacitance of the gas sensing element, but the gas sensing element is a substance other than the dielectric semiconductor. When a dielectric such as ceramics is included, the capacitance of the dielectric semiconductor and the capacitance of the material are combined according to the component ratio.

このように、静電容量部のキャパシタンスを前記気体検知素子のキャパシタンスよりも大きくすることで、複素キャパシタンスの実部について印加電圧の周波数依存性を計測したときに、気体検知素子の導電率を高感度で計測することが実現される。静電容量部のキャパシタンスが気体検知素子のキャパシタンスの10倍以上であれば安定した測定が実現され、100倍以上であれば測定の定量性を高めることも実現される。   In this way, by making the capacitance of the capacitance part larger than the capacitance of the gas sensing element, when measuring the frequency dependence of the applied voltage for the real part of the complex capacitance, the conductivity of the gas sensing element is increased. Measurement with sensitivity is realized. If the capacitance of the capacitance part is 10 times or more of the capacitance of the gas sensing element, stable measurement is realized, and if it is 100 times or more, the quantitativeness of the measurement is also improved.

(2)静電容量部が複数の部材から構成される上記(1)に記載のガスセンサー。
ここで、「部材」とは、市販のコンデンサのような独立の部品のみならず、気体検知素子と一体化されているが、その構造が異なるために異なった誘電性を有する領域も意味する。
(2) The gas sensor according to the above (1) , wherein the capacitance section is configured by a plurality of members.
Here, the “member” means not only an independent component such as a commercially available capacitor but also an area having a different dielectric property because it is integrated with the gas detection element but has a different structure.

(3)気体検知素子の電気的端部をなす面上に直接形成された金属層を備え、この金属層の気体検知素子側の界面部にはこの金属層の金属が改質された誘電性改質層を有し、この誘電性改質層は静電容量部の少なくとも一部をなす上記(1)または(2)に記載のガスセンサー。 (3) A metal layer formed directly on the surface that forms the electrical end of the gas detection element, and a metal layer in which the metal of the metal layer is modified at the interface on the gas detection element side of the metal layer The gas sensor according to (1) or (2) , wherein the gas sensor has a modified layer, and the dielectric modified layer forms at least a part of the capacitance portion.

誘電性改質層は、金属表面が酸化されたものでもよいし、窒化あるいは炭化されたものでもよい。また、これらが複合的に処理されたもの、例えば炭窒化でもよい。なお、誘電性改質層に加えて、誘電性改質層と気体検知素子との界面近傍に形成された双極子および/または電気的障壁が静電容量部を構成していてもよい。   The dielectric modification layer may be a metal surface oxidized, or a nitrided or carbonized one. In addition, those obtained by complex processing such as carbonitriding may be used. In addition to the dielectric modification layer, a dipole and / or an electrical barrier formed in the vicinity of the interface between the dielectric modification layer and the gas detection element may constitute the capacitance portion.

(4)誘電性改質層は、気体検知素子を通過した酸素により金属層の金属が酸化されてなる酸化膜である上記(3)記載のガスセンサー。
ここで、酸化膜は、通常大気中で自発的に酸化されてなる自然酸化膜でもよいし、例えば酸素を含む雰囲気で加熱して積極的に金属層の表面を酸化させた酸化膜もよい。
(4) modified dielectric layer, the above (3) by oxygen that has passed through the gas detection device the metal of the metal layer is an oxide film formed by oxidizing gas sensor according.
Here, the oxide film may be a natural oxide film that is normally oxidized spontaneously in the atmosphere, or may be an oxide film that is positively oxidized on the surface of the metal layer by heating in an atmosphere containing oxygen, for example.

(5)気体検知素子の電気的端部の少なくとも一方をなす面上に直接形成された誘電体層を備え、この誘電体層が静電容量部の少なくとも一部をなすとともに気体検知素子への電荷注入を防止する上記(1)から(4)のいずれかに記載のガスセンサー。 (5) A dielectric layer directly formed on a surface forming at least one of the electrical ends of the gas detection element is provided, and the dielectric layer forms at least a part of the capacitance portion and is connected to the gas detection element. The gas sensor according to any one of (1) to (4) , wherein charge injection is prevented.

誘電体層を構成する材料は、例えば酸化物などが挙げられ、誘電率が高いことが好ましく、そのような材料としてHfO系材料が例示される。また、トンネリング現象による電荷注入を防止するために1nm以上の厚みを有していることが好ましい。 Examples of the material constituting the dielectric layer include oxides and the like, and preferably have a high dielectric constant. Examples of such a material include HfO 2 -based materials. Further, it is preferable to have a thickness of 1 nm or more in order to prevent charge injection due to a tunneling phenomenon.

(6)誘電性半導体は、気体吸着によって導電率が低下する特性を有するフラーレン材料である上記(1)から(5)のいずれかに記載のガスセンサー。 (6) The gas sensor according to any one of (1) to (5) , wherein the dielectric semiconductor is a fullerene material having a characteristic that conductivity is reduced by gas adsorption.

「フラーレン材料」とは中空の炭素クラスター物質である「フラーレン」ならびにフラーレンを出発原料として合成可能な材料およびフラーレンと基本構造が同等の材料である「フラーレンベース材料」の総称である。   The “fullerene material” is a general term for “fullerene” which is a hollow carbon cluster material, a material which can be synthesized using fullerene as a starting material, and a “fullerene base material” which is a material having the same basic structure as fullerene.

フラーレン材料からなる気体検知素子として、フラーレン材料を昇華させて得られる単結晶、フラーレン材料を昇華させて得られる蒸着膜、フラーレン材料の分子線を堆積させて得られるエピタキシャル膜、フラーレン材料を含む液状体の塗膜を真空中で200℃以上に加熱して分散媒を除去して得られる膜などが挙げられる。   As a gas detection element made of a fullerene material, a single crystal obtained by sublimating a fullerene material, a vapor-deposited film obtained by sublimating a fullerene material, an epitaxial film obtained by depositing a molecular beam of a fullerene material, a liquid containing a fullerene material Examples thereof include a film obtained by heating a body coating film to 200 ° C. or higher in a vacuum to remove the dispersion medium.

(7)誘電性半導体は有機半導体である上記(1)から(5)のいずれかに記載のガスセンサー。 (7) The gas sensor according to any one of (1) to (5) , wherein the dielectric semiconductor is an organic semiconductor.

「有機半導体」とは半導体の特性を示す有機材料であって、その中でも、フタロシアニン、ペンタセン、アントラセン、Alq、チオフェン、アニリン、ポリアニリン、ポリチオフェン、およびポリパラフェニレンビニレンからなる群から選ばれる一種または二種以上を含むことが好ましい。 “Organic semiconductor” is an organic material exhibiting the characteristics of a semiconductor, among which one or a group selected from the group consisting of phthalocyanine, pentacene, anthracene, Alq 3 , thiophene, aniline, polyaniline, polythiophene, and polyparaphenylene vinylene It is preferable that 2 or more types are included.

(8)誘電性半導体はカーボンナノ材料である上記(1)から(5)のいずれかに記載のガスセンサー。 (8) The gas sensor according to any one of (1) to (5) , wherein the dielectric semiconductor is a carbon nanomaterial.

「カーボンナノ材料」とは、炭素を主体とするものであって基本骨格がナノサイズである材料をいい、フラーレン材料もカーボンナノ材料の一つである。カーボンナノ材料の中でも、フラーレン、内包フラーレンおよびヘテロフラーレン、カーボンナノチューブ、ピーポッド、カーボンナノオニオンならびにこれらの誘導体ならびにこれらの重合体からなる群から選ばれる一種または二種以上を含むことが好ましい。   The “carbon nanomaterial” is a material mainly composed of carbon and having a basic skeleton having a nano size, and a fullerene material is one of the carbon nanomaterials. Among carbon nanomaterials, it is preferable to include one or two or more selected from the group consisting of fullerene, endohedral fullerene and heterofullerene, carbon nanotube, peapod, carbon nanoonion, derivatives thereof, and polymers thereof.

(9)誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、当該気体検知素子に接続された一対の電極とを備え、上記(1)または(2)に記載のガスセンサーに用いられる気体検知モジュールであって、この気体検知モジュールに対して電気的に直列に静電容量部を接続し、気体検知モジュールと静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的変化する電圧を印加し、その電圧印加に対するガスセンサーの電気的応答から気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー用気体検知モジュール。 (9) A gas detection element having a dielectric semiconductor, the conductivity of which changes according to the adsorption state of the gas, and a pair of electrodes connected to the gas detection element, the above (1) or (2) A gas detection module for use in the gas sensor according to claim 1, wherein a capacitance part is electrically connected in series to the gas detection module, and the gas sensor includes the gas detection module and the capacitance part. A gas sensor is characterized in that a periodically changing voltage including polarity reversal is applied to the target end, and the gas adsorption state can be detected from the electrical response of the gas sensor to the voltage application. Gas detection module.

(10)上記(1)から(8)のいずれかに記載されるガスセンサーと、このガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、この電源により印加された電圧に対するガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。 (10) The gas sensor described in any one of (1) to (8) above, a power supply capable of applying a periodically changing voltage including polarity reversal at the electrical end of the gas sensor, and the power supply A gas measurement system comprising: a measurement unit that measures an electrical response of the gas sensor to a voltage applied by the gas sensor.

電源は、周期的に変化する電圧の周波数を変化させることができれば好ましく、複数の周波数での電圧変化を重畳した電圧信号を発生させることができれば、さらに好ましい。
計測手段は電源と一体化されていてもよく、計測した電気的応答から気体検知素子の導電率の変化を算出する手段、さらには気体吸着量を算出する手段を有していてもよい。
It is preferable that the power supply can change the frequency of the periodically changing voltage, and it is further preferable if the power supply can generate a voltage signal in which voltage changes at a plurality of frequencies are superimposed.
The measuring means may be integrated with the power source, and may have means for calculating a change in conductivity of the gas detection element from the measured electrical response, and further means for calculating the gas adsorption amount.

(11)上記(9)に記載される気体検知モジュールと、その気体検知モジュールに直列に接続された静電容量部と、気体検知モジュールと静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、その電源により印加される電圧に対するガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。 (11) An electric end of a gas sensor including the gas detection module described in (9) above, a capacitance unit connected in series to the gas detection module, and the gas detection module and the capacitance unit A gas measuring system comprising: a power source capable of applying a periodically changing voltage including polarity reversal; and a measuring means for measuring an electrical response of the gas sensor to a voltage applied by the power source.

電源は、周期的に変化する電圧の周波数を変化させることができれば好ましく、複数の周波数での電圧変化を重畳した電圧信号を発生させることができれば、さらに好ましい。また、静電容量部を一体化させていてもよい。   It is preferable that the power supply can change the frequency of the periodically changing voltage, and it is further preferable if the power supply can generate a voltage signal in which voltage changes at a plurality of frequencies are superimposed. Moreover, the electrostatic capacitance part may be integrated.

計測手段は電源および/または静電容量部と一体化されていてもよく、計測した電気的応答から気体検知素子の導電率の変化を算出する手段、さらには気体吸着量の変化を算出する手段を有していてもよい。   The measuring means may be integrated with the power source and / or the capacitance unit, and means for calculating the change in the conductivity of the gas detection element from the measured electrical response, and further means for calculating the change in the gas adsorption amount You may have.

(12)ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段をさらに備える上記(10)または(11)記載の気体計測システム。 (12) The gas measurement system according to (10) or (11) , further including gas desorption means for desorbing the gas adsorbed on the gas sensor.

気体を脱離させる具体的な手段としては、ヒーターによる加熱、赤外線ランプなどの照射、レーザーの照射、高エネルギー粒子の照射などのほか、気体検知素子の周囲における吸着気体の分圧を低下させるための手段、例えば真空排気装置、高純度不活性気体の供給装置などが挙げられる。また、ガスセンサーと気体脱離手段とが一体に構成されていてもよい。   Specific means for desorbing gas include heating with a heater, irradiation with an infrared lamp, laser irradiation, irradiation with high energy particles, etc., in order to reduce the partial pressure of the adsorbed gas around the gas detection element. For example, a vacuum exhaust device, a high purity inert gas supply device, and the like. Further, the gas sensor and the gas desorption means may be configured integrally.

(13)ガスセンサーの温度を計測するための測温手段をさらに有し、この測温手段は、ガスセンサーと同じ構成を有しつつその気体検知素子が気体を吸着しないように封止されたものである上記(10)から(12)のいずれかに記載の気体計測システム。
(13) It further has a temperature measuring means for measuring the temperature of the gas sensor, and this temperature measuring means has the same configuration as the gas sensor and is sealed so that the gas detection element does not adsorb gas. The gas measurement system according to any one of (10) to (12) , which is a thing.

ここで、測温手段はガスセンサーと全く同一の構成を有していなくても、温度変化に対する導電性の変化が実質的に同じであって、ガスセンサーにおける導電性の変化と測温手段における導電性の変化とを入力として適切な演算を行うことによって、ガスセンサーにおける温度変化による導電性の変化の影響を除去して、気体吸着に伴う導電性の変化のみを算出することができるのであれば、実質的に「同じ」構成を有しているといえる。   Here, even if the temperature measuring means does not have the same configuration as the gas sensor, the change in conductivity with respect to the temperature change is substantially the same, and the change in conductivity in the gas sensor and the temperature measuring means It is possible to calculate only the change in conductivity due to gas adsorption by removing the influence of the change in conductivity due to the temperature change in the gas sensor by performing an appropriate calculation with the change in conductivity as an input. In other words, it can be said that they have substantially the same “same” configuration.

本発明に係る気体検知素子と一対の電極とからなるガスセンサーは、誘電性を有する気体検知素子に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加することとしたため、直流電圧を印加する場合に発生していたチャージアップなどの計測を不安定化させる現象が発生しにくい。このため、気体検知素子が原理的に達成しうる感度での測定を安定的に行うことができる。   The gas sensor comprising the gas detection element according to the present invention and a pair of electrodes applies a voltage that periodically changes and includes polarity reversal to the dielectric gas detection element. Phenomena that destabilize measurement such as charge-up that has occurred are unlikely to occur. For this reason, the measurement with the sensitivity which a gas detection element can achieve in principle can be performed stably.

また、気体検知素子と静電容量部とが直列に接続された構成を備える本発明に係るガスセンサーは、極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加したときに得られる電気的応答を大きくすることが可能である。このため、気体検知素子の導電率をより高感度で検出することが実現される。特に、電気的応答を検出する電気的パラメータとしてガスセンサーのキャパシタンス実部やコンダクタンスを計測し、その印加電圧の周波数依存性を計測したプロファイルデータを解析することで、さらに高感度で気体を検出することが実現される。しかも、この静電容量部の少なくとも一部が気体検知素子と一体となる構成とした場合には、ガスセンサーの製造における品質管理の負荷が緩和され、高品質のガスセンサーを安定的に得ることも実現される。   In addition, the gas sensor according to the present invention having a configuration in which the gas detection element and the capacitance unit are connected in series greatly increases the electrical response obtained when a periodically changing voltage including polarity inversion is applied. Is possible. Therefore, it is possible to detect the conductivity of the gas detection element with higher sensitivity. In particular, gas is detected with higher sensitivity by measuring the real part of the capacitance and conductance of the gas sensor as an electrical parameter for detecting the electrical response, and analyzing the profile data that measures the frequency dependence of the applied voltage. Is realized. Moreover, when at least a part of the capacitance part is integrated with the gas detection element, the load of quality control in the manufacture of the gas sensor is alleviated and a high quality gas sensor can be stably obtained. Is also realized.

以下に、本発明に係る代表的な実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨に反しない限りいかなる変形例をもその技術的範囲に含む。   Hereinafter, representative embodiments according to the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and any modifications are included in the technical scope as long as they are not contrary to the spirit of the present invention. .

1.フラーレン材料
前述のとおり、「フラーレン材料」とは「フラーレン」および「フラーレンベース材料」の総称である。
1. Fullerene Material As described above, “fullerene material” is a general term for “fullerene” and “fullerene base material”.

「フラーレン」とは、Cn(n=60, 70, 76, 78・・・)で示される中空の炭素クラスター物質であり、12個の5員環と少なくとも20個の6員環を含む構造を有する。具体的には、C60やC70を挙げることができる。 “Fullerene” is a hollow carbon cluster material represented by Cn (n = 60, 70, 76, 78...) And has a structure containing 12 5-membered rings and at least 20 6-membered rings. Have. Specifically, mention may be made of C 60 and C 70.

「フラーレンベース材料」とは上記のフラーレンを出発原料として合成可能な材料およびフラーレンと基本構造が同等の材料であり、次のような物質を含む。
「内包フラーレン」とは、篭状のフラーレンの中空部に炭素以外の原子又は分子を閉じ込めた炭素クラスター物質である。フラーレン分子(ケージ)の中に閉じ込める原子又は分子を、内包対象原子(分子)と呼び、閉じ込められた原子(分子)を内包原子(分子)と呼ぶ。内包対象原子は原理的には周期律で規定される全ての原子が含まれ、Li,Na,Kなどのアルカリ原子や、La,Ce,などのランタノイド原子、さらにはB,N,F,Clなどの典型元素原子が例示される。一方の内包対象分子としても特に制約されずいかなる分子であってもよく、H,N,A3−xN(x=1〜3の整数、AおよびBは金属原子、典型例はScN),金属酸化物などが例示される。
The “fullerene base material” is a material that can be synthesized using the above-mentioned fullerene as a starting material, and a material having the same basic structure as fullerene, and includes the following substances.
The “encapsulated fullerene” is a carbon cluster material in which atoms or molecules other than carbon are confined in the hollow portion of the bowl-shaped fullerene. An atom or molecule confined in a fullerene molecule (cage) is called an inclusion target atom (molecule), and a trapped atom (molecule) is called an inclusion atom (molecule). The inclusion target atoms include all atoms defined by the periodic rule in principle, such as alkali atoms such as Li, Na, and K, lanthanoid atoms such as La, Ce, and further B, N, F, and Cl. Typical element atoms such as are exemplified. One molecule to be included is not particularly limited and may be any molecule, and H 2 , N 2 , A 3−x B x N (x is an integer of 1 to 3, A and B are metal atoms, typical examples Is exemplified by Sc 3 N), metal oxides, and the like.

「ヘテロフラーレン」とは、フラーレン骨格を構成する一部の炭素が他の原子(たとえば窒素)に置換されたものである。置換炭素数は1以上であれば特に制約されない。
「ノルフラーレン」とは、フラーレン骨格を構成する炭素が一個以上欠落したものであって、この炭素欠落によって生じたフラーレン骨格上の炭素の未結合部は例えば水素によって終端される。欠落炭素数は特に制限されないが、フラーレン骨格を維持するためには必然的に制限があり、通常は5個程度を上限とする。
“Heterofullerene” is one in which a part of carbon constituting the fullerene skeleton is substituted with another atom (for example, nitrogen). The number of substituted carbons is not particularly limited as long as it is 1 or more.
“Norfullerene” is one in which one or more carbons constituting the fullerene skeleton are missing, and the unbonded portion of the carbon on the fullerene skeleton caused by the lack of carbon is terminated by, for example, hydrogen. The number of missing carbons is not particularly limited, but is necessarily limited in order to maintain the fullerene skeleton, and usually about 5 is the upper limit.

「セコフラーレン」とは、フラーレン骨格を構成する炭素−炭素結合の一個以上が開裂し、それぞれの結合部が例えば水素などと結合したものである。結合の開裂数は特に制限されないが、フラーレン骨格を維持するためには必然的に制限があり、通常は10個程度を上限とする。   The “secofullerene” is one in which one or more carbon-carbon bonds constituting the fullerene skeleton are cleaved and each bond is bonded to, for example, hydrogen. The number of bond cleavages is not particularly limited, but is necessarily limited in order to maintain the fullerene skeleton, and usually about 10 is the upper limit.

「化学修飾フラーレン」とは、フラーレン骨格を構成する炭素に原子または分子残基が結合したものである。原子が結合したものの典型例は水素化フラーレン、酸化フラーレン、ハロゲン化フラーレンであり、分子残基が結合した典型例は、水酸化フラーレン、PCBM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)が挙げられる。   “Chemically modified fullerene” is a compound in which atoms or molecular residues are bonded to carbon constituting the fullerene skeleton. Typical examples of those in which atoms are bonded are hydrogenated fullerene, oxidized fullerene, and halogenated fullerene, and typical examples in which molecular residues are bonded include hydroxylated fullerene and PCBM (phenyl C61-butyric acid methyl ester).

「フラーレン重合体」とは、フラーレンおよび上記のフラーレンベース材料の同一種類同士が、または異なる種類同士が化学的に結合したものである。
「混合フラーレン」とは、フラーレンおよび上記のフラーレンベース材料が複数種類混合されたものである。
The “fullerene polymer” is a polymer in which the same type of fullerene and the above-mentioned fullerene base material or chemically different types are combined.
“Mixed fullerene” is a mixture of a plurality of fullerenes and the above-mentioned fullerene base materials.

2.誘電性半導体
(1)誘電性半導体
「誘電体」とは、正電場を加えるとき誘電分極を生じるが、直流電流を生じない物質である(出典:「強誘電体デバイス」、Kenji Uchino 著/内野 研二 訳/石井 孝明 訳、森北出版社、発行日:2005年8月25日)。したがって、「誘電性」とは、正電場を加えるとき誘電分極を生じるが、直流電流を生じない性質をいう。
2. Dielectric Semiconductors (1) Dielectric Semiconductors “Dielectrics” are substances that generate dielectric polarization when a positive electric field is applied, but do not generate direct current (Source: “Ferroelectric Devices” by Kenji Uchino / Uchino) Kenji Translated / Ishii Takaaki Translated, Morikita Publishing Co., Ltd., published on August 25, 2005). Therefore, “dielectric” means a property that causes dielectric polarization when a positive electric field is applied, but does not produce a direct current.

また、「半導体」とは、価電子帯中の電子が禁止帯を越えて伝導帯に一部遷移することなどにより、伝導帯または価電子帯に電荷を移動させるキャリアが発生し、導電性を発現する材料をいう。   In addition, the term “semiconductor” refers to the generation of carriers that transfer charges to the conduction band or valence band due to the partial transition of electrons in the valence band to the conduction band beyond the forbidden band. A material that expresses.

したがって、誘電性を有する半導体(以下、「誘電性半導体」という。)とは、外部からの電圧を印加したときに、生じた電界に応じて材料内部において誘電分極するとともに、電荷のキャリアが外部電圧に応じて移動する材料をいう。   Therefore, a dielectric semiconductor (hereinafter referred to as a “dielectric semiconductor”) is dielectrically polarized inside a material in response to an electric field generated when an external voltage is applied, and charge carriers are externally applied. A material that moves in response to voltage.

ここで、誘電分極は、電子分極、イオン分極、配向分極、空間電荷分極に分類されるが、いずれであってもかまわない。また、電荷のキャリアは電子であってもホールであってもよく、キャリアの発生または導電性を変化させる目的で原子や分子がドープされていてもよい。   Here, the dielectric polarization is classified into electronic polarization, ion polarization, orientation polarization, and space charge polarization, and any of them may be used. The charge carriers may be electrons or holes, and atoms or molecules may be doped for the purpose of changing the generation of carriers or conductivity.

誘電性半導体は上記のような特性を有するので、その等価回路は容量成分と抵抗成分とが並列に配置された構成となる。   Since the dielectric semiconductor has the characteristics as described above, the equivalent circuit has a configuration in which a capacitance component and a resistance component are arranged in parallel.

(2)有機半導体
このような誘電性半導体として、有機半導体やカーボンナノ材料を挙げることができる。
(2) Organic semiconductor Examples of such a dielectric semiconductor include organic semiconductors and carbon nanomaterials.

半導体の特性を示す有機材料である有機半導体は、ペリレンテトラカルボン酸無水物及びその誘導体、ペリレンテトラカルボキシジイミド誘導体、ナフタレンテトラカルボン酸無水物及びその誘導体、ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体、金属フタロシアニン誘導体の他、例えば、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq)、トリス(4−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Almq)、ビス(10−ヒドロキシベンゾ[h]−キノリナト)ベリリウム(略称:BeBq)、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)−4−フェニルフェノラト−アルミニウム(略称:BAlq)等キノリン骨格またはベンゾキノリン骨格を有する金属錯体等が例示される。また、この他、ビス[2−(2−ヒドロキシフェニル)ベンゾオキサゾラト]亜鉛(略称:Zn(BOX))、ビス[2−(2−ヒドロキシフェニル)ベンゾチアゾラト]亜鉛(略称:Zn(BTZ))などのオキサゾール系、チアゾール系配位子を有する金属錯体なども例示される。さらに、金属錯体以外にも、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(略称:PBD)、1,3−ビス[5−(p−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール−2−イル]ベンゼン(略称:OXD−7)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−フェニル−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(略称:TAZ)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−(4−エチルフェニル)−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(略称:p−EtTAZ)、バソフェナントロリン(略称:BPhen)、バソキュプロイン(略称:BCP)等が例示される。このほか、上記の物質を組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体であってもよい。 Organic semiconductors, which are organic materials that exhibit semiconductor characteristics, include perylenetetracarboxylic anhydride and derivatives thereof, perylenetetracarboxydiimide derivatives, naphthalenetetracarboxylic anhydride and derivatives thereof, naphthalenetetracarboxydiimide derivatives, and metal phthalocyanine derivatives. For example, tris (8-quinolinolato) aluminum (abbreviation: Alq 3 ), tris (4-methyl-8-quinolinolato) aluminum (abbreviation: Almq 3 ), bis (10-hydroxybenzo [h] -quinolinato) beryllium (abbreviation) : BeBq 2), bis (2-methyl-8-quinolinolato) -4-phenylphenolato - aluminum (abbreviation: BAlq) and metal complex having a quinoline skeleton or a benzoquinoline skeleton may be exemplified. In addition, bis [2- (2-hydroxyphenyl) benzoxazolate] zinc (abbreviation: Zn (BOX) 2 ), bis [2- (2-hydroxyphenyl) benzothiazolate] zinc (abbreviation: Zn (BTZ) And metal complexes having an oxazole-based or thiazole-based ligand such as 2 ). In addition to metal complexes, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (abbreviation: PBD), 1,3-bis [5- (P-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazol-2-yl] benzene (abbreviation: OXD-7), 3- (4-tert-butylphenyl) -4-phenyl-5- ( 4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (abbreviation: TAZ), 3- (4-tert-butylphenyl) -4- (4-ethylphenyl) -5- (4-biphenylyl) -1,2, Examples include 4-triazole (abbreviation: p-EtTAZ), bathophenanthroline (abbreviation: BPhen), bathocuproin (abbreviation: BCP), and the like. In addition, a derivative having a molecular skeleton combining the above substances as a main chain may be used.

こうした有機半導体の中でも、フタロシアニン、ペンタセン、アントラセン、Alq、チオフェン、アニリン、ポリアニリン、ポリチオフェン、およびポリパラフェニレンビニレンからなる群から選ばれる一種または二種以上からなることが好ましい。 Among these organic semiconductors, the organic semiconductor is preferably composed of one or more selected from the group consisting of phthalocyanine, pentacene, anthracene, Alq 3 , thiophene, aniline, polyaniline, polythiophene, and polyparaphenylene vinylene.

(3)カーボンナノ材料
炭素を主体とするものであって基本骨格がナノサイズであるカーボンナノ材料としては、上記のフラーレン材料に加え、カーボンナノチューブ、ピーポッド、カーボンナノオニオンおよびこれらの誘導体ならびにこれらの重合体が例示される。
(3) Carbon nanomaterials Carbon nanomaterials mainly composed of carbon and having a basic skeleton of nano-size include carbon nanotubes, peapods, carbon nano-onions and their derivatives, and derivatives thereof in addition to the above fullerene materials. Examples are polymers.

3.気体検知素子
(1)構成
本発明に係る気体検知素子は、上記の誘電性半導体を有し、この誘電性半導体に起因する特性として、吸着する気体の状態に応じて導電率が変化するものである。典型的には、気体が吸着することによって誘電性半導体の導電率が変化する。なお、吸着する気体の状態の変化としては、吸着する気体の量的変化のみならず、質的変化も含まれる。この質的変化には、気体の種類のみならず、気体検知素子を構成する物質との化学的な相互作用の程度が変化すること、例えば物理吸着から化学吸着に変化することや、気体の気体検知素子における吸着場所が変化すること、例えば表面吸着から内部に拡散しての吸着に移行することなどが挙げられる。
3. Gas sensing element (1) Configuration The gas sensing element according to the present invention has the above-described dielectric semiconductor, and the electrical conductivity varies depending on the state of the adsorbed gas as a characteristic attributed to the dielectric semiconductor. is there. Typically, the electrical conductivity of a dielectric semiconductor changes due to gas adsorption. The change in the state of the adsorbed gas includes not only a quantitative change in the adsorbed gas but also a qualitative change. This qualitative change includes not only the type of gas but also the degree of chemical interaction with the substance that constitutes the gas sensing element, such as a change from physical adsorption to chemical adsorption, For example, the adsorption location in the detection element changes, for example, the transition from surface adsorption to adsorption diffused inside.

この特性について、C60フラーレンの単結晶を例にして説明すれば、C60フラーレンの単結晶(分子密度は1.44×1021個/cm)を室温50%RHの大気中に暴露させると、単結晶に吸着する水分の分子密度は飽和状態で約2×1020個/cmであり、フラーレン7.6分子に対して1分子の水が吸着しうることが本発明者らの調査により明らかになった。また、同一の環境で吸着する酸素分子は約2×1018個/cmであり、これは、フラーレン約860分子に1分子の酸素が吸着していることとなる。このことから、飽和状態では、吸着分子はC60フラーレンの単結晶の表面のみならずその内部のフラーレンにも吸着していることが確認された。 This characteristic will be explained using a C 60 fullerene single crystal as an example. A single crystal of C 60 fullerene (molecular density is 1.44 × 10 21 / cm 3 ) is exposed to an atmosphere of room temperature 50% RH. According to the present inventors, the molecular density of water adsorbed on the single crystal is about 2 × 10 20 molecules / cm 3 in a saturated state, and one molecule of water can adsorb 7.6 molecules of fullerene. Investigation revealed. Further, the number of oxygen molecules adsorbed in the same environment is about 2 × 10 18 molecules / cm 3 , which means that one molecule of oxygen is adsorbed to about 860 fullerenes. Therefore, the saturation, the adsorbed molecules was confirmed to have adsorbed to fullerenes therein not only the surface of the single crystal of C 60 fullerene.

このようにC60フラーレンの単結晶はきわめて多くの分子を吸着することができ、C60フラーレンの蒸着膜もほぼ同様の吸着特性を有する。したがって、C60フラーレンの蒸着膜からなる気体検知素子は、特許文献1にも示されるように、気体吸着によって10(Ωcm)−1もの導電率変化を実現しうる。 Thus a single crystal of C 60 fullerene can be adsorbed very many molecules, has substantially the same adsorption characteristics of a deposited film of C 60 fullerene. Therefore, as shown in Patent Document 1, a gas detection element made of a vapor deposition film of C 60 fullerene can realize a change in conductivity of 10 8 (Ωcm) −1 by gas adsorption.

他のフラーレン材料もC60フラーレンと同様の振る舞いをするが、その導電率変化の程度は、フラーレン材料の種類、気体検知素子としてのフラーレン材料の構造(例えば、他のフラーレン材料との結合状態)、吸着する気体の種類などによって変化する。例えば、アルカリ金属内包フラーレン(Li@C60)を含有するC60フラーレンからなる気体検知素子を用いて酸素の検出を行う場合について説明すれば、C60フラーレンのみからなる気体検知素子よりも導電率が高いため、C60フラーレンのみからなる気体検知素子と同一の測定条件であれば、より多くの電流が得られることとなり、より高感度の計測が実現される。また、このことは、同一の電流で計測するときには、気体検出素子を小型化することが可能であることをも意味するから、C60フラーレンのみからなる気体検知の場合よりコンパクトなセンサーを実現することができる。 Other fullerene materials behave similarly to C 60 fullerenes, but the degree of change in conductivity depends on the type of fullerene material and the structure of fullerene material as a gas sensing element (for example, the bonding state with other fullerene materials). Varies depending on the type of gas to be adsorbed. For example, a case where oxygen is detected using a gas detection element made of C 60 fullerene containing alkali metal-encapsulated fullerene (Li @ C 60 ) will be described. The conductivity is higher than that of a gas detection element made only of C 60 fullerene. because of the high, if the gas detection device the same measurement conditions and comprising only C 60 fullerene, becomes the more current is obtained, more measurement sensitive is realized. This also, when measured at the same current, since the gas detection element also means that it is possible to miniaturize, to realize a compact sensor than for gas detection comprising only C 60 fullerene be able to.

また、フラーレン材料以外の他のカーボンナノ材料もフラーレン材料と同様に気体吸着によって導電率が変化(通常は低下)する。
一方、有機半導体を誘電性半導体として含む気体検知素子は、電子供与性の気体が吸着することによって有機半導体の表面に高い導電率を有する層が形成され、導電率が上昇する場合もある。
In addition, the carbon nanomaterial other than the fullerene material also changes (usually decreases) in electrical conductivity due to gas adsorption in the same manner as the fullerene material.
On the other hand, in a gas detection element including an organic semiconductor as a dielectric semiconductor, a layer having high conductivity is formed on the surface of the organic semiconductor due to adsorption of an electron donating gas, and the conductivity may increase.

本発明に係る気体検知素子は、このような誘電性半導体を有し、その特性によって気体吸着による導電率変動が生じるのであれば、他にいかなる材料を含んでいてもよい。セラミックスのような絶縁性の物質、例えば金属のような導電性の物質、およびこれらの中間的な導電性を有する物質のいずれが含まれていてもかまわない。   The gas detection element according to the present invention has such a dielectric semiconductor, and may contain any other material as long as its characteristics cause variation in conductivity due to gas adsorption. An insulating substance such as ceramics, for example, a conductive substance such as metal, or a substance having an intermediate conductivity may be included.

(2)構造
気体検知素子の構造は、電極などを介して極性反転を含む電圧の周期的変化、典型的には中心電圧が0Vのサイン波による交流電圧が印加される一対の電気的端部と、その電気的端部の間に配置される誘電性半導体とを備え、その電気的端部の間に配置される誘電性半導体に計測対象の気体が吸着できる構造であれば、いかなる構造でもかまわない。薄膜状でもよいし、塊状でも線状でもよい。
(2) Structure The structure of the gas detection element is a pair of electrical ends to which an AC voltage is applied by a periodic change in voltage including polarity reversal, typically a sine wave having a center voltage of 0 V, via electrodes or the like. And a dielectric semiconductor disposed between the electrical ends, and any structure as long as the gas to be measured can be adsorbed to the dielectric semiconductor disposed between the electrical ends. It doesn't matter. It may be a thin film, a block or a line.

(3)製造方法
製造方法も、気体検知素子が誘電性半導体としての機能を発揮できるのであれば、特に制限されない。
(3) Manufacturing method A manufacturing method will not be restrict | limited especially if a gas detection element can exhibit the function as a dielectric semiconductor.

フラーレン材料からなる気体検知素子を例にして説明すれば、好ましい製造方法の一つは、フラーレン材料を加熱して昇華させることであり、昇華により得られた単結晶や蒸着膜による気体検知素子は優れた特性を有する。昇華のための加熱方法や加熱温度は対象となるフラーレン材料に応じて適宜設定すればよく、具体的な加熱方法としては通電加熱や電子線による加熱、レーザー照射による加熱などが例示される。   If a gas detection element made of a fullerene material is described as an example, one of the preferable manufacturing methods is to sublimate the fullerene material by heating, and the gas detection element using a single crystal or a vapor deposition film obtained by sublimation is Has excellent properties. The heating method and heating temperature for sublimation may be appropriately set according to the target fullerene material, and specific heating methods include current heating, heating with an electron beam, heating by laser irradiation, and the like.

ここで、フラーレン材料の昇華温度と同等の昇華温度を有する物質、例えば銅フタロシアニンをフラーレン材料が入ったルツボに混在させると、こうした材料が所定の割合で混在する蒸着膜が得られる。この場合も、昇華プロセスを採用していることから、不純物濃度を低く抑えることが実現される。   Here, when a substance having a sublimation temperature equivalent to the sublimation temperature of the fullerene material, for example, copper phthalocyanine, is mixed in the crucible containing the fullerene material, a deposited film in which such materials are mixed at a predetermined ratio is obtained. Also in this case, since the sublimation process is adopted, it is possible to reduce the impurity concentration.

また、フラーレン材料を分子線として供給しエピタキシャル成長させて得られるMBE膜は、単結晶並みの結晶構造を有する気体検知素子が得られるため、このMBE膜による気体検知素子も優れた特性を有する。   In addition, an MBE film obtained by epitaxially growing a fullerene material as a molecular beam can provide a gas detection element having a crystal structure similar to that of a single crystal. Therefore, the gas detection element using this MBE film also has excellent characteristics.

あるいは、フラーレン材料を加熱するのではなく、アルゴンなどの不活性気体を用いてスパッタリングして、スパッタ膜として気体検知素子を得てもよい。この場合には、蒸着膜に比べて分解生成物やスパッタガスに由来する成分が混入する可能性は高くなるため若干純度は低下するものの、気体検知素子の生産性を高めることが実現される。   Alternatively, the gas detection element may be obtained as a sputtered film by sputtering using an inert gas such as argon instead of heating the fullerene material. In this case, the possibility that a component derived from a decomposition product or a sputtering gas is mixed is higher than that of the vapor deposition film, so that the purity is slightly lowered, but the productivity of the gas detection element is improved.

このほか、昇華させたフラーレン材料をプラズマ中に導入し、フラーレン材料の重合体を膜状に堆積させて気体検知素子としてもよい。ただし、この場合も若干の不純物が不可避的に混在することになる。   In addition, a gas sensing element may be obtained by introducing a sublimated fullerene material into plasma and depositing a polymer of fullerene material in a film shape. In this case, however, some impurities are inevitably mixed.

上記のようなドライプロセスではなく、フラーレン材料を適切な媒体に溶解または分散させて溶液または分散液とし、これをスピンコートなどの手法を用いて薄膜化させた後に媒体を揮発させてもよい。この場合には、高価な真空設備を使用することなく気体検知素子を製造することが実現される。   Instead of the dry process as described above, the fullerene material may be dissolved or dispersed in an appropriate medium to form a solution or dispersion, which is thinned using a technique such as spin coating, and then the medium is volatilized. In this case, it is possible to manufacture the gas detection element without using expensive vacuum equipment.

このほか、粉末状のフラーレン材料を加圧圧縮して得られるペレットとして気体検知素子を製造してもよい。このとき、真空ポンプを用いて脱気を同時に行えば、緻密な気体検知素子を容易に得ることが実現される。   In addition, the gas detection element may be manufactured as a pellet obtained by compressing and compressing a powdered fullerene material. At this time, if deaeration is simultaneously performed using a vacuum pump, it is possible to easily obtain a dense gas detection element.

なお、上記のような手法で得られた気体検知素子に光や電子線などの照射を行うなどして、気体検知素子に含まれるフラーレン材料全体またはその一部を重合させてもよい。重合させることで気体検知素子の耐熱性を向上させることが可能となる。   Note that the fullerene material contained in the gas detection element or a part thereof may be polymerized by irradiating the gas detection element obtained by the above-described method with light or an electron beam. Polymerization can improve the heat resistance of the gas detection element.

4.第一の実施形態
以下に、本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムについて説明する。
4). First Embodiment Hereinafter, a gas measurement system according to a first embodiment of the present invention will be described.

(1)構成
図1は、本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムを示す概念図である。
第一の実施形態に係る気体計測システム0100は、図1に示すように、ガスセンサー0101と、複数の周波数の交流電圧を発生可能な電源0102と、そのガスセンサーからの電気的応答を計測する計測手段0103と、ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段0104とを備える。
(1) Configuration FIG. 1 is a conceptual diagram showing a gas measurement system according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the gas measurement system 0100 according to the first embodiment measures a gas sensor 0101, a power supply 0102 capable of generating an alternating voltage of a plurality of frequencies, and an electrical response from the gas sensor. Measuring means 0103 and gas desorption means 0104 for desorbing the gas adsorbed by the gas sensor are provided.

以下に、まずガスセンサーについて説明し、その後、気体検知原理について説明して、引き続いてガスセンサー以外の構成要素について説明する。   Hereinafter, the gas sensor will be described first, and then the principle of gas detection will be described, followed by the description of components other than the gas sensor.

(2)ガスセンサーの構造
(A)概要
本発明に係るガスセンサーは、気体検知素子と静電容量部と一対の電極とを最小限の構成要素とし、気体検知素子および静電容量部を含む電気素子の電気的端部に一対の電極が電気的に接続する構成を備える。
(2) Structure of gas sensor (A) Outline A gas sensor according to the present invention includes a gas detection element, a capacitance part, and a pair of electrodes as minimum components, and includes the gas detection element and the capacitance part. A structure is provided in which a pair of electrodes are electrically connected to the electrical end of the electrical element.

図2は、本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの構造を示す概念図であり、(a)が上面図、(b)が(a)におけるAA断面での断面図、(c)が(a)におけるBB断面での断面図である。   2A and 2B are conceptual views showing the structure of the gas sensor according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a top view, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the BB cross section in FIG.

第一の実施形態に係るガスセンサー0200は次の構成要素を備える:
気体脱離手段であるセラミックヒーター0201、
セラミックヒーター0201の上に所定の間隔で形成された第一の金層0202および第二の金層0206、
第一の金層0202における第二の金層0206寄りの一部を覆いつつ、セラミックヒーター0201上であって金層0202と0206との間における第一の金層0202寄りの部分に形成された第一のアルミニウム層0203、
第一のアルミニウム層0203上であって第二の金層0206寄りの部分、およびセラミックヒーター0201上であって第一のアルミニウム層0203と第二の金層0206との間における第一のアルミニウム層0203寄りの部分に形成された気体検知素子0204、ならびに
気体検知素子0204の開放された上面における第二の金層0206寄りの部分、および第二の金層0206上における第一の金層0202寄りの部分に形成され、さらにこれらを連結するように形成された連結部を有する第二のアルミニウム層0205。
The gas sensor 0200 according to the first embodiment includes the following components:
Ceramic heater 0201 which is a gas desorption means,
A first gold layer 0202 and a second gold layer 0206 formed on the ceramic heater 0201 at predetermined intervals,
Covering a portion of the first gold layer 0202 near the second gold layer 0206, it was formed on the ceramic heater 0201 and between the gold layers 0202 and 0206 at a portion near the first gold layer 0202. First aluminum layer 0203,
A portion on the first aluminum layer 0203 near the second gold layer 0206, and a first aluminum layer on the ceramic heater 0201 between the first aluminum layer 0203 and the second gold layer 0206 The gas sensing element 0204 formed near the portion 0203, the portion near the second gold layer 0206 on the opened upper surface of the gas sensing element 0204, and the first gold layer 0202 near the second gold layer 0206 And a second aluminum layer 0205 having a connecting portion formed so as to connect them.

アルミニウム層0203,0205は、それぞれ、金属部分0203a,0205aと、気体検知素子0204に対向する表面に形成された酸化膜部分0203b,0205bとを有している。後述するように本実施形態に係る気体検知素子0204はC60フラーレンで構成されているので、気体検知素子の内部を酸素が通過することが可能であり、この酸素がアルミニウム層の金属表面を酸化することによってこの酸化膜は形成されている。 Aluminum layers 0203 and 0205 have metal portions 0203a and 0205a, and oxide film portions 0203b and 0205b formed on the surface facing gas detection element 0204, respectively. Since the gas detection device 0204 according to this embodiment as described below is composed of C 60 fullerenes, it is possible to the interior of the gas detection device oxygen passes, the oxygen oxidizes the metal surface of the aluminum layer As a result, this oxide film is formed.

また、詳細は必ずしも明らかではないが、この酸化膜部分0203b,0205bと気体検知素子0204との界面近傍にはC60フラーレンを含む誘電体層が形成され、それは双極子および/または電気的障壁と想定される。この誘電体層とアルミニウム層の酸化膜部分0203b,0205bとが一体となって本実施形態に係るガスセンサーの静電容量部をなしており、これが気体検知素子0204と直列に接続されている構成となっている。 Further, although details are not necessarily clear, a dielectric layer containing C 60 fullerene is formed in the vicinity of the interface between the oxide film portions 0203 b and 0205 b and the gas sensing element 0204, which includes a dipole and / or an electrical barrier. is assumed. The dielectric layer and the oxide film portions 0203b and 0205b of the aluminum layer are integrated to form a capacitance portion of the gas sensor according to the present embodiment, and this is connected in series with the gas detection element 0204. It has become.

なお、第二のアルミニウム層0205の上面部分にも自然酸化膜が形成されているが、説明の都合上表示していない。また、図2は、各部材の積層方向とこれに垂直な面内方向とでは表示の拡大率が大きく(1000倍程度)異なっており、現実には基板0201上の構造体は実質的に薄膜状である。このため、第二のアルミニウム層0205における、気体検知素子0204と第二の金層0206との連結部分のうち、気体検知素子0204に接する部分の面積は、第二のアルミニウム層0205の気体検知素子0204上に形成された部分の面積よりもはるかに小さい。したがって、気体検知素子0204の電気的端部は、実質的に、気体検知素子0204上に形成された第二のアルミニウム層0205と接触する部分である。   Note that a natural oxide film is also formed on the upper surface portion of the second aluminum layer 0205, but this is not shown for convenience of explanation. In FIG. 2, the display enlargement ratio differs greatly (about 1000 times) between the stacking direction of each member and the in-plane direction perpendicular thereto, and the structure on the substrate 0201 is actually a thin film. Is. For this reason, in the connection part of the gas detection element 0204 and the second gold layer 0206 in the second aluminum layer 0205, the area of the part in contact with the gas detection element 0204 is the gas detection element of the second aluminum layer 0205. It is much smaller than the area of the part formed on 0204. Therefore, the electrical end of the gas sensing element 0204 is substantially the part that contacts the second aluminum layer 0205 formed on the gas sensing element 0204.

気体検知素子0204および静電容量部を含む電気素子の電気的端部は、第一のアルミニウム層0203の酸化膜部分0203bにおける金属部分203aに対向する面、および第二のアルミニウム層0205の酸化膜部分0205bにおける金属部分205aに対向する面である。よって、本実施形態に係るガスセンサーの電極は、第一のアルミニウム層0203の金属部分203a、および第二のアルミニウム層0205の金属部分205aである。なお、金層0202、0206は、配線部材との接続を行いやすくするための部材(パッド電極)であり、必須の構成ではない。   The electric end of the electric element including the gas detection element 0204 and the electrostatic capacitance portion includes a surface of the oxide film portion 0203b of the first aluminum layer 0203 facing the metal portion 203a and an oxide film of the second aluminum layer 0205. This is a surface facing the metal portion 205a in the portion 0205b. Therefore, the electrodes of the gas sensor according to the present embodiment are the metal portion 203a of the first aluminum layer 0203 and the metal portion 205a of the second aluminum layer 0205. Note that the gold layers 0202 and 0206 are members (pad electrodes) for facilitating connection with the wiring member, and are not essential.

(B)気体検知素子
本実施形態に係る気体検知素子0204は、誘電性半導体の一つであるC60フラーレンの蒸着膜からなる。前述のようにC60フラーレンの蒸着膜の内部には酸素などの気体が容易に侵入することが可能であるから、吸着領域は気体検知素子0204の表面のみならず素子全体となる。
(B) Gas Detection Element The gas detection element 0204 according to the present embodiment is formed of a vapor deposition film of C 60 fullerene that is one of dielectric semiconductors. As described above, since a gas such as oxygen can easily enter the C 60 fullerene vapor deposition film, the adsorption region is not only the surface of the gas detection element 0204 but also the entire element.

このため、本実施形態に係る気体検知素子0204の導電率は10−2(Ωcm)−1以上から10−10(Ωcm)−1以下まで10(Ωcm)−1以上の範囲で変動しうる。一方、C60フラーレンの比誘電率は4〜5程度であるから、キャパシタンスは、気体検知素子0204の形状が面積1mm、厚み1μmの場合で40pF程度となる。現実に使用されると想定される気体検知素子は、面積が0.1〜100mm、厚み0.1〜10μm程度であるから、この場合には、気体検知素子のキャパシタンスは1pF程度から1nF程度の範囲となる。 For this reason, the electrical conductivity of the gas detection element 0204 according to the present embodiment can vary from 10 −2 (Ωcm) −1 or more to 10 −10 (Ωcm) −1 or less in the range of 10 8 (Ωcm) −1 or more. . On the other hand, since the relative dielectric constant of C 60 fullerene is about 4 to 5, the capacitance is about 40 pF when the shape of the gas detection element 0204 is 1 mm 2 in thickness and 1 μm in thickness. Since the gas sensing element that is assumed to be actually used has an area of 0.1 to 100 mm 2 and a thickness of about 0.1 to 10 μm, in this case, the capacitance of the gas sensing element is about 1 pF to about 1 nF. It becomes the range.

(C)静電容量部
本実施形態に係る気体検知素子0204はC60フラーレンの蒸着膜からなるため、その内部を酸素分子は自由に移動することができる。このため、C60フラーレンの蒸着膜と直接接触するように形成されたアルミニウム層203,205におけるその蒸着膜に対向する面は、蒸着膜を通過してくる酸素によって酸化され、アルミニウムの自然酸化膜(Al)が形成されている。本実施形態に係るガスセンサーは、この酸化膜を静電容量部の構成部材の一つとしている。
(C) Capacitance part Since the gas detection element 0204 according to the present embodiment is made of a vapor deposition film of C 60 fullerene, oxygen molecules can freely move inside the gas detection element 0204. Therefore, the surface facing the vapor deposition film in the aluminum layer 203 and 205 which are formed in direct contact with the deposited film of C 60 fullerene, is oxidized by oxygen coming through the deposited film, the natural oxide film of aluminum (Al 2 O 3 ) is formed. In the gas sensor according to the present embodiment, this oxide film is one of the constituent members of the capacitance unit.

この場合には、酸化膜の厚さは、概ね0.1〜10nm、一般的には0.5〜5nm程度である。このため、気体検知素子の一方の電気的端部が1mm程度の面積であっても、1〜100nF程度の静電容量を有する静電容量部が形成されることとなる。 In this case, the thickness of the oxide film is about 0.1 to 10 nm, generally about 0.5 to 5 nm. For this reason, even if one electrical end of the gas detection element has an area of about 1 mm 2 , a capacitance unit having a capacitance of about 1 to 100 nF is formed.

後述するように静電容量部単独のキャパシタンスは大きければ大きいほど検出感度を高めることが可能であるから、この観点からは酸化膜は薄ければ薄いほど好ましい。その一方で、酸化膜は、電極からの気体検出素子への電荷注入を防ぐバリア層としての機能も有する。電荷注入は計測の不安定化要因であり、ガスセンサーに印加する電圧の周波数が高いときにこの傾向は顕著となる。このため、酸化膜はある程度の厚さがあることが好ましい。したがって、好ましい酸化膜の厚さは1〜5nmである。   As will be described later, the detection sensitivity can be increased as the capacitance of the capacitance section alone is larger. From this viewpoint, the thinner the oxide film, the better. On the other hand, the oxide film also has a function as a barrier layer that prevents charge injection from the electrode to the gas detection element. Charge injection is a cause of measurement instability, and this tendency becomes significant when the frequency of the voltage applied to the gas sensor is high. For this reason, it is preferable that the oxide film has a certain thickness. Therefore, a preferable oxide film thickness is 1 to 5 nm.

なお、上記の酸化膜の厚さの好適範囲はアルミニウム層の場合であり、同じように自然酸化膜が形成される金属、例えばチタンを用いた場合には、その誘電率もバリア層としての特性もアルミニウムの酸化膜とは異なるのであるから、当然に好適な酸化膜の厚さの範囲は変動する。   Note that the preferred range of the thickness of the oxide film is that of an aluminum layer. Similarly, when a metal on which a natural oxide film is formed, such as titanium, is used, its dielectric constant is also a characteristic as a barrier layer. However, since the oxide film is different from the aluminum oxide film, the preferable range of the thickness of the oxide film naturally varies.

また、前述のように、この酸化膜部分0203b,0205bと気体検知素子0204との界面近傍にはC60フラーレンを含む誘電体層が形成されている。この点に関し、実測結果をもって説明する。本実施形態に係るガスセンサーの特性評価結果に基づいて、アルミニウムとフラーレン蒸着膜との界面に存在するキャパシタンスを等価回路からのシミュレーションによって算出した。次に、このキャパシタンスがアルミニウムの酸化膜によってもたらされていると仮定して厚みを求めると、6nmに相当することが確認された。ところが、分光エリプソ法(J.A.Woollam 製高速分光エリプソメーター M-2000V)によってそのガスセンサーのアルミニウム層に形成された酸化膜の厚みを実測すると1.0nmとなった。すなわち、この結果によれば、静電容量部構成要素としての酸化膜以外の誘電体層が、電気的には5nm分の酸化膜に相当するものとして、フラーレン蒸着膜と酸化膜との界面近傍に存在することになる。 Further, as described above, a dielectric layer containing C 60 fullerene is formed in the vicinity of the interface between the oxide film portions 0203 b and 0205 b and the gas detection element 0204. This point will be described with actual measurement results. Based on the characteristic evaluation result of the gas sensor according to the present embodiment, the capacitance existing at the interface between aluminum and the fullerene vapor deposition film was calculated by simulation from an equivalent circuit. Next, when the thickness was calculated on the assumption that this capacitance was caused by an aluminum oxide film, it was confirmed to correspond to 6 nm. However, when the thickness of the oxide film formed on the aluminum layer of the gas sensor was measured by a spectroscopic ellipso method (high-speed spectroscopic ellipsometer M-2000V manufactured by JAWoollam), it was 1.0 nm. That is, according to this result, it is assumed that the dielectric layer other than the oxide film as the electrostatic capacitance component is electrically equivalent to an oxide film of 5 nm, and is near the interface between the fullerene deposited film and the oxide film. Will exist.

(D)電極
本発明に係るガスセンサーの電極は、気体検知素子および静電容量部を含む電気素子の電気的端部に電気的に接続するものであるから、本実施形態においては、アルミニウム層203,205の金属部分203a,205aである。
(D) Electrode Since the electrode of the gas sensor according to the present invention is electrically connected to the electrical end of the electric element including the gas detection element and the capacitance part, in the present embodiment, the aluminum layer The metal parts 203a and 205a of 203 and 205 are shown.

電極は金、アルミニウム、銅などの金属、ITO,ZnOなどの酸化物系導電材料、グラファイト、金属性SWCNTなどの金属性カーボン材料などが典型例として挙げられる。
ただし、本実施形態においては、金属の自然酸化膜を静電容量部の一部とすることとしているため、緻密な自然酸化膜を形成することが可能な金属を用いることが好ましく、そのような金属として、本実施例に係るアルミニウムのほかに、チタン、クロム、ニッケル、ニオブ、タンタルが例示される。
Typical examples of the electrode include metals such as gold, aluminum, and copper, oxide-based conductive materials such as ITO and ZnO, and metallic carbon materials such as graphite and metallic SWCNT.
However, in the present embodiment, since a metal natural oxide film is used as a part of the capacitance portion, it is preferable to use a metal capable of forming a dense natural oxide film. Examples of the metal include titanium, chromium, nickel, niobium, and tantalum in addition to aluminum according to the present embodiment.

(3)気体検知原理
(A)概要
上記の構成を有する本実施形態に係るガスセンサーは、等価回路として表すと、図3のようになる。ここで、CおよびRはそれぞれ気体検知素子の静電容量および抵抗であり、Cは静電容量部の容量である。
(3) Gas detection principle (A) Outline The gas sensor according to the present embodiment having the above-described configuration is represented as an equivalent circuit as shown in FIG. Here, C and R are each capacitance and resistance of the gas detection device, C b is the capacitance of the capacitive element.

本実施形態に係る気体計測システムでは、図3に示される等価回路を有するガスセンサーに交流電圧を印加し、その電気的応答を測定することで気体検知素子への気体の吸着状態を計測する。ここで、「電気的応答」とは、交流電圧を印加したことに対するガスセンサーによる応答のうち、電気計測手段により測定可能な全ての応答をいう。したがって、電流の変化を応答として測定してもよいし、インピーダンスやその逆数としてのアドミタンスを測定してもよい。また、ガスセンサーを複素キャパシタンスとして計測してもよいし、複素コンダクタンスを計測してもよい。   In the gas measurement system according to the present embodiment, an AC voltage is applied to the gas sensor having the equivalent circuit shown in FIG. 3, and the electrical response is measured to measure the gas adsorption state on the gas detection element. Here, the “electrical response” refers to all responses that can be measured by the electric measuring means among the responses by the gas sensor to the application of an alternating voltage. Therefore, a change in current may be measured as a response, or an admittance as an impedance or its inverse may be measured. Further, the gas sensor may be measured as a complex capacitance, or the complex conductance may be measured.

このように交流電圧にて測定することで、誘電性を有する気体検知素子へのチャージアップが防止される。このため、ドリフトなど計測精度を低下させる現象が抑制され、高精度での測定が実現される。   Thus, by measuring with an alternating voltage, the charge-up to the gas detection element which has dielectric property is prevented. For this reason, the phenomenon of reducing measurement accuracy such as drift is suppressed, and measurement with high accuracy is realized.

(B)複素キャパシタンス計測
以下、典型例として、複素キャパシタンスを計測した場合について説明する。複素キャパシタンスを計測することで、ガスセンサーにおける各構成要素の電気的特性の影響を独立にすることができる。具体的には、図3に示される二つの容量成分と抵抗成分とを独立にして、抵抗成分の変動、すなわち気体検知素子の導電率の変動を効率的に検出することが実現される。
(B) Complex Capacitance Measurement Hereinafter, a case where a complex capacitance is measured will be described as a typical example. By measuring the complex capacitance, the influence of the electrical characteristics of each component in the gas sensor can be made independent. Specifically, it is realized that the two capacitance components and the resistance component shown in FIG. 3 are made independent of each other, and the fluctuation of the resistance component, that is, the fluctuation of the conductivity of the gas detection element is efficiently detected.

まずこの回路についてアドミタンスYを求めると、 First, the admittance Y * is calculated for this circuit.

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。ここで、前述のように、CはpFからnFのオーダーであるのに対して、Cは概ね数十nFのオーダーである。したがって、C>>Cであるから、 It becomes. Here, as described above, C is whereas a nF the order of pF, C b are generally several tens nF order. Therefore, since C b >> C,

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。
こうして求めたアドミタンスYのうち、実部すなわちコンダクタンス成分Gを取り出すと、
It becomes.
Of the admittance Y * thus obtained, the real part, that is, the conductance component G, is extracted.

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。したがって、コンダクタンスGの交流電圧の周波数依存性を測定すると、低周波では周波数の増加によってコンダクタンスGは増加するが、高周波になると実質的に気体検知素子の導電率を直接示すようになる。 It becomes. Therefore, when the frequency dependence of the AC voltage of the conductance G is measured, the conductance G increases with an increase in frequency at a low frequency, but the conductivity of the gas detection element is substantially directly shown at a high frequency.

一方、ガスセンサーのアドミタンスYと複素キャパシタンスC(=C’−jC”)との関係は、 On the other hand, the relationship between the admittance Y * of the gas sensor and the complex capacitance C * (= C′−jC ″) is

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。したがって、複素キャパシタンスCの実部C’(以下「キャパシタンスC’」という。)は、 It becomes. Therefore, the real part C ′ of the complex capacitance C * (hereinafter referred to as “capacitance C ′”) is

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。したがって、キャパシタンスC’の交流電圧の周波数依存性を測定すると、低周波では1>>ωCR、かつ1>>ω となってほぼCであり、高周波になると1<<ωCR、かつ1<<ω となってCとなる。 It becomes. Therefore, when the frequency dependence of the AC voltage of the capacitance C ′ is measured, at low frequency, 1 >> ω 2 C b CR 2 and 1 >> ω 2 C b 2 R 2 , which is almost C b , and high frequency Then, 1 << ω 2 C b CR 2 and 1 << ω 2 C b 2 R 2 , resulting in C.

図4は、気体検知素子の環境を真空度10Pa(温度:200℃)に維持し、気体検知素子への気体の吸着状態に変化を生じさせないようにしてRを一定にした場合における、キャパシタンスC’の、印加交流電圧周波数に対する依存性を示すグラフである。図4において、丸印は実測データであり、実線は図3に示される等価回路を用いてフィッティングさせた結果である。   FIG. 4 shows the capacitance C in the case where the environment of the gas detection element is maintained at a vacuum degree of 10 Pa (temperature: 200 ° C.), and R is made constant so as not to cause a change in the gas adsorption state to the gas detection element. It is a graph which shows the dependence with respect to applied AC voltage frequency. In FIG. 4, the circles are measured data, and the solid lines are the results of fitting using the equivalent circuit shown in FIG. 3.

図4に示すように、200Hz以下の低周波では、キャパシタンスC‘は、静電容量部(アルミニウムの酸化膜部分)に起因するCであったものが、100kHz以上の高周波では気体検知素子(C60フラーレン)に起因するキャパシタンスCに低下する。そして、中程度の周波数帯は遷移領域となっており、この遷移領域におけるキャパシタンスC’の変動は、その領域の端部近傍(数百Hzおよび10kHz近傍)に変化率の絶対値が極大となる部分がある。 As shown in FIG. 4, the following low frequency 200 Hz, the capacitance C 'is the capacitance unit what was C b due to (aluminum oxide portion of) the gas detection device in the above high-frequency 100kHz ( reduced to the capacitance C due to C 60 fullerene). The intermediate frequency band is a transition region, and the variation of the capacitance C ′ in the transition region has a maximum absolute value of the rate of change near the end of the region (near several hundred Hz and 10 kHz). There is a part.

ここで、Rを変化させると、キャパシタンスC’が低周波および高周波になるとそれぞれ一定の値に収束し、途中に遷移領域を有するという基本傾向には変化がないものの、Rに応じて遷移領域が移動する。   Here, when R is changed, the capacitance C ′ converges to a constant value when the frequency becomes low and high, and there is no change in the basic tendency of having a transition region in the middle. Moving.

図5は、本実施形態に係るガスセンサーの等価回路シミュレーションにより得られたキャパシタンスプロファイルを示すグラフであり、Rを大きくすると、遷移領域のプロファイルに変更はないものの、遷移領域全体が低周波側に、Rを小さくすると遷移領域全体が高周波側に移動することが確認できる。   FIG. 5 is a graph showing a capacitance profile obtained by an equivalent circuit simulation of the gas sensor according to the present embodiment. When R is increased, the transition region profile is not changed, but the entire transition region is on the low frequency side. When R is reduced, it can be confirmed that the entire transition region moves to the high frequency side.

このように本実施形態に係るガスセンサーについてキャパシタンスC’を計測することで、気体検知素子に気体が吸着して導電率が低下すると、キャパシタンスC’の変化として計測することが可能である。ここで、そのキャパシタンスC’の変化は、上限が概ねCであって、下限がCである。したがって、C>Cであって、その差が大きいことが測定上有利であり、C/Cが10以上であれば安定した計測が実現される。この比率が100以上であれば特に安定した計測が実現される。 As described above, by measuring the capacitance C ′ of the gas sensor according to the present embodiment, when the gas is adsorbed to the gas detection element and the conductivity is lowered, it is possible to measure the change as the capacitance C ′. Wherein a change in the capacitance C 'is a upper limit generally C b, the lower limit is C. Therefore, it is advantageous in measurement that C b > C and the difference is large. If C b / C is 10 or more, stable measurement is realized. If this ratio is 100 or more, particularly stable measurement is realized.

なお、計測や表示の段階で、このキャパシタンスC’またはこれに基づいて得られる電気的パラメータ、例えば比誘電率ε’を用いてもよい。また、本実施の形態に係る気体検知素子は気体が吸着によって導電率が低下するが、逆に気体の吸着により導電率が増加する場合であっても、遷移領域の移動方向が異なるのみであるから、本気体検知原理をそのまま適用することが可能である。   Note that this capacitance C ′ or an electrical parameter obtained based on the capacitance C ′, for example, a relative dielectric constant ε ′ may be used at the stage of measurement or display. In addition, the gas detection element according to the present embodiment has a decrease in conductivity due to gas adsorption, but conversely, even if the conductivity increases due to gas adsorption, only the moving direction of the transition region is different. Therefore, it is possible to apply the present gas detection principle as it is.

(C)計測の具体的方法
その計測にあたっての具体的な方法は、次のように複数が考えられる。
a)周波数固定
まず、気体が吸着していない状態でキャパシタンスC’が遷移領域内、例えば遷移領域の中心となる周波数の交流電圧を印加し、その周波数に固定してキャパシタンスC’を計測すれば、気体の吸着によって気体検知素子の導電率が低下して遷移領域が低周波側に移動すると、その周波数におけるキャパシタンスC’は低下する。したがって、気体吸着量の変化をキャパシタンスC’の変化として定量的に計測することが実現される。
(C) Specific Method of Measurement There are a plurality of specific methods for the measurement as follows.
a) Frequency Fixation First, if a capacitance C ′ is measured in a state where the capacitance C ′ is fixed in the transition region, for example, at the center of the transition region, with the gas not adsorbed, and fixed at that frequency. When the conductivity of the gas detection element decreases due to gas adsorption and the transition region moves to the low frequency side, the capacitance C ′ at that frequency decreases. Accordingly, it is possible to quantitatively measure the change in the gas adsorption amount as the change in the capacitance C ′.

一方、同様に遷移領域内であるが変化率が極大または極小となるピークまたはバレー値に周波数に固定して計測すれば、少量の気体吸着でもキャパシタンスC’は大きく変化するため、微量検知などの用途に適した計測が実現される。また、遷移領域の低周波側のバレー値よりも低周波側の周波数で計測すれば、気体吸着量が少ない場合にはキャパシタンスC’はほとんど変化しないが、ある程度の吸着量になると大きく変化するような計測が実現される。この計測方法は、先の微量検知の計測方法と組み合わせて、危険度を段階的に管理するような用途に適用することができる。具体的には、複数の周波数で計測し、バレー値に近い周波数による測定で極微量の気体漏れを検知したときは警報を発し、さらに漏れ量が増加して低周波数側でも検知したときはシステム全体を強制停止させる信号を発することが考えられる。   On the other hand, if the measurement is performed while fixing the frequency to the peak or valley value at which the rate of change is maximum or minimum within the transition region, the capacitance C ′ changes greatly even with a small amount of gas adsorption. Measurement suitable for the application is realized. Further, if measurement is performed at a frequency lower than the valley value on the lower frequency side of the transition region, the capacitance C ′ hardly changes when the gas adsorption amount is small, but changes greatly when the adsorption amount reaches a certain level. Measurement is realized. This measurement method can be applied to an application in which the degree of risk is managed step by step in combination with the previous measurement method for detecting a small amount. Specifically, when measuring at multiple frequencies and detecting an extremely small amount of gas leak by measuring at a frequency close to the valley value, an alarm is issued. It is conceivable to issue a signal for forcibly stopping the whole.

b)キャパシタンス固定
上記のように印加電圧の周波数を固定する計測のほかに、常に一定のキャパシタンスC’が測定されるように周波数変調を行い、その周波数から気体検知素子の抵抗成分の抵抗値(導電率)を求め、その結果に基づいて気体吸着量を見積もることも考えられる。
b) Capacitance Fixation In addition to the measurement of fixing the frequency of the applied voltage as described above, frequency modulation is performed so that a constant capacitance C ′ is always measured, and the resistance value of the resistance component of the gas detection element (from the frequency ( It is also conceivable to obtain the conductivity) and estimate the amount of gas adsorption based on the result.

c)キャパシタンスプロファイル
あるいは、計測の度に周波数掃引を行い、図4のようなキャパシタンスC’の周波数依存性プロファイル(以下、「キャパシタンスプロファイル」という。)を取り込む方法もある。この場合には、このプロファイルを解析して気体検知素子の抵抗成分の抵抗値(導電率)を求め、その結果に基づいて気体吸着量を見積もることができる。この測定方法は電源および計測手段の負荷が大きくなるものの、測定精度が高くなることが期待される。
c) Capacitance profile Alternatively, there is a method in which a frequency sweep is performed for each measurement and a frequency-dependent profile (hereinafter referred to as “capacitance profile”) of the capacitance C ′ as shown in FIG. In this case, this profile is analyzed to determine the resistance value (conductivity) of the resistance component of the gas detection element, and the amount of gas adsorption can be estimated based on the result. Although this measurement method increases the load on the power source and the measurement means, it is expected that the measurement accuracy will increase.

(D)温度の影響
なお、気体検知素子によっては、その抵抗成分の抵抗値(導電率)が気体吸着のみならず気体検知素子の温度によっても変動する場合がある。本実施形態に係る気体検知素子も温度の上昇によって導電率が上昇する傾向を有する。この場合には、あらかじめ温度による導電率変動をバックデータとして用意しておき、得られた測定結果から温度変動による寄与を除去するようにしてもよいし、気体吸着しない構造を有するリファレンス用のセンサーをガスセンサーの近傍に設置し、このリファレンス用センサーとの差分を計測値とすることとしてもよい。ここで、リファレンス用センサーは、ガスセンサーと同一の構造を有しているが、気体検知素子の露出部分全体が気体を透過させない材料、例えばポリイミドのような有機材料でもよいし、シロキサン結合を有した無機材料でもよいし、これらの複合材料でもよい、で封止されたものを用いれば、ガスセンサーと同一の感温特性を有する温度センサーとして機能させることも可能である。
このほか、計測中は常にセラミックヒーターを稼動させて、気体は吸着しうるものの環境温度の変動はキャンセルしうる温度に維持することとしてもよい。
(D) Influence of temperature Depending on the gas detection element, the resistance value (conductivity) of the resistance component may vary depending not only on gas adsorption but also on the temperature of the gas detection element. The gas detection element according to the present embodiment also has a tendency for the conductivity to increase as the temperature increases. In this case, conductivity variation due to temperature may be prepared as back data in advance, and the contribution due to temperature variation may be removed from the obtained measurement result, or a reference sensor having a structure that does not adsorb gas May be installed in the vicinity of the gas sensor, and the difference from this reference sensor may be used as the measurement value. Here, the reference sensor has the same structure as the gas sensor, but the entire exposed portion of the gas detection element may be a material that does not allow gas to pass therethrough, for example, an organic material such as polyimide, or has a siloxane bond. If a material sealed with an inorganic material or a composite material of these materials is used, it can be made to function as a temperature sensor having the same temperature-sensitive characteristics as the gas sensor.
In addition, the ceramic heater may be operated at all times during the measurement to maintain a temperature at which the change in environmental temperature can be canceled although the gas can be adsorbed.

(E)等価回路の検討
ここで、本実施形態に係るガスセンサーの電気的性質について厳密に検討すれば、酸化膜などによって構成される静電容量部にもCで示される容量成分のほかに抵抗成分Rが存在する。したがって、本実施形態に係るガスセンサーの等価回路は、正確には図6のように記載されるべきである。
(E) Study of the equivalent circuit, where, if strictly examined electrical properties of the gas sensor according to the present embodiment, in addition to the capacitive component represented by C b in the capacitance section composed of such as an oxide film There is a resistance component Rb . Therefore, the equivalent circuit of the gas sensor according to the present embodiment should be accurately described as shown in FIG.

しかしながら、高周波においては静電容量部における容量成分Cbの影響が支配的であり、抵抗成分Rの影響はほぼ完全に無視可能である。一方、低周波においてはガスセンサー全体のキャパシタンスC’の値をやや上昇させるものの、上記の遷移領域のプロファイルに与える影響はほとんどない。したがって、この遷移領域に着目して計測を行えば全くRの影響はない。また、低周波の計測が必要な場合でも、前述のリファレンス用センサーとの差分で計測すれば、その影響を消去することが可能である。 However, at high frequencies, the influence of the capacitance component Cb in the capacitance portion is dominant, and the influence of the resistance component Rb is almost completely negligible. On the other hand, at a low frequency, although the value of the capacitance C ′ of the entire gas sensor is slightly increased, there is almost no influence on the profile of the transition region. Therefore, if measurement is performed focusing on this transition region, there is no influence of Rb . Even when low frequency measurement is required, the effect can be eliminated by measuring the difference from the above-described reference sensor.

(4)ガスセンサー以外の構成要素
本実施形態に係る気体計測システムのガスセンサー以外の構成要素について説明する。
(A)電源
電源は、交流電圧を発生させることができるのであれば特に制限されない。キャパシタンスプロファイルのように、電気的応答に対する交流印加周波数依存性プロファイルを計測する場合には、複数の印加電圧の周波数を出力できることが必要である。このとき、高周波から低周波へまたはその逆に周波数を掃引することで複数の周波数を出力してもよいし、複数の周波数が重畳された電圧を一度に出力して、計測手段においてフーリエ変換などを行って周波数解析することによりプロファイル用データとしてもよい。
(4) Components other than the gas sensor Components other than the gas sensor of the gas measurement system according to the present embodiment will be described.
(A) Power source The power source is not particularly limited as long as an AC voltage can be generated. When measuring an AC applied frequency dependence profile with respect to an electrical response, such as a capacitance profile, it is necessary to be able to output frequencies of a plurality of applied voltages. At this time, a plurality of frequencies may be output by sweeping the frequency from a high frequency to a low frequency or vice versa, or a voltage on which the plurality of frequencies are superimposed is output at one time, and a Fourier transform or the like is performed in the measuring means. It is good also as profile data by performing frequency analysis by performing.

なお、本実施形態ではサイン波による交流電圧を印加することとしたが、ある極性反転を含み周期的に変化する電圧、すなわち一対の電極の少なくとも一方の電極に対する所定の波形が所定の周期で繰り返し印加された電圧であって、その電圧波形が、他方の電極の電位に対して正の電圧をなす場合と負の電圧をなす場合とを有するような電圧であれば、電圧波形は矩形波でも三角波でもよい。また、電圧波形の中心電圧は0Vであってもよいし、正負のいずれかの値のバイアスがかかっていてもよい。   In this embodiment, an alternating voltage by a sine wave is applied, but a voltage that periodically changes including a certain polarity inversion, that is, a predetermined waveform for at least one of a pair of electrodes is repeated at a predetermined period. If the voltage waveform is a voltage having a case where the voltage waveform is positive with respect to the potential of the other electrode and a case where the voltage waveform is negative, the voltage waveform may be a rectangular wave. A triangular wave may be used. Further, the center voltage of the voltage waveform may be 0 V, or a positive or negative bias may be applied.

また、電源から印加する電圧の絶対値の最大値は、気体検知素子の絶縁破壊電圧未満であれば特に制限されない。ここで、絶縁破壊電圧は気体検知素子の材料や構造に依存し、例えばC60フラーレンからなる気体検知素子の場合には、1μm厚で10V程度である。この最大値が過剰に低いと電気的応答におけるノイズの影響が大きくなるので、この影響を考慮して適切な値に設定すればよい。上記のC60フラーレンからなる気体検知素子であれば、20〜100mV程度として計測することが好ましい。 Moreover, the maximum value of the absolute value of the voltage applied from a power supply will not be restrict | limited especially if it is less than the dielectric breakdown voltage of a gas detection element. Here, the breakdown voltage depends on the material and structure of the gas detection device, for example in the case of a gas detection device comprising a C 60 fullerene is about 10V at 1μm thick. If this maximum value is excessively low, the influence of noise on the electrical response becomes large. Therefore, an appropriate value may be set in consideration of this influence. If gas detection device consisting of the above C 60 fullerene, it is preferable to measure the degree 20~100MV.

(B)測定手段
測定手段は、いわゆる一般的なLCRメーターであって、インピーダンスやアドミタンスを計測できればよく、この場合には、出力されたデータに基づいてキャパシタンスC’を別途計算すればよい。もちろん抵抗、リアクタンス、コンダクタンス、サセプタンスといった各成分を独立に出力することができたり、複素コンダクタンスや複素キャパシタンスを出力できたりすれば好ましく、キャパシタンスC’を直接出力できればなお好ましい。また、電源と一体化され、所望のプロファイルを一度に計測できるものであれば、特に好ましい。
(B) Measuring means The measuring means is a so-called general LCR meter, as long as it can measure impedance and admittance. In this case, the capacitance C ′ may be separately calculated based on the output data. Of course, it is preferable if each component such as resistance, reactance, conductance, and susceptance can be output independently, or if complex conductance or complex capacitance can be output, and more preferable if capacitance C ′ can be directly output. Moreover, it is particularly preferable if it is integrated with a power source and can measure a desired profile at a time.

(C)気体脱離手段
気体脱離手段は、気体検知素子の導電率を変動させる気体を、気体検知素子から除去させるためのものである。本実施形態に係る気体計測システムでは、ガスセンサーの基板を兼ねるセラミックヒーターが気体脱離手段に相当する。図2に示されるセラミックヒーター0201には、ヒーター線0201a、0201bが図示しないヒーター電源に接続されている。このヒーター電源を操作してセラミックヒーター0201を加熱すると、この熱によって気体検知素子0204が加熱され、その結果、気体検知素子0204に吸着している気体が脱離する。
(C) Gas desorption means The gas desorption means is for removing the gas that changes the conductivity of the gas detection element from the gas detection element. In the gas measurement system according to the present embodiment, the ceramic heater that also serves as the substrate of the gas sensor corresponds to the gas desorption means. In the ceramic heater 0201 shown in FIG. 2, heater wires 0201a and 0201b are connected to a heater power source (not shown). When the heater power source is operated to heat the ceramic heater 0201, the gas detection element 0204 is heated by this heat, and as a result, the gas adsorbed on the gas detection element 0204 is desorbed.

このように、最も簡単な気体除去方法は加熱であり、本実施形態ではその一手段としてセラミックヒーターが用いられている。したがって、気体脱離手段としての機能を果たすことができるのであれば、カーボンヒーターでも金属系の抵抗加熱体であってもかまわない。また、気体を除去できるのであれば、赤外線ランプでもよいし、レーザーでもよいし、あるいは電子などの高エネルギー粒子を気体検知素子0204に衝突させる手段であってもよい。   Thus, the simplest gas removal method is heating, and a ceramic heater is used as one means in this embodiment. Therefore, a carbon heater or a metal resistance heating body may be used as long as it can function as a gas desorption means. As long as the gas can be removed, an infrared lamp, a laser, or a means for causing high energy particles such as electrons to collide with the gas detection element 0204 may be used.

このほか、ガスセンサーの周囲における脱離させるべき気体の分圧を低下させることによって気体の脱離を行ってもよい。この場合には、ロータリーポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポンプ、ディフュージョンポンプ、サブリメーションポンプなどの排気手段、高純度窒素やアルゴンなどの不活性ガスを供給するガスボンベ、レギュレーターなどからなる給気手段が気体脱離手段となる。   In addition, gas desorption may be performed by reducing the partial pressure of the gas to be desorbed around the gas sensor. In this case, exhaust means such as rotary pumps, cryopumps, turbo molecular pumps, diffusion pumps, sublimation pumps, gas cylinders supplying inert gases such as high purity nitrogen and argon, and air supply means consisting of regulators are gases. Desorption means.

次に、気体脱離手段を用いたスタートアッププロセスおよび再生プロセスについて説明する。   Next, a start-up process and a regeneration process using a gas desorption means will be described.

a) スタートアッププロセス
本実施形態に係る気体計測システムは、計測対象となる気体(以下、「活性物質」ともいう。)がほとんど吸着していない状態で計測を開始し、ごく微量、サブppmからppb、場合によってはpptレベルの気体の検出を行うことをも目的としている。したがって、計測開始前に、スタートアップとして気体検知素子から活性物質を脱離させ、必要であれば不活性物質を吸着させるプロセスを実行することが好ましい。これは、具体的には、気体脱離手段を動作させて、真空環境または高純度窒素などの不活性気体雰囲気への暴露および/または加熱を実施すればよい。
a) Start-up process The gas measurement system according to the present embodiment starts measurement in a state in which the gas to be measured (hereinafter also referred to as “active substance”) is hardly adsorbed, and from a very small amount, sub ppm to ppb In some cases, it is also intended to detect gas at the ppt level. Therefore, before starting the measurement, it is preferable to execute a process of desorbing the active substance from the gas detection element as a start-up and adsorbing the inert substance if necessary. Specifically, the gas desorption means may be operated to perform exposure to a vacuum environment or an inert gas atmosphere such as high-purity nitrogen and / or heating.

なお、使用前は気体検知素子をカバー層や電極によって覆って外気と遮断された状態としておき、使用するときにこのカバー層などを破断したり除去したりするなどして測定環境に気体検知素子を露出させるようにしてもよい。この場合には、気体脱離手段を用いることなく、気体検知素子を測定環境に露出させることがスタートアッププロセスとなる。   Before use, the gas detection element is covered with a cover layer or electrode so that it is isolated from the outside air, and when used, the cover layer is broken or removed, etc. May be exposed. In this case, the start-up process is to expose the gas detection element to the measurement environment without using the gas desorption means.

b) 再生プロセス
本実施形態に係る気体検知素子において、活性物質はC60フラーレンと直接的または間接的に電子を授受することで気体検知素子の導電率を変化させる。しかしながら、活性物質がフラーレン材料と強固な化学結合をなすほどの相互作用をしなくても気体検知素子の導電率の変化は発生するため、気体検知素子の導電率変動に影響する物質間相互作用のほとんどが可逆プロセスである。
b) Regeneration Process In the gas detection element according to the present embodiment, the active substance exchanges electrons directly or indirectly with C 60 fullerene to change the conductivity of the gas detection element. However, even if the active substance does not interact enough to form a strong chemical bond with the fullerene material, the change in the conductivity of the gas sensing element occurs, so the interaction between substances that affects the variation in the conductivity of the gas sensing element Most of them are reversible processes.

したがって、活性物質の吸着によって低下した気体検知素子の導電率は、上記のスタートアッププロセスと同様に、気体脱離手段を動作させて真空環境または高純度窒素などの不活性気体雰囲気への暴露および/または加熱を行うことによって、再び高いレベルに戻すことが可能である。そして、この再生プロセスを行うことによって、繰り返しの使用が実現される。   Therefore, the conductivity of the gas sensing element, which has been reduced by the adsorption of the active substance, is similar to that in the start-up process described above, by operating the gas desorption means and exposing it to a vacuum environment or an inert gas atmosphere such as high purity nitrogen Or it is possible to return to a high level again by heating. Repeated use is realized by performing this regeneration process.

(D)測温手段
本実施形態に係る気体検知素子は、温度の変化によっても導電率が変動するため、気体検知素子の温度を計測する測温手段を有していることが好ましい。その測温手段は、熱電対など公知の手段を用いることでもよいが、本実施形態に係るガスセンサーと同じ構造を有しつつ、さらに気体検知素子が気体を吸着しないように封止されたものを用いて、この測温手段からのデータをリファレンスデータとすれば、ガスセンサーにおける温度による影響を正確に除去することが実現され、好ましい。
(D) Temperature measuring means The gas detecting element according to the present embodiment preferably has a temperature measuring means for measuring the temperature of the gas detecting element because the conductivity fluctuates even when the temperature changes. The temperature measuring means may be a known means such as a thermocouple, but has the same structure as the gas sensor according to the present embodiment and is further sealed so that the gas detection element does not adsorb gas. If the data from this temperature measuring means is used as reference data, it is preferable to accurately remove the influence of the temperature in the gas sensor.

(5)ガスセンサーの製造方法
次に、本実施形態に係るガスセンサーの製造方法について説明する。
基本的には、基板を兼用するセラミックヒーター上に金、アルミニウム、C60フラーレンおよびアルミニウムを適当なマスクを介して順次積層させればよい。各層を形成した後に、酸素を含む雰囲気、例えば大気中に1時間程度曝すことで、アルミニウム層のC60フラーレン蒸着膜との界面に酸化膜を形成する。このように自然酸化膜を形成することが工程的に最も簡便であるが、必要であれば、セラミックヒーター兼用の基板とC60フラーレン蒸着膜との間のアルミニウム層(図2における203)については、C60フラーレンの蒸着を行う前にその表面を積極的に酸化させてもよい。
(5) Gas Sensor Manufacturing Method Next, a gas sensor manufacturing method according to the present embodiment will be described.
Basically, gold, aluminum, C 60 fullerene, and aluminum may be sequentially laminated on a ceramic heater that also serves as a substrate through an appropriate mask. After forming the layers, an atmosphere containing oxygen, by exposing approximately 1 hour, for example, in the atmosphere to form an oxide film at the interface between C 60 fullerene deposited film of aluminum layer. It is the most convenient process manner to form such a natural oxide film, if necessary, an aluminum layer between the substrate and the C 60 fullerene deposited film of a ceramic heater also serves for (203 in FIG. 2) is it may be actively oxidize the surface before performing the deposition of C 60 fullerene.

(6)検知対象気体
本実施形態に係るガスセンサーは、気体検知素子を構成するC60フラーレンと直接的または間接的に電子を授受し、結果的にその吸着によって気体検知素子の導電率を変化させうる物質であれば測定対象とすることができる。具体的には、酸素および水分が典型的であり、このほか、水素、エタノールなどアルコール類、ホルムアルデヒドなどアルデヒド類、アセトンなどケトン類、アンモニア、メチルアミンなどの含窒素化合物、ベンゼンなどの芳香族化合物、NO、SOなど酸性物質、HCl、塩素ガスなどハロゲン含有物質が例示される。
(6) Gas sensor according to the detection target gas present embodiment, transfer of C 60 fullerene and directly or indirectly electrons constituting the gas detection device, resulting in the adsorption change the conductivity of the gas detection element by Any substance can be used as a measurement target. Specifically, oxygen and moisture are typical. In addition, alcohols such as hydrogen and ethanol, aldehydes such as formaldehyde, ketones such as acetone, nitrogen-containing compounds such as ammonia and methylamine, and aromatic compounds such as benzene Examples include acidic substances such as NO x and SO x , and halogen-containing substances such as HCl and chlorine gas.

この検知対象気体は、気体検知素子を構成する材料によって変化させることが可能であり、その感度も制御可能である。例えば、C60フラーレンからなる気体検知素子では比較的低感度である場合には、化学修飾させたフラーレン、内包フラーレン、ヘテロフラーレンなど、検出対象気体と化学的な相互作用をしやすい構造を有したものを、気体検知素子を構成する材料の一部または全部とすることで、高感度での検出が実現される。 This detection target gas can be changed by the material constituting the gas detection element, and its sensitivity can also be controlled. For example, if the gas detection device comprising a C 60 fullerene is a relatively low sensitivity had fullerene is chemically modified, endohedral and hetero fullerenes, the structure easily and chemical interaction with the detection target gas By making the material part or all of the material constituting the gas detection element, detection with high sensitivity is realized.

(7)用途
本実施形態に係るガスセンサーは、高感度でありながら、従来の例えば質量分析器を用いた方式のセンサーに比べてそのサイズを小さくすることが可能である。したがって、このガスセンサーを備える気体計測システムは、半導体製造プロセス用途や燃料電池など多様な用途に適用可能である。これらの用途の一例として、半導体製造プロセス用途について以下に説明する。
(7) Applications The gas sensor according to the present embodiment can be made smaller in size than a conventional sensor using a mass analyzer, for example, while having high sensitivity. Therefore, the gas measurement system including the gas sensor can be applied to various uses such as semiconductor manufacturing process use and fuel cell. As an example of these applications, a semiconductor manufacturing process application will be described below.

半導体製造プロセスにおけるガスコンタミネーション濃度低下への要求は特に厳しく、例えば窒素ガス中の酸素や水分の混入濃度は現在でも5ppb未満であり、2010年には1ppb未満とすることが求められている。このような極微量の気体状活性物質の分析手段として、現在は大気圧質量分析器による分析が一般的に行われているが、装置が大掛かりであるため個別配管の計測を行うような用途には適用できず、プロセスチャンバーのみの計測が行われている。しかしながら、pptレベルでの管理が求められるようになると、プロセスチャンバーのみでの計測ではひとたびコンタミネーションが発生した場合の品質回復に要する時間が長くなり、リードタイムの管理が困難となる。そこで、個別配管に高感度のガスセンサーを設け、プロセスチャンバーへのコンタミネーションを未然に防ぐことが必要とされてきており、そのためにも超小型・高感度のガスセンサーの開発が強く求められている。   The demand for reducing the gas contamination concentration in the semiconductor manufacturing process is particularly severe. For example, the concentration of oxygen and moisture in nitrogen gas is still less than 5 ppb, and in 2010, it is required to be less than 1 ppb. At present, analysis by an atmospheric pressure mass spectrometer is generally performed as an analysis method for such a trace amount of gaseous active substance, but since the apparatus is large, it is suitable for applications such as measuring individual pipes. Is not applicable and only the process chamber is being measured. However, when management at the ppt level is required, the time required for quality recovery when contamination occurs once becomes long in measurement using only the process chamber, and management of the lead time becomes difficult. Therefore, it is necessary to install a highly sensitive gas sensor in the individual piping to prevent contamination to the process chamber. For this reason, the development of an ultra-small and highly sensitive gas sensor is strongly demanded. Yes.

本実施形態に係るガスセンサーは小型でかつ高感度なセンサーであり、原理的にはppbオーダーはもちろん、pptレベルでの計測も可能である。したがって、本発明に係るガスセンサーを半導体製造装置におけるガス配管系の個別配管の各々に設置することで、上記のようなコンタミネーション管理の厳しい要請に応えることが可能である。   The gas sensor according to the present embodiment is a small and highly sensitive sensor, and in principle it is possible to measure at the ppt level as well as the ppb order. Therefore, by installing the gas sensor according to the present invention in each of the individual pipes of the gas piping system in the semiconductor manufacturing apparatus, it is possible to meet the strict requirement for contamination management as described above.

(8)第一の実施形態に係るガスセンサーの変形例
(A)自然酸化膜以外の静電容量部
本実施形態では、気体検知素子に直接形成させた金属層の気体検知素子との界面に自発的に形成される自然酸化膜を静電容量部の一部として用いたが、前述のように、自然酸化膜ではなく、積極的に酸化させた酸化膜でもよい。また、酸化ではなく、窒化させたり炭化させたりすることで金属表面を改質して、金属表面に誘電性を有する改質層(以下自然酸化膜も含めて「誘電性改質層」という。)を形成させてもよい。
(8) Modification of gas sensor according to first embodiment (A) Capacitance portion other than natural oxide film In the present embodiment, at the interface with the gas detection element of the metal layer directly formed on the gas detection element Although the spontaneously formed natural oxide film is used as a part of the capacitance portion, as described above, not the natural oxide film but an actively oxidized oxide film may be used. Further, the metal surface is modified by nitriding or carbonizing instead of oxidation, and a modified layer having dielectric properties on the metal surface (hereinafter referred to as “dielectrically modified layer” including a natural oxide film). ) May be formed.

あるいは、金属層は例えば金のような実質的に自然酸化膜を形成しない材料(以下、この材料からなる層を「不活性金属層」という。)で構成し、誘電性改質層を形成させることなく、静電容量部を構成する部材を別途設けてもよい。その方法には大きく分けて気体検知素子と一体で形成する場合と気体検知素子とは別体で形成する場合とがある。   Alternatively, the metal layer is made of a material that does not substantially form a natural oxide film such as gold (hereinafter, a layer made of this material is referred to as an “inactive metal layer”), and a dielectric modification layer is formed. Alternatively, a member constituting the electrostatic capacity portion may be provided separately. The method is roughly divided into a case where it is formed integrally with the gas detection element and a case where it is formed separately from the gas detection element.

a)誘電性付加層の一体形成
静電容量部を気体検知素子と一体で形成する場合には、ガスセンサーとして小型の構成を維持できる利点がある。この場合には、図7(a)に示されるように、自然酸化膜の場合と同様に、気体検知素子0701と金属層、すなわち不活性金属層0704、0705との間に誘電性を有する層(以下「誘電性付加層」という。)0702、0703を備える構成と、図7(b)に示されるように、気体検知素子0706の電気的端部に不活性金属層0707、0708が直接形成され、その上に誘電性付加層0709、0710を備える構成とがある。前者の構成では、不活性金属層0704、0705がガスセンサーの構成要素における「電極」に相当するが、後者の構成では、不活性金属層は、「気体検知素子」と「静電容量部」とを電気的に接続する部材に相当することとなり、誘電性付加層0709、0710の電気的端部にさらに電極0711、0712を形成する必要がある。
a) Integrated formation of dielectric additional layer When the electrostatic capacitance part is formed integrally with the gas detection element, there is an advantage that a small configuration can be maintained as a gas sensor. In this case, as shown in FIG. 7A, as in the case of the natural oxide film, a dielectric layer is provided between the gas detection element 0701 and the metal layer, that is, the inert metal layers 0704 and 0705. (Hereinafter referred to as “dielectric additional layer”) Inert metal layers 0707 and 0708 are directly formed on the electrical end of the gas sensing element 0706 as shown in FIG. And dielectric additional layers 0709 and 0710 thereon. In the former configuration, the inert metal layers 0704 and 0705 correspond to “electrodes” in the constituent elements of the gas sensor. In the latter configuration, the inert metal layer includes “gas detection element” and “capacitance portion”. Therefore, it is necessary to further form electrodes 0711 and 0712 at the electrical ends of the dielectric addition layers 0709 and 0710.

誘電性付加層を形成する材料は、典型的にはSiOなどの絶縁材料であり、静電容量部のキャパシタンスは高ければ高いほど検出感度を高めることが可能であるから、例えばHfO系材料やBaO-R-TiO系材料のような高誘電率材料を用いることが好ましい。また、気体検出素子への電荷注入防止層としても機能することが好ましいため、トンネリング現象が発生しないように1nm以上の厚みを有していることが好ましい。 The material forming the dielectric additional layer is typically an insulating material such as SiO 2, and the higher the capacitance of the electrostatic capacity portion, the higher the detection sensitivity. For example, an HfO 2 -based material It is preferable to use a high dielectric constant material such as BaO—R 2 O 3 —TiO 2 based material. Moreover, since it preferably functions as a charge injection preventing layer for the gas detection element, it preferably has a thickness of 1 nm or more so as not to cause a tunneling phenomenon.

なお、気体検知素子上に不活性金属層を直接形成する場合には、この層を構成する金などの金属が気体検知素子内に拡散し、気体検知素子に印加される電場が不均一になったり、最悪の場合には短絡を生じたりする。したがって、気体検知素子と不活性金属層との間に誘電性付加層を形成する構成のほうがこのような事態が発生する可能性が低いので、好ましい。   When an inert metal layer is directly formed on the gas detection element, a metal such as gold constituting this layer diffuses into the gas detection element, and the electric field applied to the gas detection element becomes non-uniform. Or in the worst case, a short circuit occurs. Therefore, the configuration in which the dielectric additional layer is formed between the gas detection element and the inert metal layer is preferable because such a situation is unlikely to occur.

b)外部コンデンサの接続
静電容量部を気体検知素子と別体で形成する場合には、図8に示されるように、気体検知素子0801の両方の電気的端部に不活性金属層0802,0803が設けられ、これにコンデンサ0804が直列に接続された構成を基本構成とする。このとき、ガスセンサーはこれらの全体0805をいい、コンデンサが接続されない側の不活性金属層0803およびコンデンサ0804の気体検知素子に対向しない側の電極が、ガスセンサーの「電極」に相当することとなる。この構成においては、静電容量部をなすコンデンサ0804は、気体検知素子0801の大きさに制限されないため、静電容量部の設計自由度が高くなる利点がある。例えば、気体の有無を検出する用途であればキャパシタンスが小さいコンデンサを接続して小型化や低コスト化を追求し、高度な定量測定能力が求められる場合にはキャパシタンスが大きいコンデンサを接続してダイナミックレンジを広げればよい。
b) Connection of external capacitor When the capacitance part is formed separately from the gas detection element, as shown in FIG. 8, the inert metal layer 0802 is formed on both electrical ends of the gas detection element 0801. A basic configuration is a configuration in which 0803 is provided and a capacitor 0804 is connected in series thereto. At this time, the gas sensor refers to the whole 0805, and the inert metal layer 0803 on the side to which the capacitor is not connected and the electrode on the side not facing the gas detection element of the capacitor 0804 correspond to the “electrode” of the gas sensor. Become. In this configuration, the capacitor 0804 that forms the electrostatic capacity portion is not limited to the size of the gas detection element 0801, and thus there is an advantage that the degree of freedom in designing the electrostatic capacity portion is increased. For example, in applications where the presence or absence of gas is detected, a capacitor with a small capacitance is connected to pursue downsizing and cost reduction, and when high quantitative measurement capability is required, a capacitor with a large capacitance is connected to Just widen the range.

また、自然酸化膜を静電容量部とする場合には製造工程において酸化膜の厚さを制御する必要があるが、この構成の場合には、市販のコンデンサを用いることが可能であるから、この工程管理項目を減らすことが可能となる。   In addition, when the natural oxide film is used as the electrostatic capacity portion, it is necessary to control the thickness of the oxide film in the manufacturing process, but in this configuration, a commercially available capacitor can be used. This process management item can be reduced.

(B)一体形成と別体形成との組み合わせ
上記の二者の組み合わせとして、気体検知素子と一体化するように形成させた誘電性を有する層に加えて、別体のコンデンサを直列に接続してもよい。このとき、誘電性を有する層は、誘電性改質層でも誘電性付加層でもよい。図9には、その一例として、気体検知素子0901の両方の電気的端部に誘電性付加層0902,0903が形成され、さらにその両端に不活性金属層0904,0905が形成されてなる電気素子に対してコンデンサ0906が直列に接続された構成を有するガスセンサーを示した。
(B) Combination of integrated formation and separate formation As a combination of the above two, in addition to the dielectric layer formed so as to be integrated with the gas sensing element, separate capacitors are connected in series. May be. At this time, the dielectric layer may be a dielectric modified layer or a dielectric additional layer. In FIG. 9, as an example, an electric element in which dielectric addition layers 0902 and 0903 are formed at both electrical ends of the gas detection element 0901 and an inert metal layer 0904 and 0905 are formed at both ends thereof. A gas sensor having a configuration in which a capacitor 0906 is connected in series is shown.

この構成は、図8に示される構成に比べて、気体検知素子に電荷注入される可能性が低く、より安定した計測が期待される。ただし、この場合には、静電容量部全体のキャパシタンスは、誘電性付加層のキャパシタンスとコンデンサのキャパシタンスとの小さい方の影響をより強く受けるため、これらの差が大きすぎるとキャパシタンスが大きい部材を設けた意味が実質的になくなってしまう。したがって、双方のキャパシタンスの比率を0.1〜10倍程度として、別体のコンデンサは調整用に使用することが好ましい。例えば、ガスセンサーが形成されている基板上の別の領域に形成された金属膜−絶縁膜−金属膜の積層体を外部コンデンサとして、レーザーなどの手段を用いてその形状、特には積層体を構成する膜の面積を変更することでそのキャパシタンスを調整可能な構成としておけばよい。そして、一体化させた部材のキャパシタンスが設計よりも若干異なる場合には、その別体のコンデンサの形状を変化させて、例えば膜の一部をトリミングして、静電容量部全体のキャパシタンスが所定の範囲になるようにすればよい。   Compared to the configuration shown in FIG. 8, this configuration is less likely to inject charges into the gas detection element, and more stable measurement is expected. However, in this case, the capacitance of the entire capacitance portion is more strongly affected by the smaller one of the capacitance of the dielectric additional layer and the capacitance of the capacitor. The meaning provided is virtually lost. Therefore, it is preferable to use a separate capacitor for adjustment by setting the ratio of both capacitances to about 0.1 to 10 times. For example, a laminate of a metal film-insulating film-metal film formed in another region on the substrate where the gas sensor is formed is used as an external capacitor, and its shape, in particular, the laminate is formed using means such as a laser. What is necessary is just to set it as the structure which can adjust the capacitance by changing the area of the film | membrane to comprise. When the capacitance of the integrated member is slightly different from the design, the shape of the separate capacitor is changed, for example, a part of the film is trimmed, and the capacitance of the entire capacitance portion is predetermined. Should be in the range.

また、別体のコンデンサがキャパシタンスを可逆的に調整可能な構成であれば、一体化させたコンデンサのキャパシタンスを製造段階で調整することが不要となり、測定を行うときに静電容量部全体のキャパシタンスが所定の値になるように調整すればよい。このような構成は、定量性が厳しく求められる用途などに好適である。   In addition, if a separate capacitor is capable of reversibly adjusting the capacitance, it is not necessary to adjust the capacitance of the integrated capacitor at the manufacturing stage. May be adjusted to a predetermined value. Such a configuration is suitable for applications where quantitativeness is strictly required.

(C)他のセンサー構造
本実施形態に係るガスセンサーは、気体検知素子の二つの電気的端部をなす面の法線方向、つまり気体検知素子の主たる電界方向が、気体検知素子の基板に対する積層方向とほぼ一致する構造(積層型構造、サンドイッチ構造)であったが、この構造以外の構造であってもよい。
(C) Other sensor structures In the gas sensor according to the present embodiment, the normal direction of the surface forming the two electrical ends of the gas detection element, that is, the main electric field direction of the gas detection element is relative to the substrate of the gas detection element. Although the structure substantially coincides with the stacking direction (stacked structure, sandwich structure), a structure other than this structure may be used.

例えば、上記の電界方向が、上記の積層方向とほぼ直交していてもよい。この場合の構造の一例を説明すると、基板上に二つの櫛型電極を、互いの電極の櫛歯部分が所定の間隔を有しながらかみ合うように形成し、その電極の表面に誘電性改質層または誘電性付加層を形成する。さらに、その櫛歯部分の離間部分をなす基板上および双方の櫛歯部における上記の離間部分に向いた端面を覆うように気体検知素子をなす部材を積層させる。そうすると、上記の櫛歯部分の端面に形成された誘電性改質層または誘電性付加層を静電容量部とし、電界方向が積層方向に直行する構造のガスセンサーとなる。   For example, the electric field direction may be substantially orthogonal to the stacking direction. An example of the structure in this case will be described. Two comb-shaped electrodes are formed on a substrate so that the comb-tooth portions of the electrodes are engaged with each other with a predetermined distance, and the surface of the electrode is subjected to dielectric modification. Forming a layer or a dielectric additive layer; Furthermore, the member which makes a gas detection element is laminated | stacked so that the end surface facing the said separation part in the comb-tooth part on the board | substrate which makes the separation part of the comb-tooth part may be covered. If it does so, it will become a gas sensor of the structure where the dielectric modification layer or dielectric addition layer formed in the end face of the above-mentioned comb tooth part serves as an electrostatic capacity part, and the electric field direction goes straight to the lamination direction.

この構造は、気体検知素子における気体が吸着すべき領域、つまり静電容量部に挟まれた気体検知素子部分が露出する構造なので、気体吸着が速やかに行われ、応答性のよい計測が実現される利点がある。   Since this structure exposes the gas detection element area in the gas detection element, that is, the gas detection element portion sandwiched between the capacitance parts, gas adsorption is performed quickly and responsive measurement is realized. There are advantages.

(D)他の計測方法
本実施形態では、ガスセンサーの複素キャパシタンスを計測することとしたが、他の電気的応答に着目して計測をしてもよい。例えば、上記式(3)に示したコンダクタンスを計測してもよい。図10は、図3に示される等価回路のシミュレーションにより得られたコンダクタンスの印加交流周波数依存性プロファイル(以下、「コンダクタンスプロファイル」という。)を示すグラフであるであり、気体検知素子の抵抗成分Rの変動によってプロファイルが変動する様子を示したものである。この図から、1MHz程度の高周波ではRの変動をコンダクタンスの変化として読み取ることができるほか、100Hz以下の低周波帯では所定のコンダクタンスを示す周波数を追尾することでRの変動を計測することが可能であることがわかる。さらに、プロファイルの微分データにおける極小値をなす周波数をトレースすることでもRの変動を計測可能である。
(D) Other Measurement Method In this embodiment, the complex capacitance of the gas sensor is measured. However, the measurement may be performed paying attention to another electrical response. For example, the conductance shown in the above equation (3) may be measured. FIG. 10 is a graph showing an applied AC frequency dependence profile (hereinafter referred to as “conductance profile”) of conductance obtained by simulation of the equivalent circuit shown in FIG. 3, and the resistance component R of the gas detection element. It shows how the profile fluctuates due to fluctuations. From this figure, the fluctuation of R can be read as a change in conductance at a high frequency of about 1 MHz, and the fluctuation of R can be measured by tracking a frequency indicating a predetermined conductance in a low frequency band of 100 Hz or less. It can be seen that it is. Further, it is possible to measure the variation of R by tracing the frequency forming the minimum value in the differential data of the profile.

4.第二の実施形態
続いて、本発明の第二の実施形態に係る気体計測システムについて説明する。
(1)構成
本発明の第二の実施形態に係る気体計測システムの基本構成は、図1に示される第一の実施形態に係る気体計測システムの構成と同一である。すなわち、第二の実施形態に係る気体計測システムも、ガスセンサーと、複数の周波数の交流電圧を発生可能な電源と、そのガスセンサーからの電気的応答を計測する計測手段と、ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段とを備える。ガスセンサー以外の構成要素は第一の実施形態と同じである。
4). Second Embodiment Subsequently, a gas measurement system according to a second embodiment of the present invention will be described.
(1) Configuration The basic configuration of the gas measurement system according to the second embodiment of the present invention is the same as the configuration of the gas measurement system according to the first embodiment shown in FIG. That is, the gas measurement system according to the second embodiment is also adsorbed to the gas sensor, a power source capable of generating an alternating voltage of a plurality of frequencies, a measurement unit that measures an electrical response from the gas sensor, and the gas sensor. Gas desorption means for desorbing the generated gas. The components other than the gas sensor are the same as those in the first embodiment.

(2)ガスセンサー
本実施形態に係るガスセンサーは、誘電性半導体を有し、この誘電性半導体に起因する特性として吸着する気体の状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、この気体検知素子に電気的に接続された一対の電極とを備える。誘電性半導体に求められる特性は第一の実施形態に係るガスセンサーの場合と同じである。本実施形態においても、気体検知素子はC60フラーレンの蒸着膜からなるが、他の部材からなる気体検知素子を用いてもよい。
(2) Gas sensor The gas sensor according to the present embodiment has a dielectric semiconductor, and a gas detection element whose conductivity changes according to the state of gas adsorbed as a characteristic attributed to the dielectric semiconductor, and the gas A pair of electrodes electrically connected to the sensing element. The characteristics required for the dielectric semiconductor are the same as those of the gas sensor according to the first embodiment. Also in this embodiment, the gas detection device consists of a deposited film of C 60 fullerene, it may be used gas detection device consisting of another member.

本実施形態に係るガスセンサーの具体的構成は、図2におけるアルミニウム層が、不活性金属層である金層に置き換わった構成である。このため、酸化膜など静電容量部をなす要素は本実施形態に係るガスセンサーには含まれない。つまり、本実施形態にガスセンサーでは、この一対の不活性金属層を電極と、これに挟まれた気体検知素子とからなる。   The specific configuration of the gas sensor according to the present embodiment is a configuration in which the aluminum layer in FIG. 2 is replaced with a gold layer that is an inert metal layer. For this reason, the element which comprises an electrostatic capacitance part, such as an oxide film, is not contained in the gas sensor which concerns on this embodiment. That is, the gas sensor according to the present embodiment includes the pair of inert metal layers as electrodes and a gas detection element sandwiched between the electrodes.

(3)気体検知原理
上記の構成を有する本実施形態に係るガスセンサーは、等価回路として表すと、図11のようになる。ここで、CおよびRはそれぞれ気体検知素子の静電容量および抵抗であり、Rは電極をなす不活性金属層の抵抗である。
(3) Gas Detection Principle The gas sensor according to the present embodiment having the above configuration is as shown in FIG. 11 when expressed as an equivalent circuit. Here, C and R are the capacitance and resistance of the gas sensing element, respectively, and Rb is the resistance of the inert metal layer forming the electrode.

本実施形態に係る気体計測システムでは、図11に示される等価回路を有するガスセンサーに交流電圧を印加し、その電気的応答を測定することで気体検知素子への気体の吸着状態を計測する。交流電圧にて測定することで、誘電性を有する気体検知素子へのチャージアップが防止される。このため、ドリフトなど計測精度を低下させる現象が抑制され、高精度での測定が実現される。   In the gas measurement system according to the present embodiment, an AC voltage is applied to the gas sensor having the equivalent circuit shown in FIG. 11, and the electrical response is measured to measure the gas adsorption state on the gas detection element. By measuring with an alternating voltage, the charge-up to the gas detection element which has dielectric property is prevented. For this reason, the phenomenon of reducing measurement accuracy such as drift is suppressed, and measurement with high accuracy is realized.

以下、典型例として、コンダクタンスを計測した場合について説明する。まず、この回路についてアドミタンスYを求めると、 Hereinafter, a case where conductance is measured will be described as a typical example. First, the admittance Y * for this circuit is

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。ここで、Rは、不活性金属層の金属材質や成膜方法などにより若干変化するものの、その厚みは通常0.1μm以下であるから、あきらかにR>>Rである。したがって、 It becomes. Here, although Rb slightly changes depending on the metal material of the inert metal layer, the film forming method, and the like, since the thickness is usually 0.1 μm or less, it is clearly R >> Rb . Therefore,

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。
こうして求めたアドミタンスYのうち、実部すなわちコンダクタンス成分Gを取り出すと、
It becomes.
Of the admittance Y * thus obtained, the real part, that is, the conductance component G, is extracted.

Figure 0004530034
Figure 0004530034

となる。したがって、コンダクタンスGの交流電圧の周波数依存性を測定すると、低周波領域では(1/R)となり、コンダクタンスGは気体検知素子の導電率を直接的に示し、高周波数領域では、図12に示されるように増加する傾向を示す。なお、図12は、図11に示される等価回路に基づいて算出したコンダクタンスプロファイルのシミュレーション結果である。 It becomes. Therefore, when the frequency dependence of the AC voltage of the conductance G is measured, it becomes (1 / R) in the low frequency region, and the conductance G directly indicates the conductivity of the gas detection element, and in the high frequency region, it is shown in FIG. Show a tendency to increase. FIG. 12 shows a simulation result of the conductance profile calculated based on the equivalent circuit shown in FIG.

したがって、本実施形態のガスセンサーについてコンダクタンスを測定すると、所定の周波数以下の周波数までは導電率が直接計測され、交流電圧印加によってチャージアップなどの影響が抑制されているため、直流電圧の印加に比べて安定した計測が可能である。   Therefore, when the conductance is measured for the gas sensor of the present embodiment, the conductivity is directly measured up to a frequency equal to or lower than a predetermined frequency, and the influence of charge-up and the like is suppressed by the application of the AC voltage. More stable measurement is possible.

また、コンダクタンスプロファイルにおいてコンダクタンスがほぼ一定値の状態から増加傾向となる周波数は気体検知素子の導電率に依存しているため、コンダクタンスプロファイルを経時的に計測し、その微分データにおける極大値を示す周波数をトレースすることによっても気体検知素子の導電率の変化を計測することが実現される。   In addition, since the frequency at which the conductance tends to increase from the almost constant value in the conductance profile depends on the conductivity of the gas sensing element, the conductance profile is measured over time, and the frequency indicating the maximum value in the differential data. It is also possible to measure the change in the conductivity of the gas detection element by tracing.

以下に実施例を用いてさらに本発明について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
1.実施例1
まず、実施例1−1〜1−4および比較例1−1を用いて、本発明に係るガスセンサーの基本動作について説明する。
EXAMPLES The present invention will be further described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
1. Example 1
First, the basic operation of the gas sensor according to the present invention will be described using Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Example 1-1.

(1)実施例1−1
ガラス基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度1011/cm以下(10ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の長方形(20mm×4mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。その厚みは100nm程度であった。
(1) Example 1-1
A glass substrate (30 mm × 30 mm, thickness 0.12 to 0.17 mm) was prepared and placed in a vacuum chamber having a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Pa and a residual oxygen concentration of 10 11 / cm 3 or less (10 ppb or less). . Then, a rectangular (20 mm × 4 mm) pattern for electrodes and a linear lead electrode pattern connected thereto were formed on the glass substrate by vapor deposition of Al. Its thickness was about 100 nm.

次に、C60フラーレン(フロンティアカーボン株式会社製、製品名Nanomパープル)が充填されたモリブデンボートを温度計測しつつ通電加熱し、500〜550℃の範囲に制御してC60フラーレンを昇華させ、上記の電極用Alパターン上に2μmの厚さでC60フラーレン膜を形成した。なお、C60フラーレンによるパターンは、その下のAlパターンが完全に覆われるような長方形のパターンとした。 Next, the molybdenum boat filled with C 60 fullerene (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., product name Nanom purple) is heated while energizing while measuring the temperature, and is controlled within a range of 500 to 550 ° C. to sublimate C 60 fullerene, A C 60 fullerene film having a thickness of 2 μm was formed on the electrode Al pattern. Incidentally, the pattern by the C 60 fullerene, and a rectangular pattern such as Al pattern thereunder is completely covered.

続いて、このC60フラーレン膜上に、先の電極用Alパターンと同一のパターンをAlの蒸着により形成した。その厚みは200nm程度であった。また、この電極の引き出し電極も下部電極の引き出し電極と重ならないようにAl蒸着により形成した。 Subsequently, the C 60 fullerene film, the tip of the electrode Al pattern and the same pattern was formed by evaporation of Al. Its thickness was about 200 nm. The lead electrode of this electrode was also formed by Al vapor deposition so as not to overlap with the lead electrode of the lower electrode.

こうして得られたガスセンサーをチャンバーから取り出して、大気中に2時間放置する大気暴露処理を行った後、計測用チャンバー内に設置した。この計測用チャンバーの真空度を10−5Pa、残留酸素濃度10/cm以下(0.1ppb以下)を維持し、酸素濃度を10/cm以下(0.1ppb以下)とした高純度窒素(以降「純窒素」と略称する。)を全圧が1気圧になるまで導入した。そして、上記のようにして製造したガスセンサーの、ガラス基板の製膜領域をなす面と反対側の面に当接させたカーボンヒーターに通電して、ガスセンサーの表面温度が280±10℃になるように6時間加熱してガスセンサーのスタートアップ処理を行った。 The gas sensor thus obtained was taken out from the chamber and subjected to atmospheric exposure treatment in which it was left in the atmosphere for 2 hours, and then installed in the measurement chamber. The measurement chamber was maintained at a vacuum degree of 10 −5 Pa, a residual oxygen concentration of 10 9 / cm 3 or less (0.1 ppb or less), and an oxygen concentration of 10 9 / cm 3 or less (0.1 ppb or less). Pure nitrogen (hereinafter abbreviated as “pure nitrogen”) was introduced until the total pressure reached 1 atm. And it supplies with electricity to the carbon heater made to contact | abut the surface on the opposite side to the surface which forms the film-forming area | region of the glass substrate of the gas sensor manufactured as mentioned above, and the surface temperature of a gas sensor is set to 280 +/- 10 degreeC. The gas sensor was started up by heating for 6 hours.

280℃での6時間の加熱後、カーボンヒーターへの通電量を調整してガスセンサーの表面温度を250℃に設定し、続いて二箇所の引き出し電極にインピーダンスアナライザ(横河・ヒューレット・パッカード株式会社(現アジレント・テクノロジー株式会社)製 LF4192A型)からの端子を接続させた。   After heating at 280 ° C for 6 hours, the amount of current applied to the carbon heater is adjusted to set the surface temperature of the gas sensor to 250 ° C, and then an impedance analyzer (Yokogawa, Hewlett-Packard Co. Terminals from a company (currently Agilent Technologies LF4192A type) were connected.

ここで、真空チャンバーには、複数の気体を任意の割合で混入させることができる複数のガス経路を切り替え可能な気体導入機構と、質量分析器(株式会社日本エイピーアイ製 API−500)とが設けられており、この質量分析器は大気圧中でも任意の気体をppmオーダーで計測することが可能である。そこで、あらかじめ気体導入機構を調整して、純窒素を1L/minで導入する経路と、これに酸素が1ppm添加された全圧1atmの気体(以降「1ppm酸素含有窒素」と略称する。)を1L/minで導入する経路とを切り替え可能にしておいた。   Here, the vacuum chamber is provided with a gas introduction mechanism capable of switching a plurality of gas paths capable of mixing a plurality of gases at an arbitrary ratio, and a mass analyzer (API-500 manufactured by Japan API Corporation). Therefore, this mass analyzer can measure an arbitrary gas in the order of ppm even under atmospheric pressure. Therefore, a path for introducing pure nitrogen at 1 L / min by adjusting the gas introduction mechanism in advance and a gas having a total pressure of 1 atm in which 1 ppm of oxygen is added thereto (hereinafter abbreviated as “1 ppm oxygen-containing nitrogen”). The route to be introduced at 1 L / min can be switched.

引き出し電極への端子接続後、気体導入機構を動作させて、チャンバー内に純窒素を導入した。圧力が1atmになって安定状態になったことを確認してから引き出し電極に20mV、1MHzでの電圧印加を開始して1分単位でインピーダンスの計測を開始した。計測されたインピーダンスからガスセンサーの比誘電率を算出してその変化を経時的に記録した。   After connecting the terminal to the extraction electrode, the gas introduction mechanism was operated to introduce pure nitrogen into the chamber. After confirming that the pressure became 1 atm and a stable state was achieved, voltage application at 20 mV and 1 MHz was started on the extraction electrode, and impedance measurement was started in units of 1 minute. The relative permittivity of the gas sensor was calculated from the measured impedance, and the change was recorded over time.

計測開始後、所定のタイミングで気体導入機構のガス経路を切り替えて、チャンバー内に設置されたガスセンサーを1ppm酸素含有窒素に暴露させた。その結果、図13に示されるように、1ppm酸素含有窒素を導入した直後に比誘電率の急激な低下(40→30)が観測され、その後時間とともに低下率を減少させながらも比誘電率が減少することが確認された。   After the start of measurement, the gas path of the gas introduction mechanism was switched at a predetermined timing to expose the gas sensor installed in the chamber to 1 ppm oxygen-containing nitrogen. As a result, as shown in FIG. 13, a rapid decrease (40 → 30) in the relative permittivity was observed immediately after introducing 1 ppm oxygen-containing nitrogen, and thereafter the relative permittivity decreased while decreasing with time. It was confirmed that it decreased.

1ppm酸素含有窒素の導入から120分後、ガス経路を再び純酸素に切り替えると、22まで低下していた比誘電率の上昇が観測され、本実施例の試験温度である250℃では1時間で38程度まで、その後280℃まで上昇させると1時間で計測開始時の40まで比誘電率が回復することが確認された。   120 minutes after the introduction of 1 ppm oxygen-containing nitrogen, when the gas path was switched to pure oxygen again, an increase in the dielectric constant that had been reduced to 22 was observed, and in one hour at 250 ° C., the test temperature of this example. It was confirmed that when the temperature was raised to about 38 and then increased to 280 ° C., the relative dielectric constant recovered to 40 at the start of measurement in 1 hour.

(2)実施例1−2
実施例1−1と同様の製造方法で作製され、スタートアップ処理として同様の真空下での加熱処理が施されたガスセンサーをチャンバーに設置し、純窒素を1L/minで供給するガス経路で気体を導入して比誘電率の計測を開始した。その後、実施例1−1における酸素1ppmに代えて水分が10ppm添加された全圧1atmの気体(以降「10ppm水分含有窒素」と略称する。)を1L/minで供給するガス経路に切り替えると、図14に示されるように、実施例1−1の場合と同様に速やかな比誘電率の減少が観測された(145→127)。
(2) Example 1-2
A gas sensor manufactured by the same manufacturing method as in Example 1-1 and subjected to the same heat treatment under vacuum as a start-up process is installed in the chamber, and gas is supplied through a gas path for supplying pure nitrogen at 1 L / min. Was introduced and the measurement of relative permittivity was started. Then, instead of the oxygen 1 ppm in Example 1-1, when switching to a gas path for supplying a gas having a total pressure of 1 atm added with 10 ppm of water (hereinafter abbreviated as “10 ppm water-containing nitrogen”) at 1 L / min, As shown in FIG. 14, a rapid decrease in the dielectric constant was observed as in Example 1-1 (145 → 127).

その後も計測を継続すると、10ppm水分含有窒素の導入から15分で比誘電率の低下は飽和し、120でほぼ安定した。そこで、10ppm水分含有窒素の導入から25分後に純窒素の経路に切り替えると比誘電率は速やかに上昇し、純窒素の導入から20分後には10ppm水分含有窒素の導入前の比誘電率と同等のレベルに回復した。   When the measurement was continued thereafter, the decrease in the dielectric constant was saturated 15 minutes after the introduction of 10 ppm water-containing nitrogen, and almost stabilized at 120. Therefore, the dielectric constant increases rapidly when switching to the pure nitrogen path 25 minutes after the introduction of 10 ppm moisture-containing nitrogen, and is equivalent to the relative dielectric constant before the introduction of 10 ppm moisture nitrogen after 20 minutes from the introduction of pure nitrogen. Recovered to the level.

(3)実施例1−3
実施例1−2と同様の実験を、計測時のガスセンサーの表面温度を150℃にして行った。
(3) Example 1-3
An experiment similar to Example 1-2 was performed with the surface temperature of the gas sensor at the time of measurement being 150 ° C.

その結果を図15に示す。250℃の場合との効果を比較しやすいように、計測開始当初の比誘電率を100%とする規格化を行った。図15における実線が150℃の場合の結果であり、破線は250℃の結果を示している。図15に示されるように、速やかな比誘電率の減少および単位時間当たりの減少量の経時的な低下という大まかな傾向は実施例1−2の場合と同様であったが、比誘電率は計測開始時の92%程度で飽和し、しかも比誘電率の低下が飽和するまでの時間が2時間程度と長くなった。これは、250℃の場合に比べると、比誘電率の減少幅としては1/2、飽和までの時間としては8倍であった。   The result is shown in FIG. In order to easily compare the effect with the case of 250 ° C., normalization was performed by setting the relative dielectric constant at the beginning of measurement to 100%. The solid line in FIG. 15 is the result when the temperature is 150 ° C., and the broken line indicates the result when the temperature is 250 ° C. As shown in FIG. 15, the general tendency of a rapid decrease in the relative permittivity and a decrease in the amount of decrease per unit time with time was the same as in Example 1-2, but the relative permittivity is Saturation occurred at about 92% at the start of measurement, and the time until the decrease in relative permittivity became saturated was as long as about 2 hours. Compared to the case of 250 ° C., the decrease in relative permittivity was ½, and the time until saturation was 8 times.

また、10ppm水分含有窒素の導入から130分後に純窒素の経路に切り替えると比誘電率は実施例1−1に比べると緩やかに上昇し、純窒素の導入から100分経過した後でも計測開始時の比誘電率に対して93%程度までしか回復しなかった。しかしながら、温度を300℃まで上昇させると、1時間で当初の比誘電率まで回復した。   Further, when switching to the pure nitrogen path 130 minutes after the introduction of 10 ppm water-containing nitrogen, the relative dielectric constant gradually increased as compared to Example 1-1, and at the start of measurement even after 100 minutes had passed since the introduction of pure nitrogen. It recovered only to about 93% with respect to the relative dielectric constant. However, when the temperature was raised to 300 ° C., the original relative dielectric constant was recovered in 1 hour.

(4)実施例1−4
ガラス基板((30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm) を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度1011/cm以下(10ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の長方形(20mm×4mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。その厚みは100nm程度であった。
(4) Example 1-4
A glass substrate (30 mm × 30 mm, thickness 0.12 to 0.17 mm) is prepared and placed in a vacuum chamber having a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Pa and a residual oxygen concentration of 10 11 / cm 3 or less (10 ppb or less). A rectangular (20 mm × 4 mm) pattern for electrodes and a linear lead electrode pattern connected thereto were formed on the glass substrate by vapor deposition of Al, and the thickness was about 100 nm.

次に、Li内包C60含有フラーレン混合体(株式会社イデアルスター製、製品名001A、内包フラーレンの全混合体における重量比率:5%)が充填されたモリブデンボートを温度計測しつつ通電加熱し、550〜600℃の範囲に制御してLi内包C60含有フラーレン混合体を昇華させ、上記の電極用Alパターン上に2μmの厚さでLi内包C60を含有するフラーレン混合膜を形成した。なお、フラーレン混合体によるパターンは、その下のAlパターンが完全に覆われるような長方形のパターンとした。 Then, Li containing C 60 fullerene containing mixture (Ideal Star Inc., product name 001A, the weight ratio of the total mixture of endohedral: 5%) were electrically heated while the temperature measurement molybdenum boat filled, 550-600 sublime range control to the Li containing C 60 fullerene containing a mixture of ° C., to form a fullerene mixture containing Li containing C 60 in a thickness of 2μm on said electrode for Al pattern. In addition, the pattern by a fullerene mixture was made into the rectangular pattern that the Al pattern under it was covered completely.

続いて、C60フラーレン膜上に、先の電極用Alパターンと同一のパターンをAlの蒸着により形成した。このとき、下部電極の引き出し電極と重ならないようにしつつ同様の引き出し電極もAl蒸着により形成した。その厚みは200nm程度であった。 Subsequently, C on the 60 fullerene film, ahead of the same pattern as the electrode Al pattern was formed by evaporation of Al. At this time, a similar extraction electrode was also formed by Al vapor deposition so as not to overlap with the extraction electrode of the lower electrode. Its thickness was about 200 nm.

上記のようにして製造したガスセンサーに対して実施例1−1と同様の大気暴露処理およびスタートアップ処理を行い、ガスセンサーの表面温度を250℃とした後、純窒素を1L/minで導入して比誘電率の計測を開始した。   The gas sensor manufactured as described above was subjected to the same atmospheric exposure treatment and start-up treatment as in Example 1-1, and after the surface temperature of the gas sensor was set to 250 ° C., pure nitrogen was introduced at 1 L / min. Measurement of relative permittivity started.

測定環境が安定し、比誘電率が52程度で安定したことを確認した後、実施例1−1と同様に1ppm酸素含有窒素の1L/minでの導入を開始した。すると、図16の実線に示されるように、急激な比誘電率の減少が計測され、導入から5分で比誘電率は約30となり、その後、減少率は少なくなるものの、1ppm酸素含有窒素の導入開始から120分後には比誘電率は20となった。この挙動をC60のみで作成した気体検知素子によるガスセンサーの結果(図16破線)と比較すると、計測開始前の比誘電率が高くなるという点で異なるが、酸素吸着により比誘電率が20程度となる点では共通である。したがって、Li内包C60を添加することで酸素検出感度が向上することが確認された。 After confirming that the measurement environment was stable and the relative dielectric constant was stable at about 52, introduction of 1 ppm oxygen-containing nitrogen at 1 L / min was started as in Example 1-1. Then, as shown by the solid line in FIG. 16, a rapid decrease in the relative dielectric constant was measured, and after 5 minutes from the introduction, the relative dielectric constant became about 30, and then the decrease rate decreased, but the nitrogen content of 1 ppm oxygen was reduced. The dielectric constant became 20 120 minutes after the start of introduction. Comparing this behavior as C 60 only result of the gas sensor by the gas sensing device fabricated in (Figure 16 dashed lines), but differs in that the dielectric constant of the pre-measurement start is increased, the oxygen adsorption relative dielectric constant of 20 It is common in terms of degree. Therefore, it was confirmed that the improved oxygen detection sensitivity by the addition of Li containing C 60.

その後、ガス経路を切り替えて純窒素を導入すると、比誘電率はすぐに上昇を開始し、切り替えから1時間後には計測開始時における比誘電率とほぼ同じレベルにまで回復した。その後、カーボンヒーターへの通電量を増加してガスセンサー表面の温度を280℃としたところ、1時間後には計測開始時の比誘電率に回復した。   Thereafter, when pure nitrogen was introduced by switching the gas path, the relative dielectric constant immediately started to rise, and after 1 hour from the switching, the relative dielectric constant recovered to almost the same level as the relative dielectric constant at the start of measurement. Thereafter, when the amount of current supplied to the carbon heater was increased and the temperature of the gas sensor surface was set to 280 ° C., the relative dielectric constant at the start of measurement was restored after 1 hour.

(5)比較例1−1
ガラス基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度10/cm以下(0.1ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の二つの長方形(20mm×2mm)のパターンを電極間距離が2mmになるようにして形成するとともに、各電極に接続する線状の引き出し電極用パターンをAuの蒸着により形成した。製膜されたAu電極の厚みは100nm程度であった。
(5) Comparative Example 1-1
A glass substrate (30 mm × 30 mm, thickness 0.12 to 0.17 mm) is prepared and placed in a vacuum chamber having a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Pa and a residual oxygen concentration of 10 9 / cm 3 or less (0.1 ppb or less). installed. Then, two rectangular patterns (20 mm × 2 mm) for electrodes are formed on the glass substrate so that the distance between the electrodes is 2 mm, and a linear lead electrode pattern connected to each electrode is deposited by Au. Formed by. The thickness of the formed Au electrode was about 100 nm.

次に、C60フラーレン(フロンティアカーボン株式会社製、製品名Nanomパープル)が充填されたモリブデンボートを温度計測しつつ通電加熱し、500〜550℃の範囲に制御してC60フラーレンを昇華させ、上記の二つの電極用Auパターン上およびこれらの電極間領域上に2μmの厚さでC60フラーレン膜を形成した。 Next, the molybdenum boat filled with C 60 fullerene (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., product name Nanom purple) is heated while energizing while measuring the temperature, and is controlled within a range of 500 to 550 ° C. to sublimate C 60 fullerene, to form a C 60 fullerene film having a thickness of 2μm above on the two electrode Au pattern and their inter-electrode region.

引き続き、真空度を10−5Pa、残留酸素濃度10/cm以下(0.1ppb以下)を維持したチャンバーに、Tiゲッターポンプによって酸素濃度を10/cm以下(0.1ppb以下)とした高純度窒素(以降「純窒素」と略称する。)を全圧が1気圧になるまで導入した。そして、上記のようにして製造したガスセンサーの、ガラス基板の製膜領域をなす面と反対側の面に当接させたカーボンヒーターに通電して、ガスセンサーの表面温度が280±10℃になるように6時間加熱してガスセンサーのスタートアップ処理を行った。 Subsequently, the degree of vacuum 10 -5 Pa, the chamber maintained residual oxygen concentration 10 9 / cm 3 or less (0.1 ppb or less), the oxygen concentration 10 9 / cm 3 or less by Ti getter pump (0.1 ppb or less) High purity nitrogen (hereinafter abbreviated as “pure nitrogen”) was introduced until the total pressure reached 1 atm. And it supplies with electricity to the carbon heater made to contact | abut the surface on the opposite side to the surface which forms the film-forming area | region of the glass substrate of the gas sensor manufactured as mentioned above, and the surface temperature of a gas sensor is set to 280 +/- 10 degreeC. The gas sensor was started up by heating for 6 hours.

280℃での6時間の加熱後、カーボンヒーターへの通電量を調整してガスセンサーの表面温度を250℃に設定し、インピーダンスアナライザからの端子を接続して直流電圧(20V)を印加してガスセンサーの抵抗率の測定を開始した。   After heating at 280 ° C for 6 hours, adjust the amount of electricity to the carbon heater, set the surface temperature of the gas sensor to 250 ° C, connect the terminal from the impedance analyzer and apply DC voltage (20V) Measurement of resistivity of gas sensor started.

純窒素での抵抗率を計測後、純窒素に添加する酸素を段階的に増加させて、抵抗率の変動が安定した状態をその添加酸素濃度の抵抗率として計測した結果、図17のような抵抗率の酸素濃度依存性が観測された。なお、図17において、○が計測結果であり、実線は近似直線である。   After measuring the resistivity in pure nitrogen, the oxygen added to pure nitrogen was increased stepwise, and the state where the variation in resistivity was stabilized was measured as the resistivity of the added oxygen concentration. As a result, as shown in FIG. The oxygen concentration dependence of resistivity was observed. In FIG. 17, ◯ is the measurement result, and the solid line is an approximate straight line.

このように、高い線形性が観測され、センサーとして求められる基本性能を有していることは確認されたものの、抵抗率の安定に要する時間は2時間程度であり、しかも1000ppbの酸素暴露後、ガスセンサーを280℃に加熱しても20時間経過しなければ元の状態に回復しなかった。   Thus, although high linearity was observed and it was confirmed that the sensor had the basic performance required as a sensor, the time required for the stability of the resistivity was about 2 hours, and after exposure to oxygen of 1000 ppb, Even when the gas sensor was heated to 280 ° C., the original state was not recovered unless 20 hours had passed.

また、水分についても同様の計測を行ったが、酸素の場合のような抵抗値の変動は計測されなかった。   Moreover, although the same measurement was performed also about the water | moisture content, the fluctuation | variation of resistance value like the case of oxygen was not measured.

2.実施例2
続いて、実施例2を用いて、本発明に係るガスセンサーの取り得る構成、特に静電容量部の構成が異なる場合の構成について説明する。なお、以下の実施例では、C60フラーレンの蒸着膜からなる気体検知素子が、気体を吸着した場合に導電率が低下するように、温度が低下した場合も導電率が低下することを利用して、温度を変化させることで気体吸着状態を模擬的に発生させ、静電容量部の構成が異なる場合のガスセンサーの計測結果を検証した。
2. Example 2
Next, a configuration that can be taken by the gas sensor according to the present invention, particularly a configuration in the case where the configuration of the capacitance section is different, will be described using the second embodiment. In the following examples, it is used that the gas sensing element made of a C 60 fullerene vapor-deposited film has a reduced conductivity even when the temperature is lowered so that the conductivity is lowered when the gas is adsorbed. Then, the gas adsorption state was simulated by changing the temperature, and the measurement result of the gas sensor when the configuration of the capacitance part was different was verified.

(1)実施例2−1
表面粗さがRaで20nm以下になるまで研磨したアルミナ基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)であって、あらかじめ所定の位置(2箇所)に電極パッドとしての金蒸着膜が形成されたものを用意し、真空度3×10−5PaのAl蒸着用の真空チャンバー内に設置した。そして、セラミックス基板の研磨面上に電極用の長方形(4mm×6mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。成膜速度は1.5Å/s程度であり、蒸着膜の厚みは50nm程度であった。なお、一方の金電極パッド上に引き出し電極の一部を形成することで電気的に接続させた。
(1) Example 2-1
Alumina substrate (30 mm × 30 mm, thickness 0.12 to 0.17 mm) polished to a surface roughness Ra of 20 nm or less, and a gold vapor deposition film as an electrode pad in advance at predetermined positions (two locations) Was prepared and placed in a vacuum chamber for Al vapor deposition with a degree of vacuum of 3 × 10 −5 Pa. A rectangular (4 mm × 6 mm) pattern for electrodes and a linear lead electrode pattern connected thereto were formed on the polished surface of the ceramic substrate by vapor deposition of Al. The deposition rate was about 1.5 Å / s, and the thickness of the deposited film was about 50 nm. In addition, it electrically connected by forming a part of extraction electrode on one gold electrode pad.

次に、Al蒸着された基板を、真空度1×10−4Pa、残留酸素濃度10/cm以下(1ppb以下)のフラーレン蒸着用の真空チャンバー内に設置した。Al蒸着用のチャンバーからの大気開放時間は20分以下であった。そして、C60フラーレン(フロンティアカーボン株式会社製、製品名Nanomパープル)が充填されたモリブデンボートを温度計測しつつ通電加熱し、500〜550℃の範囲に制御してC60フラーレンを昇華させた。こうして、上記の電極用Alパターン上に3〜4Å/s程度の成膜速度でC60フラーレンを堆積させて、1.4μmの厚さのC60フラーレン膜を形成した。なお、C60フラーレンによるパターンは、その下のAlパターン(引き出し電極部を除く。)が完全に覆われるような長方形のパターンとした。 Next, the Al-deposited substrate was placed in a vacuum chamber for fullerene deposition having a degree of vacuum of 1 × 10 −4 Pa and a residual oxygen concentration of 10 9 / cm 3 or less (1 ppb or less). The air release time from the Al deposition chamber was 20 minutes or less. Then, a molybdenum boat filled with C 60 fullerene (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., product name Nanom purple) was heated while energized while measuring the temperature, and was controlled within a range of 500 to 550 ° C. to sublimate C 60 fullerene. Thus, C 60 fullerene was deposited on the Al pattern for electrodes at a film formation rate of about 3 to 4 liters / s to form a C 60 fullerene film having a thickness of 1.4 μm. Incidentally, the pattern by the C 60 fullerene, and a rectangular pattern as under the Al pattern thereof (excluding the extraction electrode portion.) Is completely covered.

続いて、このC60フラーレン膜が形成された基板を再び上記のAl蒸着用チャンバーに設置した。このときの大気開放時間は20分であった。そして、C60フラーレン膜上に、先の電極用Alパターンよりも狭い範囲のパターン(2mm×5mm)をAlの蒸着により形成した。その成膜速度は先のAl蒸着と同一であり、厚みも50nm程度であった。また、この蒸着では、この電極の引き出し電極を下部電極の引き出し電極と重ならないようにAl蒸着により形成し、その一部は金電極パッド上になるようにした。 Subsequently, a substrate which the C 60 fullerene film was formed was again placed in Al deposition chamber above. At this time, the open time to the atmosphere was 20 minutes. Then, on the C 60 fullerene film, a pattern (2 mm × 5 mm) in a narrower range than the previous electrode Al pattern was formed by deposition of Al. The film formation rate was the same as the previous Al deposition, and the thickness was about 50 nm. Further, in this vapor deposition, the lead electrode of this electrode was formed by Al vapor deposition so as not to overlap the lead electrode of the lower electrode, and a part thereof was on the gold electrode pad.

基板をチャンバーから取り出して大気中(25℃、60%RH)に24時間放置して、Al蒸着膜に自然酸化膜を形成させた。自然酸化膜を含む静電容量部のキャパシタンスは15nF程度であった。こうして、有効電極面積が10mmのガスセンサーを得た。 The substrate was removed from the chamber and allowed to stand in the atmosphere (25 ° C., 60% RH) for 24 hours to form a natural oxide film on the Al deposited film. The capacitance of the electrostatic capacitance part including the natural oxide film was about 15 nF. Thus, a gas sensor having an effective electrode area of 10 mm 2 was obtained.

このガスセンサーをAl蒸着用チャンバーから取り出し、真空度を10Paに維持した測定用チャンバーに設置した。続いて、ガスセンサーの、セラミックス基板の製膜領域をなす面と反対側の面に当接させたカーボンヒーターに通電して、ガスセンサーの表面温度が200±10℃になるように24時間加熱してガスセンサーのスタートアップ処理を行った。   The gas sensor was taken out from the Al deposition chamber and placed in a measurement chamber maintained at a vacuum degree of 10 Pa. Subsequently, a carbon heater in contact with the surface of the gas sensor opposite to the surface forming the ceramic substrate is energized and heated for 24 hours so that the surface temperature of the gas sensor becomes 200 ± 10 ° C. And started up the gas sensor.

スタートアップ処理の終了後、ガスセンサーの表面温度をほぼ200℃に維持したままで、二箇所の引き出し電極に、0.01Hzから10MHzまでの範囲で印加電圧の周波数を任意に変化させうる電源からの端子を接続させた。そして、この引き出し電極に、印加電圧を50mVに維持しつつ0.01Hzから10MHzまで印加周波数を変化しうる電源の端子からの配線を接続して、インピーダンスの計測を行った。計測されたインピーダンスからガスセンサーのキャパシタンスを算出して、ガスセンサーの表面温度が200℃のときのキャパシタンスプロファイルを求めた。   After the start-up process is completed, the surface temperature of the gas sensor is maintained at approximately 200 ° C., and power is applied to the two extraction electrodes from a power source that can arbitrarily change the frequency of the applied voltage in the range from 0.01 Hz to 10 MHz. The terminal was connected. And the wiring from the terminal of the power supply which can change an applied frequency from 0.01 Hz to 10 MHz was connected to this extraction electrode, maintaining an applied voltage at 50 mV, and the impedance was measured. The capacitance of the gas sensor was calculated from the measured impedance, and the capacitance profile when the surface temperature of the gas sensor was 200 ° C. was obtained.

続いて、カーボンヒーターを調節してガスセンサーの表面温度を180℃まで下げ、この温度で安定したことを確認してから、周波数を変化させながらインピーダンス計測を行い、上記のキャパシタンスプロファイルを求めた。   Subsequently, the carbon heater was adjusted to lower the surface temperature of the gas sensor to 180 ° C., and after confirming that the temperature was stable at this temperature, impedance measurement was performed while changing the frequency to obtain the capacitance profile.

こうして、ガスセンサーの表面温度を25℃まで下げながら、キャパシタンスプロファイルの計測を複数回行った。
その結果を図18に示す。図18における点は実測値であり、実線は図6に示される等価回路に基づいてフィッティングした結果である。符号1301で示されるプロファイルが200℃の測定結果であり、符号1302〜1310で示されるプロファイルは、それぞれ、180℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、および25℃の測定結果である。
Thus, the capacitance profile was measured several times while the surface temperature of the gas sensor was lowered to 25 ° C.
The result is shown in FIG. The points in FIG. 18 are actually measured values, and the solid line is the result of fitting based on the equivalent circuit shown in FIG. The profile indicated by reference numeral 1301 is a measurement result at 200 ° C., and the profiles indicated by reference numerals 1302 to 1310 are 180 ° C., 160 ° C., 140 ° C., 120 ° C., 100 ° C., 80 ° C., 60 ° C., and 40 ° C., respectively. And 25 ° C. measurement results.

図18に示されるように、どの温度でも、キャパシタンスプロファイルは、高周波において低く、低周波において高くなり、その中間にほぼ10Hzの幅の遷移領域を有するものとなった。この遷移領域は、高温であって導電率が高いほど高周波側にあり、200℃では遷移領域の中央がほぼ10kHzになった。これに対し、25℃では、導電率が低下したことに基づいて、遷移領域の中央が0.2Hz程度になった。この結果から、気体検知素子の導電率の変化をこのキャパシタンスプロファイルの変化として計測できることが確認された。本実施例に係るガスセンサーの等価回路は図6に記載される回路であるとして上記の測定結果をフィッティングしたところ、気体検知素子の導電率は約10−11(Ωcm)−1から約10−6(Ωcm)−1の範囲で変化していると見積もられた。 As shown in FIG. 18, at any temperature, the capacitance profile was low at high frequencies and high at low frequencies, with a transition region approximately 10 3 Hz wide in the middle. This transition region is located on the higher frequency side as the temperature is higher and the conductivity is higher. At 200 ° C., the center of the transition region is approximately 10 kHz. On the other hand, at 25 ° C., the center of the transition region was about 0.2 Hz based on the decrease in conductivity. From this result, it was confirmed that the change in conductivity of the gas sensing element can be measured as the change in capacitance profile. When the above measurement results are fitted on the assumption that the equivalent circuit of the gas sensor according to the present embodiment is the circuit described in FIG. 6, the conductivity of the gas detection element is about 10 −11 (Ωcm) −1 to about 10 −. It was estimated to change in the range of 6 (Ωcm) −1 .

したがって、気体を吸着させた場合も同様の導電率変化が発生するので、その吸着量をキャパシタンスプロファイルから見積もることが可能であることが確認された。
なお、プロファイルの全体的傾向として、高温のときほど低周波側のキャパシタンスが増加した。これは、シミュレーションの結果、温度が高いときに静電容量部のキャパシタンスが増加していると見積もられた。具体的には、25℃では15nF程度であったものが、200℃においては35nF程度まで増加していると算出された。
Therefore, when the gas is adsorbed, the same change in conductivity occurs, and it was confirmed that the adsorption amount can be estimated from the capacitance profile.
As a general tendency of the profile, the capacitance on the low frequency side increased as the temperature increased. As a result of simulation, it was estimated that the capacitance of the electrostatic capacitance portion increased when the temperature was high. Specifically, what was about 15 nF at 25 ° C. was calculated to increase to about 35 nF at 200 ° C.

このようにキャパシタンスが増加する理由は明確でないが、静電容量部を構成する自然酸化膜以外の要素、たとえば気体検知素子の自然酸化膜との界面近傍に形成される誘電性の高い領域が温度によって変動し、これがキャパシタンスの変化として計測されているものと考えられる。
また、遷移領域より低周波側でキャパシタンスが漸増する傾向が見られた。これは、静電容量部に含まれる抵抗成分がやはり温度により変動していることに起因する。
The reason why the capacitance increases in this way is not clear, but elements other than the natural oxide film constituting the capacitance portion, for example, a highly dielectric region formed in the vicinity of the interface with the natural oxide film of the gas sensing element is the temperature. It is considered that this is measured as a change in capacitance.
There was also a tendency for the capacitance to gradually increase on the low frequency side of the transition region. This is due to the fact that the resistance component included in the capacitance portion also varies with temperature.

(2)実施例2−2
実施例2−1の製造方法において、蒸着材料をAlからAuに代えた以外は同一の製造方法でガスセンサーを製造し、同様のスタートアップ処理を行った。スタートアップ処理の終了後、ガスセンサーの表面温度をほぼ200℃に維持したままで、二箇所の引き出し電極に、0.01Hzから10MHzまでの範囲で印加電圧の周波数を任意に変化させうる電源からの端子を接続させた。そして、この引き出し電極に、印加電圧を50mVに維持しつつ0.01Hzから10MHzまで印加周波数を変化しうる電源の端子からの配線を接続して、インピーダンスの計測を行った。計測されたインピーダンスからガスセンサーのコンダクタンスを算出して、ガスセンサーの表面温度が200℃のときのコンダクタンスプロファイルを求めた。以降、実施例2−1と同様に、ガスセンサーの表面温度を冷却させながら複数のコンダクタンスプロファイルを計測した。
(2) Example 2-2
In the manufacturing method of Example 2-1, a gas sensor was manufactured by the same manufacturing method except that the vapor deposition material was changed from Al to Au, and a similar start-up process was performed. After the start-up process is completed, the surface temperature of the gas sensor is maintained at approximately 200 ° C., and power is applied to the two extraction electrodes from a power source that can arbitrarily change the frequency of the applied voltage in the range from 0.01 Hz to 10 MHz. The terminal was connected. And the wiring from the terminal of the power supply which can change an applied frequency from 0.01 Hz to 10 MHz was connected to this extraction electrode, maintaining an applied voltage at 50 mV, and the impedance was measured. The conductance of the gas sensor was calculated from the measured impedance, and the conductance profile when the surface temperature of the gas sensor was 200 ° C. was obtained. Thereafter, similar to Example 2-1, a plurality of conductance profiles were measured while cooling the surface temperature of the gas sensor.

その結果を図19に示す。符号1401で示されるプロファイルが200℃の測定結果であり、符号1402〜1410で示されるプロファイルは、それぞれ、180℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、および24℃の測定結果である。   The result is shown in FIG. The profile indicated by reference numeral 1401 is a measurement result at 200 ° C., and the profiles indicated by reference numerals 1402 to 1410 are 180 ° C., 160 ° C., 140 ° C., 120 ° C., 100 ° C., 80 ° C., 60 ° C., and 40 ° C., respectively. And 24 ° C. measurement results.

図19に示されるように、どの温度でも、コンダクタンスプロファイルは、低周波において平坦であって、高周波において増加する傾向を示した。また、温度が低いとき、すなわち気体検知素子の導電率が低いときほど、増加傾向に転ずる周波数が低くなった。   As shown in FIG. 19, at any temperature, the conductance profile tended to be flat at low frequencies and increased at high frequencies. Moreover, the frequency which started to increase was so low that temperature was low, ie, the electrical conductivity of the gas detection element was low.

(3)実施例2−3
実施例2−2の製造方法と同一の製造方法でガスセンサーを製造し、同様のスタートアップ処理を行った。スタートアップ処理の終了後、ガスセンサーの表面温度をほぼ210℃に維持したままで、二箇所の引き出し電極に、5Hzから5MHzまでの範囲で印加電圧の周波数を任意に変化させうる電源からの端子を接続させた。そして、この引き出し電極に、印加電圧を50mVに維持しつつ0.01Hzから10MHzまで印加周波数を変化しうる電源の端子からの配線を接続して、インピーダンスの計測を行った。計測されたインピーダンスからガスセンサーのキャパシタンスを算出して、ガスセンサーの表面温度が210℃のときのキャパシタンスプロファイルを求めた。その結果を図20の黒丸(●)で示した。
(3) Example 2-3
A gas sensor was manufactured by the same manufacturing method as that of Example 2-2, and a similar start-up process was performed. After the start-up process is completed, with the surface temperature of the gas sensor maintained at approximately 210 ° C., terminals from the power source that can arbitrarily change the frequency of the applied voltage in the range from 5 Hz to 5 MHz are provided at the two extraction electrodes. Connected. And the wiring from the terminal of the power supply which can change an applied frequency from 0.01 Hz to 10 MHz was connected to this extraction electrode, maintaining an applied voltage at 50 mV, and the impedance was measured. The capacitance of the gas sensor was calculated from the measured impedance, and the capacitance profile when the surface temperature of the gas sensor was 210 ° C. was obtained. The results are indicated by black circles (●) in FIG.

次に、引き出し電極と電源端子との間に1nF(1000pF)の市販のコンデンサを介在させ、ガスセンサーの表面温度を210℃に維持してキャパシタンスプロファイルを求めた。その結果を図20の三角(△)で示した。   Next, a 1 nF (1000 pF) commercially available capacitor was interposed between the extraction electrode and the power supply terminal, and the surface temperature of the gas sensor was maintained at 210 ° C. to obtain a capacitance profile. The result is indicated by a triangle (Δ) in FIG.

続いて、1nF(1000pF)のコンデンサを10nF(10000pF)の市販のコンデンサに置き換えて、同様にガスセンサーの表面温度を210℃に維持してキャパシタンスプロファイルを求めた。その結果を図20のひし形(◇)で示した。   Subsequently, the 1 nF (1000 pF) capacitor was replaced with a 10 nF (10000 pF) commercially available capacitor, and the surface temperature of the gas sensor was similarly maintained at 210 ° C. to obtain a capacitance profile. The result is indicated by a diamond (◇) in FIG.

図20に示されるように、コンデンサを介在させないときには、キャパシタンスプロファイルはほぼ平坦で変化がなかったが、1nFのコンデンサを介在させると、低周波領域においてキャパシタンスが高くなり、2kHzから50kHzにかけて遷移領域が測定された。また、10nFのコンデンサを介在させると、低周波領域におけるキャパシタンスはさらに大きくなり、20Hzから50kHzにかけて遷移領域が測定された。   As shown in FIG. 20, when no capacitor is interposed, the capacitance profile is almost flat and does not change. However, when a 1 nF capacitor is interposed, the capacitance increases in the low frequency region, and the transition region extends from 2 kHz to 50 kHz. Measured. Further, when a 10 nF capacitor was interposed, the capacitance in the low frequency region was further increased, and the transition region was measured from 20 Hz to 50 kHz.

この結果により、気体検知素子の両方の電気的端部に不活性金属層からなる電極が形成された簡単な構造の電気素子でも、外部にコンデンサを設けることによって、キャパシタンスプロファイルを求めることが可能であること、および、外部コンデンサを用いることによってキャパシタンスプロファイルを任意に調整しうることが確認された。   As a result, it is possible to obtain a capacitance profile by providing an external capacitor even with an electrical element having a simple structure in which electrodes made of an inert metal layer are formed at both electrical ends of the gas sensing element. It was confirmed that the capacitance profile can be arbitrarily adjusted by using an external capacitor.

本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the gas measurement system which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの構造を示す概念図であり、(a)が上面図、(b)が(a)におけるAA断面での断面図、(c)が(a)におけるBB断面での断面図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing in the AA cross section in (a), (c) is (a). It is sectional drawing in BB cross section in. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの等価回路を示す部分回路図である。It is a partial circuit diagram showing an equivalent circuit of the gas sensor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムにより得られるキャパシタンスプロファイルの一例およびそのフィッティング結果を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the capacitance profile obtained by the gas measurement system which concerns on 1st embodiment of this invention, and its fitting result. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの等価回路のシミュレーションにより得られたキャパシタンスプロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the capacitance profile obtained by simulation of the equivalent circuit of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーを厳密に解釈した場合における等価回路を示す部分回路図である。It is a partial circuit diagram showing an equivalent circuit when the gas sensor according to the first embodiment of the present invention is strictly interpreted. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの変形例(誘電性付加層を含む静電容量部を気体検知素子と一体で形成する場合)の構成を概念的に示す図であり、(a)は気体検知素子と不活性金属層との間に誘電性付加層を形成する場合を、(b)は気体検知素子に不活性金属層を直接形成し、さらにその両端に誘電性付加層を形成する場合を示している。It is a figure which shows notionally the structure of the modification (when forming the electrostatic capacitance part containing a dielectric addition layer integrally with a gas detection element) of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention, (a ) Shows a case where a dielectric additional layer is formed between the gas sensing element and the inert metal layer, and (b) shows that an inert metal layer is directly formed on the gas sensing element, and further, a dielectric additional layer is formed at both ends thereof. The case where it forms is shown. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの変形例(静電容量部を気体検知素子と別体で形成する場合)の構成を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the structure of the modification (when forming an electrostatic capacitance part separately from a gas detection element) of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの変形例(一体形成と別体形成との組み合わせ)の構成を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the structure of the modification (combination of integral formation and separate body formation) of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るガスセンサーの等価回路のシミュレーションにより得られたコンダクタンスプロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the conductance profile obtained by simulation of the equivalent circuit of the gas sensor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係るガスセンサーの等価回路を示す部分回路図である。It is a partial circuit diagram which shows the equivalent circuit of the gas sensor which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係るガスセンサーの等価回路のシミュレーションにより得られたコンダクタンスプロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the conductance profile obtained by simulation of the equivalent circuit of the gas sensor which concerns on 2nd embodiment of this invention. 実施例1−1に係るガスセンサーによる250℃における酸素の計測結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of oxygen in 250 ° C by the gas sensor concerning Example 1-1. 実施例1−2に係るガスセンサーによる250℃における水分の計測結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the water | moisture content in 250 degreeC by the gas sensor which concerns on Example 1-2. 実施例1−3に係るガスセンサーによる150℃における水分の計測結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the water | moisture content in 150 degreeC by the gas sensor which concerns on Example 1-3. 実施例1−4に係るガスセンサーによる250℃における酸素の計測結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of oxygen in 250 ° C by the gas sensor concerning Example 1-4. 比較施例1に係るガスセンサーによる250℃における酸素の計測結果を示すグラフである。6 is a graph showing the measurement results of oxygen at 250 ° C. by the gas sensor according to Comparative Example 1. 実施例2−1に係るガスセンサーによる各温度におけるキャパシタンスプロファイルの測定結果(丸印)およびこれらに対するフィッティング結果(実線)を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result (circle mark) of the capacitance profile in each temperature by the gas sensor which concerns on Example 2-1, and the fitting result (solid line) with respect to these. 実施例2−2に係るガスセンサーによる各温度におけるコンダクタンスプロファイルの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the conductance profile in each temperature by the gas sensor which concerns on Example 2-2. 実施例2−3に係るガスセンサーそのままの、ならびに1nFおよび10nFの外部コンデンサを接続したときのキャパシタンスプロファイルの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of a capacitance profile when the gas sensor which concerns on Example 2-3 as it is, and when an external capacitor of 1 nF and 10 nF is connected.

Claims (13)

誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、
前記気体検知素子に対して直列に接続された静電容量部と、
前記気体検知素子および前記静電容量部を含む電気素子の電気的端部に夫々接続された一対の電極とを備え、
前記静電容量部のキャパシタンスが前記気体検知素子のキャパシタンスよりも大きいガスセンサーであって、
前記一対の電極に印加される極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化する前記ガスセンサーの電気的応答から、前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知するものであることを特徴とするガスセンサー。
A gas sensing element having a dielectric semiconductor, the conductivity of which varies depending on the state of gas adsorption;
A capacitance unit connected in series to the gas sensing element;
A pair of electrodes respectively connected to electrical ends of electrical elements including the gas sensing element and the capacitance part;
The capacitance of the capacitance unit is a gas sensor larger than the capacitance of the gas sensing element,
That the electrical response of the gas sensor changes depending on the voltage periodically changes include inversion applied to the pair of electrodes, and detects the adsorption state of gas into the gas detection device Characteristic gas sensor.
前記静電容量部が複数の部材から構成される請求項1に記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 1, wherein the capacitance unit is configured by a plurality of members. 前記気体検知素子の電気的端部の少なくとも一方をなす面上に直接形成された金属層を備え、当該金属層の前記気体検知素子側の界面部には当該金属層の金属が改質された誘電性改質層を有し、当該誘電性改質層は前記静電容量部の少なくとも一部をなす請求項1または2に記載のガスセンサー。   A metal layer formed directly on a surface forming at least one of the electrical ends of the gas detection element, and the metal of the metal layer is modified at an interface portion of the metal layer on the gas detection element side The gas sensor according to claim 1, further comprising a dielectric modification layer, wherein the dielectric modification layer forms at least a part of the capacitance portion. 前記誘電性改質層は、前記気体検知素子を通過した酸素により前記金属層の金属が酸化されてなる酸化膜である請求項3記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 3, wherein the dielectric modification layer is an oxide film formed by oxidizing the metal of the metal layer by oxygen that has passed through the gas detection element. 前記気体検知素子の電気的端部の少なくとも一方をなす面上に直接形成された誘電体層を備え、当該誘電体層が前記静電容量部の少なくとも一部をなすとともに前記気体検知素子への電荷注入を防止する請求項1から4のいずれかに記載のガスセンサー。   A dielectric layer formed directly on a surface forming at least one of the electrical ends of the gas sensing element, wherein the dielectric layer forms at least a part of the capacitance part and is connected to the gas sensing element; The gas sensor according to claim 1, wherein charge injection is prevented. 前記誘電性半導体は、気体吸着によって導電率が低下する特性を有するフラーレン材料である請求項1から5のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the dielectric semiconductor is a fullerene material having a characteristic that conductivity is reduced by gas adsorption. 前記誘電性半導体は有機半導体である請求項1から5のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 1, wherein the dielectric semiconductor is an organic semiconductor. 前記誘電性半導体はカーボンナノ材料である請求項1から5のいずれかに記載のガスセンサー。   The gas sensor according to claim 1, wherein the dielectric semiconductor is a carbon nanomaterial. 誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、当該気体検知素子に接続された一対の電極とを備え、請求項1または2に記載のガスセンサーに用いられる気体検知モジュールであって、
当該気体検知モジュールに対して電気的に直列に静電容量部を接続し、
前記気体検知モジュールと前記静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的変化する電圧を印加し、
その電圧印加に対する前記ガスセンサーの電気的応答から前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー用気体検知モジュール。
The gas sensor according to claim 1, comprising: a gas detection element having a dielectric semiconductor, the conductivity of which varies depending on a gas adsorption state; and a pair of electrodes connected to the gas detection element. A gas detection module used,
Connect the capacitance part electrically in series with the gas detection module,
Applying a periodically changing voltage including polarity reversal to the electrical end of the gas sensor including the gas detection module and the capacitance unit,
A gas detection module for a gas sensor, wherein an adsorption state of a gas to the gas detection element can be detected from an electrical response of the gas sensor to the voltage application.
請求項1から8のいずれかに記載されるガスセンサーと、当該ガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、当該電源により印加される電圧に対する前記ガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。   A gas sensor according to any one of claims 1 to 8, a power source capable of applying a periodically changing voltage including polarity reversal at an electrical end of the gas sensor, and a voltage applied by the power source A gas measurement system comprising: a measurement unit that measures an electrical response of the gas sensor. 請求項9に記載される気体検知モジュールと、当該気体検知モジュールに直列に接続された静電容量部と、前記気体検知モジュールと前記静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、当該電源により印加される電圧に対する前記ガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。   A polarity at an electrical end of a gas sensor including the gas detection module according to claim 9, a capacitance unit connected in series to the gas detection module, and the gas detection module and the capacitance unit. A gas measurement system comprising: a power source capable of applying a periodically changing voltage including inversion; and a measuring means for measuring an electrical response of the gas sensor to a voltage applied by the power source. 前記誘電性半導体に吸着した気体を脱離させる気体脱離手段をさらに備える請求項10または11に記載の気体計測システム。   The gas measurement system according to claim 10 or 11, further comprising gas desorption means for desorbing the gas adsorbed on the dielectric semiconductor. 前記ガスセンサーの温度を計測するための測温手段をさらに有し、当該測温手段は、前記ガスセンサーと同じ構成を有しつつその気体検知素子が気体を吸着しないように封止されたものである請求項10から12のいずれかに記載の気体計測システム。   Further comprising a temperature measuring means for measuring the temperature of the gas sensor, the temperature measuring means having the same configuration as the gas sensor and sealed so that the gas detection element does not adsorb gas. The gas measurement system according to any one of claims 10 to 12.
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