DE112014006731T5

DE112014006731T5 - Gassensor und Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112014006731T5
Application number: DE112014006731.8T
Authority: DE
Inventors: Satoru Momose; Osamu Tsuboi; Ikuo SOGA
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US10670552B2; US20200124563A1; US20230324328A1; CN106461602B; US20170067847A1; WO2015189888A1; CN106461602A; JP6233511B2; JPWO2015189888A1

Abstract

Gassensor, der eine Feststoffelektrolytschicht einschließt, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordiniert, eine auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnete Elektrode, und eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen einen Gassensor und eine Gassensorvorrichtung, die den Gassensor einschließt.
STAND DER TECHNIK
Als Gassensoren, die Gas, wie Ammoniak und Stickstoffoxid, detektieren, wurden herkömmlich Gassensoren verwendet, die Gas auf Basis von Änderungen des elektrischen Widerstandes detektieren. Die Gassensoren detektieren das Gas auf Basis von Änderungen des elektrischen Widerstandes eines Halbleiters, wie Zinndioxid, in Folge der Absorption des Gases an einer Oberfläche des Halbleiters.
In den Gassensoren, die Gas auf Basis von Änderungen des elektrischen Widerstandes detektieren, muss dem Halbleiter elektrischer Strom unter Verwendung einer Konstantstrom-Stromversorgung zugeführt werden, um einen sich ändernden elektrischen Widerstand zu messen. Folglich haben die Gassensoren, die Gas auf Basis von Änderungen des elektrischen Widerstandes detektieren, ein Problem, dass der Stromverbrauch eines Detektionsstromkreises selbst groß wird.
Darüber hinaus muss der Halbleiter in dem Gassensor auf eine Temperatur (beispielsweise 400°C) geheizt werden, bei der ausgezeichnete Detektionseigenschaften erhalten werden können. Folglich hat der Gassensor ein Problem, dass eine große Menge Energie für eine Heizung verwendet werden muss, die für das Heizen des Gassensors eingerichtet ist.
Folglich werden Gassensoren vorgeschlagen, die Gas auf Basis von Änderungen der Potentialdifferenz in Folge der Adsorption des Gases, nicht Änderungen des elektrischen Widerstandes detektieren. Als solche Gassensoren werden Gassensoren unter Verwendung von Feststoffelektrolyten mit Ionenleitfähigkeit, beispielsweise Sauerstoffionenleitfähigkeit, Oxidionenleitfähigkeit und Protonenleitfähigkeit vorgeschlagen (siehe beispielsweise PTL 1 bis PTL 4).
In den vorgeschlagenen Techniken, sind jedoch die Temperaturen, bei denen die Feststoffelektrolyten für die Verwendung (z. B. Zirkoniumoxid) ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit aufweisen, hohe Temperaturen von 300°C oder darüber. In den vorgeschlagenen Techniken wird darüber hinaus eine chemische Reaktion, beispielsweise eine Oxidationsreaktion, von zu adsorbierendem Gas verwendet, um eine Änderung einer Potentialdifferenz in dem Feststoffelektrolyten hervorzurufen, und folglich muss der Gassensor auf eine Temperatur geheizt werden, bei der die chemische Reaktion eingeleitet wird.
Folglich haben die vorgeschlagenen Techniken ein Problem, dass eine große Menge Energie für eine Heizung verwendet werden muss, die für das Heizen des Gassensors eingerichtet ist.
Darüber hinaus wurde als ein Gassensor, der Gas bei Raumtemperatur detektiert, ein Gassensor vorgeschlagen, der hochempfindlich ist, NH₃-Gas bei Raumtemperatur hochselektiv detektieren kann und einen CuBr-Film verwendet (siehe beispielsweise NPL 1). Bei der vorgeschlagenen Technik wird Gas auf Basis einer Änderung des elektrischen Widerstandes detektiert. Entsprechend ist es notwendig, dem CuBr-Film unter Verwendung einer Konstantstrom-Stromversorgung elektrischen Strom zuzuführen, um Änderungen des elektrischen Widerstandes zu messen, und es besteht ein Problem, dass der Energieverbrauch eines Detektionsstromkreises selbst groß wird.
Folglich besteht gegenwärtig ein Bedarf nach einem Gassensor, der eine Zufuhr von elektrischem Strom unter Verwendung einer Konstantstrom-Stromversorgungseinheit nicht erfordert, nicht geheizt werden muss und mit Energiespareffizienz verwendet werden kann, sowie nach einer Sensorvorrichtung, die einen solchen Gassensor enthält.
Literaturliste
Patentliteratur

PTL 1: offengelegte japanische Patentanmeldung (JP-A) Nr. 2002-031619
PTL 2: JP-A Nr. 2005-221428
PTL 3: JP-A Nr. 2007-248335
PTL 4: JP-A Nr. 2009-198346

Nicht-Patentliteratur

NPL 1: Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279–284

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Die offenbarten Ausführungsformen zielen darauf ab, die zuvor erwähnten verschiedenen Probleme im Stand der Technik zu lösen und das folgende Ziel zu erreichen. Im Einzelnen ist es ein Ziel der offenbarten Ausführungsformen, einen Gassensor bereitzustellen, der eine Zufuhr von elektrischem Strom unter Verwendung einer Konstantstrom-Stromversorgung nicht benötigt, der nicht geheizt werden muss, und der mit Energiespareffizienz verwendet werden kann, sowie eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, die nicht geheizt werden muss und mit Energiespareffizienz verwendet werden kann.
Lösung der Aufgabe
Die Mittel zur Lösung der zuvor erwähnten Aufgaben sind wie folgt.
Gemäß dem ersten Aspekt des offenbarten Gassensors schließt der offenbarte Gassensor ein:
eine Feststoffelektrolytschicht, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordinieren soll;
eine erste Elektrode, die auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist; und
eine zweite Elektrode, die auf einem Bereich der anderen Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, wobei der Bereich einen Bereich der anderen Ebene ausschließt, der der ersten Elektrode gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll.
Gemäß dem zweiten Aspekt des offenbarten Gassensors schließt der offenbarte Gassensor ein:
Eine Feststoffelektrolytschicht, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordinieren soll;
Eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die beide auf einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht gegenüber der Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet sind, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll; und
eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, wobei die Bewegungen der Träger positiver Ladung Bewegungen in einer Ebenenrichtung der Feststoffelektrolytschicht und in einer Richtung von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode innerhalb der Feststoffelektrolytschicht sind.
Die offenbarte Sensorvorrichtung schließt ein:
den offenbarten Gassensor; und
eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung einer Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, wobei die Einheit an die erste Elektrode des Gassensors angeschlossen ist.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Der offenbarte Gassensor kann die oben beschriebenen verschiedenen Probleme im Stand der Technik lösen und kann einen Gassensor bereitstellen, der eine Zufuhr von elektrischem Strom unter Verwendung einer Konstantstrom-Stromversorgung nicht benötigt, nicht geheizt zu werden braucht und mit Energiespareffizienz verwendet werden kann.
Die offenbarte Sensorvorrichtung kann die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Probleme im Stand der Technik lösen und eine Sensorvorrichtung zur Verfügung stellen, die nicht geheizt zu werden braucht und mit Energiespareffizienz verwendet werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der ersten Ausführungsform des offenbarten Gassensors zeigt;
1B ist eine schematische Ansicht, die eine Ebene eines Beispiels der ersten Ausführungsform des offenbarten Gassensors veranschaulicht;
1C ist eine schematische Ansicht, die die andere Ebene eines Beispiels der ersten Ausführungsform des offenbarten Gassensors veranschaulicht;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der ersten Ausführungsform des offenbarten Gassensors illustriert;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der zweiten Ausführungsform des offenbarten Gassensors illustriert;
4A ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der zweiten Ausführungsform des offenbarten Gassensors illustriert;
4B ist eine schematische Ansicht, die eine Ebene eines weiteren Beispiels der zweiten Ausführungsform des offenbarten Gassensors veranschaulicht;
4C ist eine schematische Ansicht, die die andere Ebene eines weiteren Beispiels der zweiten Ausführungsform des offenbarten Gassensors veranschaulicht;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der offenbarten Sensorvorrichtung illustriert;
6A ist eine schematische Querschnittsansicht des Gassensors von Beispiel 1;
6B ist eine schematische Ansicht einer Ebene des Gassensors von Beispiel 1;
6C ist eine schematische Ansicht der anderen Ebene des Gassensors von Beispiel 1;
7 ist ein Graph, der das Ergebnis der Messung der Potentialdifferenz des Gassensors von Beispiel 1 präsentiert;
8A ist eine schematische Querschnittsansicht des Gassensors von Beispiel 2;
8B ist eine schematische Ansicht einer Ebene des Gassensors von Beispiel 2;
8C ist eine schematische Ansicht der anderen Ebene des Gassensors von Beispiel 2;
9 ist ein Graph, der das Ergebnis der Messung der Potentialdifferenz des Gassensors von Beispiel 2 präsentiert;
10 ist eine schematische Querschnittsansicht des Gassensors von Beispiel 3;
11 ist ein Graph, der das Ergebnis der Messung der Potentialdifferenz des Gassensors von Beispiel 3 präsentiert;
12A ist eine schematische Querschnittsansicht des Gassensors von Beispiel 4;
12B ist eine schematische Ansicht einer Ebene des Gassensors von Beispiel 4;
12C ist eine schematische Ansicht der anderen Ebene des Gassensors von Beispiel 4;
13 ist ein Graph, der das Ergebnis der Messung der Potentialdifferenz des Gassensors von Beispiel 4 präsentiert;
14A ist eine schematische Querschnittsansicht des Gassensors von Vergleichsbeispiel 1;
14B ist eine schematische Ansicht einer Ebene des Gassensors von Vergleichsbeispiel 1;
14C ist eine schematische Ansicht der anderen Ebene des Gassensors von Vergleichsbeispiel 1 und
15 ist ein Graph, der das Ergebnis der Messung der Potentialdifferenz des Gassensors von Vergleichsbeispiel 1 präsentiert.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Gassensor)
<Erste Ausführungsform>
Die erste Ausführungsform des offenbarten Gassensors schließt mindestens eine Feststoffelektrolytschicht, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode ein und kann ferner je nach Notwendigkeit weitere Bauteile einschließen.
<<Feststoffelektrolytschicht>>
Die Feststoffelektrolytschicht ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt werden, solange die Feststoffelektrolytschicht Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordiniert.
Die Träger positiver Ladung sind vorzugsweise bei Normaltemperatur beweglich.
In der vorliegenden Beschreibung meint die Bezeichnung ”Normaltemperatur” eine Temperatur eines Zustandes, bei dem der Gassensor nicht geheizt wird und beträgt beispielsweise 25°C.
Die Bezeichnung ”beweglich” meint, dass die Träger positiver Ladung sich in einem Maße bewegen können, dass eine Änderung einer Potentialdifferenz des Gassensors bestätigt werden kann.
Das Detektions-Zielgas ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange das Detektions-Zielgas an die Träger positiver Ladung koordinieren kann. Beispiele des Gases, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann, schließen stickstoffhaltige Verbindungen, sauerstoffhaltige Verbindung und schwefelhaltige Verbindungen ein. Beispiele der stickstoffhaltigen Verbindungen schließen Ammoniak, Amin und Stickstoffoxid ein. Beispiele der schwefelhaltigen Verbindung schließen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid ein.
Die Träger positiver Ladung sind nicht besonders beschränkt und können abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die Träger positiver Ladung Träger sind, an die das Detektions-Zielgas koordiniert. Im Hinblick auf die ausgezeichnete Trägermobilität, sind die Träger positiver Ladung vorzugsweise Kupfer-Ionen oder Silber-Ionen oder sowohl Kupfer-Ionen als auch Silber-Ionen.
Ein Material der Feststoffelektrolytschicht ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele des Materials schließen Kupfer(I)-Bromid (CuBr), Kupfer(I)-Sulfid (Cu₂S), Silbersulfid (Ag₂S), Silberjodid (AgI) und Silberrubidiumjodid (RbAg₄I₅) ein. Da die oben aufgelisteten Feststoffelektrolyten sogar bei Normaltemperatur (beispielsweise 25°C) ausreichende Mobilität der Träger positiver Ladung haben, können die oben aufgelisteten Feststoffelektrolyten für die Feststoffelektrolytschicht verwendet werden. Unter den oben aufgelisteten Feststoffelektrolyten ist Kupfer(I)-Bromid wegen der ausgezeichneten Beweglichkeit der Träger positiver Ladung bei Normaltemperatur bevorzugt.
Die Form, Größe und Struktur der Feststoffelektrolytschicht sind nicht besonders beschränkt und können abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt werden.
Das Verfahren zur Bildung der Feststoffelektrolytschicht ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele des Bildungsverfahrens schließen Sputtern ein. In dem Fall, in dem ein Material der Feststoffelektrolytschicht Kupfer(I)-Bromid ist, schließen Beispiele des Bildungsverfahrens ein Verfahren ein, bei dem Kupfer in einer wässrige Kupfer(II)-Bromid-Lösung eingetaucht wird, um das Kupfer in Kupfer(I)-Bromid zu überführen.
<<Erste Elektrode>>
Die erste Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die erste Elektrode eine Elektrode ist, die auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist.
Beispiele eines Materials der ersten Elektrode schließen Metalle ein, die edler sind als ein Metallelement der Träger positiver Ladung.
Darüber hinaus ist das Material der ersten Elektrode vorzugsweise dasselbe Metall wie das Metallelement der Träger positiver Ladung, weil das Potential der Feststoffelektrolytschicht stabil wird. In dem Fall, dass die erste Elektrode eine Laminatstruktur aufweist, ist das Material einer Elektrode, die in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht steht, vorzugsweise dasselbe Metall wie das Metallelement des Trägers positiver Ladung.
Die Form, Größe und Struktur der ersten Elektrode sind nicht besonders beschränkt und können je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein.
Die mittlere Dicke der ersten Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Die mittlere Dicke der ersten Elektrode ist vorzugsweise gleich oder weniger als die mittlere Dicke der Feststoffelektrolytschicht.
Das Verfahren zur Bildung der ersten Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele des Bildungsverfahrens schließen die Vakuumabscheidung ein.
<<Zweite Elektrode>>
Die zweite Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die zweite Elektrode eine Elektrode ist, die auf der anderen Ebene der Feststoffelektrode angeordnet ist, ausgeschlossen ein Bereich der anderen Ebene, die der ersten Elektrode gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll.
Beispiele eines Materials der zweiten Elektrode schließen edlere Metalle ein als das Metallelement der Träger positiver Ladung.
Darüber hinaus ist das Material der zweiten Elektrode vorzugsweise dasselbe Metall wie das Metallelement des Trägers positiver Ladung, weil das Potential der Feststoffelektrolytschicht stabil wird. In dem Fall, dass die zweite Elektrode eine Laminatstruktur hat, ist das Material einer Elektrode, die in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht stehen soll, vorzugsweise dasselbe Metall wie das Metallelement des Trägers positiver Ladung.
Die Form, Größe und Struktur der zweiten Elektrode sind nicht besonders beschränkt und können abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein.
Das Verfahren zur Bildung der zweiten Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele des Bildungsverfahrens schließen die Vakuumabscheidung ein.
<<Andere Einheiten>>
Die zuvor erwähnten anderen Einheiten sind nicht besonders beschränkt und können abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele der Einheiten schließen eine Einheit ein, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen.
– Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen –
Beispiele der Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, schließen eine Schicht ein, die auf einem Bereich der anderen Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, wobei der Bereich der ersten Elektrode gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas steht, schließen ein Material ein, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann und es dem Detektions-Zielgas ermöglicht, hindurchzutreten. Weil der Gassensor die Einheit einschließt, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, werden Bewegungen der Träger positiver Ladung in der Feststoffelektrolytschicht beschleunigt und so eine Änderung einer Potentialdifferenz verstärkt.
Die Schicht schließt ein Material ein, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann und es dem Detektions-Zielgas ermöglicht, hindurchzutreten. Folglich beeinflusst die Schicht die Koordination des Detektions-Zielgases an die Träger positiver Ladung der Feststoffelektrolytschicht nicht störend.
Beispiele des Materials, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann, schließen ein organisches Material ein, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt. Beispiele des organischen Materials, das eine Kohlenstoffe-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt, schließen Naturkautschuk (Polyisopren), synthetischen Kautschuk, wie Polyisopren und Polybutadien, ungesättigte Fettsäuren, ungesättigte Fettsäureester und ungesättigte Fettsäureamide ein. Beispiele der ungesättigten Fettsäuren schließen Ölsäure und Linolsäure ein.
Es ist zu beachten, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung eine Fähigkeit hat, Elektronen an Atome und Ionen eines Übergangsmetalls zu liefern, um eine koordinative Bindung zu bilden. Folglich kann die Feststoffelektrolytschicht mit Elektronen dotiert werden, wenn das organische Material an die Träger positiver Ladung koordiniert. Im Ergebnis kann in die Feststoffelektrolytschicht eine Vorspannung eingeführt werden, und so Bewegungen der Träger positiver Ladung beschleunigt werden.
Die erste Ausführungsform des Gassensors wird hier mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird ein Gassensor beschrieben, in dem das Material der Feststoffelektrolytschicht Kuper(I)-Bromid und das Detektions-Zielgas Ammoniak ist.
Der in den 1A bis 1C illustrierte Gassensor schließt eine Feststoffelektrolytschicht (1), die aus Kuper(I)-Bromid gebildet ist, eine erste Elektrode (2), die eine Goldelektrode ist, und eine zweite Elektrodenschicht (3), die eine Kupferelektrode ist, ein. Die erste Elektrode (2) ist auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) angeordnet. Die zweite Elektrode (3) ist auf der anderen Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) angeordnet, ausgeschlossen der Gaskontaktbereich (4), der der ersten Elektrode (2) gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll.
Ammoniak wird an den Gaskontaktbereich (4) adsorbiert, der eine Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (1) ist. Der Ammoniak koordiniert dann an Kupfer-Ionen, die sich in dem Gaskontaktbereich (4) befinden. Weil die Kupfer-Ionen, an die der Ammoniak koordiniert hat, in dem Gaskontaktbereich (4) der Feststoffelektrolytschicht (1) fixiert sind, wirken die Kupfer-Ionen nicht als Träger positiver Ladung. Im Ergebnis verringert sich die Konzentration der Träger positiver Ladung in einer Region der Feststoffelektrolytschicht (1) (der Region α in 1A) zwischen dem Gaskontaktbereich (4) und der Elektrode (2), die dem Gaskontaktbereich (4) gegenüberliegt.
Andererseits verursacht eine Region (β) mit einer Oberfläche, die mit der zweiten Elektrode (3) bedeckt ist, keine Verringerung der Konzentration der Träger positiver Ladung in Folge des Kontakts mit dem Gas.
Folglich wird ein Zustand hervorgerufen, in dem die Konzentration der Träger positiver Ladung in der Region α und die Konzentration der Träger positiver Ladung in der Region β innerhalb der Feststoffelektrolytschicht (1) unterschiedlich sind. Die Träger positiver Ladung bewegen sich freiwillig von der Region β zu der Region α, um die Konzentration innerhalb der Feststoffelektrolytschicht (1) auszugleichen. Im Ergebnis ändert sich die Potentialdifferenz innerhalb der Feststoffelektrolytschicht (1).
Die Zahl von Kupfer-Ionen, die pro Oberflächeneinheit an den Gaskontaktbereich (4) fixiert sind, wird durch das Adsorptionsgleichgewicht von Ammoniak in dem Gaskontaktbereich (4) festgelegt. In dem Fall, dass Ammoniak in niedriger Konzentration enthalten ist, ist folglich die Zahl der Kupfer-Ionen, die pro Oberflächeneinheit an den Gaskontaktbereich (4) fixiert sind, proportional zu der Konzentration des Ammoniaks in der Atmosphäre. Die Zahl der Kupfer-Ionen, die sich von der Region β zu der Region α bewegen, um die Konzentration der Träger positiver Ladung auszugleichen, und die durch die Bewegung der Kupfer-Ionen erzeugte Potentialdifferenz sind proportional zu der Konzentration des Ammoniaks. Folglich kann die Konzentration des Detektions-Zielgases durch Messung der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) gemessen werden.
Als nächstes wird ein weiteres Beispiel der ersten Ausführungsform des Gassensors beschrieben.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der ersten Ausführungsform des Gassensors illustriert.
In dem Gassensor von 2 ist eine Naturkautschukschicht (5), die als die Einheit dient, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, in dem Gaskontaktbereich der Feststoffelektrolytschicht (1) angeordnet. Ansonsten ist der Aufbau identisch zu dem Gassensor der 1A bis 1C. Die Dicke der Naturkautschukschicht (5) ist dünn und das Detektions-Zielgas kann durch die Naturkautschukschicht (5) hindurchtreten.
In dem Gassensor der 2 kann eine Vorspannung in die Feststoffelektrolytschicht (1) eingeführt werden, weil die in der Naturkautschukschicht (5) enthaltene Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung Elektronen zur Dotierung der Feststoffelektrolytschicht (1) zuführt. Im Ergebnis werden Bewegungen der positiven Ladungsträger beschleunigt.
<Zweite Ausführungsform>
Die zweite Ausführungsform des offenbarten Gassensors schließt mindestens eine Feststoffelektrolytschicht, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen von Trägern positiver Ladung zu beschleunigen, ein, und sie kann je nach Notwendigkeit weitere Einheiten einschließen.
<<Feststoffelektrolytschicht>>
Die Feststoffelektrolytschicht ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die Feststoffelektrolytschicht eine Feststoffelektrolytschicht ist, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordiniert. Beispiele der Feststoffelektrolytschicht schließen die Feststoffelektrolytschicht ein, die in der ersten Ausführungsform des Gassensors aufgelistet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der Feststoffelektrolytschicht ist ebenso identisch zu der bevorzugten Ausführungsform der Feststoffelektrolytschicht, die in der ersten Ausführungsform des Gassensors aufgelistet ist.
Das Detektions-Zielgas ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange das Detektions-Zielgas ein Gas ist, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann. Beispiele des Detektions-Zielgases schließen stickstoffhaltige Verbindungen, sauerstoffhaltige Verbindungen und schwefelhaltige Verbindungen ein. Beispiele der stickstoffhaltigen Verbindungen schließen Ammoniak, Amine und Stickstoffoxid ein. Beispiele der schwefelhaltigen Verbindungen schließen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid ein.
<<Erste Elektrode und zweite Elektrode>>
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind nicht besonders beschränkt und können abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die erste Elektrode und die zweite Elektrode Elektroden sind, die auf einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht gegenüber einer Ebene der Elektrolytschicht, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, angeordnet sind. Beispiele der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode schließen die erste Elektrode und die zweite Elektrode ein, die für den Gassensor der ersten Ausführungsform angeführt sind. Bevorzugte Ausführungsformen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode sind ebenso jeweils identisch zu den bevorzugten Ausführungsformen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die für die erste Ausführungsform des Gassensors angegeben sind.
<<Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen>>
Die Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladungen zu beschleunigen, ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die Einheit eine Einheit ist, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung in einer Ebenenrichtung der Feststoffelektrolytschicht und in einer Richtung von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode innerhalb der Feststoffelektrolytschicht zu beschleunigen. Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der Vorrichtung ist die Einheit vorzugsweise eine Spannungsquelle, und im Hinblick auf das Energiesparen vorzugsweise die Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, die auf mindestens einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas steht.
– Spannungsquelle –
Die Spannungsquelle ist nicht besonders beschränkt und kann je nach dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die Spannungsquelle eine Energiequelle ist, die eine Vorspannung anlegen kann, solange die Spannungsquelle eine Energiequelle ist, die eine Vorspannung in einer Ebenenrichtung der Feststoffelektrolytschicht und in einer Richtung von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode innerhalb der Feststoffelektrolytschicht anlegen kann.
Weil unter Verwendung der Spannungsquelle die Vorspannung in die oben beschriebenen Richtungen der Feststoffelektrolytschicht angelegt wird, werden Bewegungen der Träger positiver Ladung beschleunigt, wenn das Detektions-Zielgas in Kontakt mit der Ebene der Feststoffelektrolytschicht gebracht wird, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, und die Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verändert sich.
– Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt –
Die Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein, solange die Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, auf mindestens einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, und sie ist die oben beschriebene Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt. Die Schicht ist vorzugsweise eine Schicht, die ein Material einschließt, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann, und es dem Detektions-Zielgas erlaubt, hindurchzutreten, weil Bewegungen der Träger positiver Ladung innerhalb der Feststoffelektrolytschicht noch mehr beschleunigt werden.
Weil die Schicht ein Material einschließt, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann und es dem Detektions-Zielgas erlaubt, hindurchzutreten, hemmt die Schicht die Koordination des Detektions-Zielgases an die Träger positiver Ladung der Feststoffelektrolytschicht nicht.
Beispiele des Materials, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann, schließen ein organisches Material ein, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt. Beispiele des organischen Materials, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung hat, schließen Naturkautschuk (Polyisopren), synthetisches Polyisopren, Polybutatien, ungesättigte Fettsäuren, ungesättigte Fettsäureester und ungesättigte Fettsäureamide ein. Beispiele der ungesättigten Fettsäuren schließen Ölsäure und Linolsäure ein.
Es ist zu beachten, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung die Fähigkeit hat, Elektronen an Atome und Ionen eines Übergangsmetalls zu liefern, um eine koordinative Bindung auszubilden. Folglich kann die Feststoffelektrolytschicht mit Elektronen dotiert werden, wenn das organische Material an die Träger positiver Ladung koordiniert. Im Ergebnis kann eine Vorspannung in die Feststoffelektrolytschicht eingeführt werden und so Bewegungen der Träger positiver Ladung beschleunigt werden.
Die Dicke oder Dichte der Schicht, die den Feststoffelektrolyten bedeckt, ändert sich vorzugsweise entlang der Richtung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode auf einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll. Die Änderung der Dicke oder der Dichte kann eine stufenweise Änderung oder eine graduelle Änderung sein. In dem Fall, wo die erste Elektrode in dem Gassensor als eine Messelektrode und die zweite Elektrode als eine Referenzelektrode verwendet wird, ist die Dicke oder Dichte der Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, vorzugsweise dicker oder dichter in dem Teil, der der zweiten Elektrode gegenüberliegt als dem Teil der der ersten Elektrode gegenüberliegt. Bewegungen der Träger positiver Ladung werden durch die oben beschriebene Dicke oder Dichte der Schicht beschleunigt.
Die zweite Ausführungsform des Gassensors wird hier mit Bezug auf Zeichnungen beschrieben. Es wird ein Gassensor beschrieben, in dem das Material der Feststoffelektrolytschicht Kupfer(I)-Bromid und das Detektions-Zielgas Ammoniak ist.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der zweiten Ausführungsform des Gassensors illustriert. Die Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung in dem Gassensor zu beschleunigen, wie sie in 3 illustriert ist, ist eine Spannungsquelle.
Der in 3 illustrierte Gassensor schließt eine Feststoffelektrolytschicht (11), die aus Kupfer(I)-Bromid gebildet ist, eine erste Elektrode (12), eine zweite Elektrode (13) und eine Spannungsquelle (14) ein. Die erste Elektrode (12) und die zweite Elektrode (13) sind auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (11) gegenüber einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (11), die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, und mit einer Lücke zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (13) angeordnet. Die Spannungsquelle (14) hat einen Aufbau, in dem eine Kupferelektrode (15), eine Feststoffelektrolytschicht (16) und eine Silberelektrode (17) in dieser Reihenfolge laminiert sind.
Ammoniak wird auf eine Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (11) adsorbiert. Der Ammoniak koordiniert dann an Kupfer-Ionen, die sich an der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (11) befinden. Die Kupfer-Ionen, an die der Ammoniak koordiniert, sind an der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (11) fixiert, und folglich wirken die Kupfer-Ionen nicht als Träger positiver Ladung. Im Ergebnis verringert sich die Konzentration der positiven Ladungsträger innerhalb der Feststoffelektrolytschicht (11). Wenn Vorspannung von einer Spannungsquelle (14) über die zweite Elektrode (13), die in diesem Moment in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht (11) stehen soll, an die Feststoffelektrolytschicht (11) angelegt wird, werden Kupfer-Ionen leicht von dem Bereich, der an die zweite Elektrode (13) angrenzt und ein positives Potential aufweist zu dem Bereich bewegt, der an die erste Elektrode (12) angrenzt und das niedrigere Potential hat. Im Ergebnis der Bewegungen der Kupfer-Ionen ändert sich die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden.
Die Änderung der Potentialdifferenz hängt von der angelegten Vorspannung und der Dichte von Trägern positiver Ladung innerhalb der Feststoffelektrolytschicht (im Einzelnen der Menge von Kupfer-Ionen pro Oberflächeneinheit, die durch Ammoniak an die Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht fixiert sind) ab. Folglich wird eine Potentialdifferenz erzeugt, die der Konzentration von Ammoniak in der Atmosphäre entspricht, wenn die Vorspannung konstant ist. Folglich kann eine Konzentration von Detektions-Zielgas gemessen werden, indem eine Potentialdifferenz zwischen der Elektrode in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht und angeschlossen an die Spannungsquelle und der anderen Elektrode, oder eine Potentialdifferenz in einem Weg von der anderen Elektrode zu der Spannungsquelle gemessen wird.
Als nächstes wird ein weiteres Beispiel der zweiten Ausführungsform des Gassensors beschrieben.
Die 4A bis 4C sind schematische Ansichten, die ein weiteres Beispiel der zweiten Ausführungsform des Gassensors veranschaulichen.
Der Gassensor der 4A bis 4C schließt eine Feststoffelektrolytschicht (21), die aus Kupfer(I)-Bromid gebildet ist, eine erste Elektrode (22), eine zweite Elektrode (23) und eine Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, ein. Die erste Elektrode (22) und die zweite Elektrode (23) sind auf einem Teil der Ebene der Feststoffelektrolytschicht (11) gegenüber der Ebene der Feststoffelektrolytschicht (11), die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, angeordnet. Die Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, ist aus Naturkautschuk gebildet, und die Menge des Naturkautschuks pro Oberflächeneinheit der Feststoffelektrolytschicht (21) ist größer in dem Bereich, der der zweiten Elektrode (23) gegenüberliegt, als in dem Bereich, der ersten Elektrode (22) gegenüberliegt. Die Änderung der Menge ist graduell. Es ist zu beachten, dass in den 4A und 4C die Änderung der Menge des Naturkautschuks zur Veranschaulichung durch den Farbton wiedergegeben wird. Die dunklere Farbe gibt eine größere Menge von Naturkautschuk wieder.
In dem Gassensor der 4A bis 4C ist die Menge des Naturkautschuks pro Oberflächeneinheit der Feststoffelektrolytschicht (21) größer in dem Bereich der Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, die der zweiten Elektrode (23) gegenüberliegt, als dem Bereich, der der ersten Elektrode (22) gegenüberliegt, und folglich ist die Dotierungsmenge von Elektronen größer in der Feststoffelektrolytschicht (21) an der Seite der zweiten Elektrode (23) als an der Seite der ersten Elektrode (22). Wegen der Differenz der Dotierungsmenge von Elektronen ist das Potential der ersten Elektrode (22) höher als das Potential der zweiten Elektrode (23). Wenn das Detektions-Zielgas in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht (21) gebracht wird, wird darüber hinaus die größere Menge von Detektions-Zielgas an die Region angrenzend an (22) fixiert, in der die Menge des Naturkautschuks pro Fläche, die die Feststoffelektrolytschicht (21) bedeckt, geringer ist als in der zweiten Elektrode (23). In der Feststoffelektrolytschicht (21) fehlen mehr Träger positiver Ladung an der ersten Elektrode(22)-Seite einer Region, die entfernt ist von der Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, als der zweite Elektrode(23)-Seite der Region. In der Feststoffelektrolytschicht (21) diffundieren die Träger positiver Ladung von der Seite der zweiten Elektrode (23) zu der Seite der ersten Elektrode (22), um zu einem Zustand zurückzukehren, in dem die Trägerkonzentration ausgeglichen ist. Im Ergebnis wird das Potential an der Seite der ersten Elektrode (22) höher als das Potential an der Seite der zweiten Elektrode (23).
In den 4A bis 4C ist die Ausführungsform, in der die Menge des Naturkautschuks in der Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, pro Oberflächeneinheit der Feststoffelektrolytschicht (21) sich graduell ändert, illustriert, jedoch ist die Ausführungsform der Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die Menge kann sich stufenweise ändern. Darüber hinaus kann die Schicht (24), die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, nur auf einem Teil der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht ausgebildet sein, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, solange Bewegungen der Träger positiver Ladung beschleunigt werden.
(Sensorvorrichtung)
Die offenbarte Sensorvorrichtung schließt zumindest den offenbarten Gassensor und eine Einheit ein, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung in der Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, und kann ferner nach Notwendigkeit weitere Einheiten einschließen.
<Einheit, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung der Potentialdifferenz eines Gassensors zu detektieren>
Die Einheit, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung einer Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, ist nicht besonders beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Die Einheit ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, weil die Sensorvorrichtung verkleinert werden kann und die Änderung der Potentialdifferenz verstärkt werden kann.
Die Einheit, die konfiguriert ist, eine Änderung einer Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, ist an die erste Elektrode des Gassensors angeschlossen.
<<Feldeffekttransistor>>
Der Feldeffekttransistor ist nicht besondere beschränkt und kann abhängig von dem beabsichtigten Zweck geeignet ausgewählt sein. Beispiele des Feldeffekttransistors schließen einen Feldeffekttransistor ein, der eine Gate-Elektrode, die dafür eingerichtet ist, eine Gate-Spannung anzulegen, eine Quellenelektrode und eine Drain-Elektrode, die dafür eingerichtet sind, elektrischen Strom abzunehmen, eine Aktivschicht, die zwischen der Quellenelektrode und der Drain-Elektrode angeordnet ist, und eine Gate-Isolationsschicht, die zwischen der Gate-Elektrode und der Aktivschicht angeordnet ist, umfasst. Beispiele eines Materials der Aktivschicht schließen Silicium und Metalloxid-Halbleiter ein.
Die erste Elektrode des Gassensors ist an die Gate-Elektrode angeschlossen.
Ein Beispiel der offenbarten Sensorvorrichtung wird mit Bezug auf eine Zeichnung beschrieben.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Sensorvorrichtung illustriert.
Die in 5 illustrierte Sensorvorrichtung schließt einen Gassensor und einen Feldeffekttransistor ein. Der Gassensor schließt eine Feststoffelektrolytschicht (1), eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (3) ein. Die erste Elektrode (2) ist auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) angeordnet. Die zweite Elektrode (3) ist in einem Bereich der anderen Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) angeordnet, wobei der Bereich den Gaskontaktbereich (4) der anderen Ebene ausschließt, der der ersten Elektrode (2) gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll. Der Feldeffekttransistor schließt ein Siliciumsubstrat (51), das ebenso als Aktivschicht wirkt, eine Quellenelektrode (52), eine Drain-Elektrode (53), eine Gate-Isolationsschicht 54 und eine Gate-Elektrode (55) ein. Die Gate-Elektrode (52) und die Drain-Elektrode (53) sind so angeordnet, dass die Aktivschicht zwischen ihnen liegt. Die Gate-Isolationsschicht (54) ist zwischen der Aktivschicht und der Gate-Elektrode (55) angeordnet. Die erste Elektrode (2) des Gassensors und die Gate-Elektrode (55) des Feldeffekttransistors sind über die erste Leitung (56) und die zweite Leitung (57) miteinander verbunden. Dann wird die Isolationsschicht (58) ausgebildet, um die Gate-Isolationsschicht (54), die Gate-Elektrode (55), die erste Leitung (56) und die zweite Leitung (57) zu bedecken, und der Gassensor wird auf der Isolationsschicht (58) angeordnet.
Beispiele
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend erläutert, jedoch ist die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Gassensor, wie er in den 6A bis 6C illustriert ist, wurde hergestellt. Im Einzelnen wurde der Gassensor mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
<Bildung der ersten Elektrode>
Eine Goldelektrode (erste Elektrode (2)) mit einer Breite von 10 mm, einer Länge von 25 mm und einer mittleren Dicke von 30 nm wurde durch Vakuumabscheidung auf einem Silicium-Wafer mit einem thermisch oxidierten Film mit einer mittleren Dicke von 1 μm durch Vakuumabscheidung gebildet, wobei der Silicium-Wafer eine Breite von 12 mm, eine Länge von 50 mm und eine Dicke von 0,6 mm hatte.
<Bildung der Feststoffelektrolytschicht>
Eine Kupferschicht mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 30 mm und einer mittleren Dicke von 0,5 μm wurde durch Vakuumabscheidung gebildet, um einen Teil der ersten Elektrode (2) zu bedecken. Anschließend wurde Kupfer der Kupferschicht in Kupfer(I)-Bromid überführt, indem eine wässrige Kupfer(II)-Bromid-Lösung verwendet wurde, wobei dasselbe Verfahren benutzt wurde, wie es beschrieben ist in ”2. Experimental” der Literatur (Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279–284), um so eine Feststoffelektrolytschicht (1) zu erhalten. Die mittlere Dicke der so erhaltenen Feststoffelektrolytschicht betrug 0,5 μm.
<Bildung der zweiten Elektrode>
Darüber hinaus wurde eine Kupferschicht mit einer Breite von 10 mm, einer Länge von 25 mm und einer mittleren Dicke von 60 nm durch Vakuumabscheidung auf eine Weise gebildet, dass ein Lücke (G) zwischen der Kupferschicht und der ersten Elektrode (2) 1 mm betrug, wie in 6A illustriert ist. Eine Goldschicht mit einer mittleren Dicke von 30 nm wurde durch Vakuumabscheidung auf der Kupferschicht gebildet und so eine Laminatstruktur der Kupferschicht und der Goldschicht (zweite Elektrode (3)) erhalten. In der beschriebenen Weise wurde ein Gassensor erhalten.
Die Lücke (G) meint eine Lücke zwischen dem Rand der projizierten ersten Elektrode (2) und dem Rand der zweiten Elektrode (3), die gegenüberliegen, wenn die erste Elektrode (2) projiziert wird auf die andere Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1), die einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) gegenüberliegt, an der die erste Elektrode (2) angeordnet ist.
<Auswertung der Änderung der Potentialdifferenz>
Ein 196-System DMM, erhältlich von Keithley, wurde auf eine Weise an den hergestellten Gassensor angeschlossen, dass die erste Elektrode (2) eine Meßelektode und die zweite Elektrode (3) eine Referenzelektrode wurde, und eine Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden wurde gemessen. Eine Reaktion des Gassensors auf Ammoniak wurde bewertet, indem der Gassensor in einen Fließweg von Stickstoffgas platziert wurde und die Gasquelle zwischen Stickstoffgas hoher Reinheit und Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, umgeschaltet wurde. Die Bewertung der Reaktion des Gassensors wurde bei Normaltemperatur ohne Heizen des Gassensors durchgeführt.
Es ist zu beachten, dass das Stickstoffgas hoher Reinheit mit einer Flussrate von 4.0 L/min verwendet wurde. Das Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, wurde unter Verwendung einer Permeationsvorrichtung (Produktname: PD-1B, erhältlich von GASTEC CORPORATION) erzeugt und wurde verwendet, indem es unter den Bedingungen erzeugt wurde, dass die Temperatur 30°C und die Flussrate 2,8 L/min betrug.
Das Verhältnis zwischen der gemessenen Potentialdifferenz und der abgelaufenen Zeit ist in 7 dargestellt. Selbst in dem Zustand, in dem das Stickstoffgas hoher Reinheit in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht (1) stand, war das Potential der Referenzelektrode in Folge des Gleichgewichts der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Kupfer, die an der Grenzfläche zwischen dem Kuper(I)-Bromid und der Oberfläche der Kupferelektrode stattfand, um etwa 56 mV höher als das Potential der Messelektrode. Wenn der Luftstrom von dem Stickstoffgas hoher Reinheit zu dem Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, geändert wurde, wurde das Potential der Messelektrode hoch und im Ergebnis wurde die gemessene Potentialdifferenz um etwa 6 mV kleiner. Folglich konnte bestätigt werden, dass der Gassensor von Beispiel 1 ein Gassensor mit hoher Empfindlichkeit und ein Potentialdifferenz-Messsystem war.
(Beispiel 2)
Ein Gassensor wurde hergestellt, wie in den 8A bis 8C illustriert ist. Im Einzelnen wurde der Gassensor mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
<Bildung der ersten Elektrode>
Eine Goldelektrode (erste Elektrode (2)) mit einer Breite von 10 mm, einer Länge von 20 mm und einer mittleren Dicke von 60 nm wurde durch Vakuumabscheidung auf einem Silicium-Wafer mit einem thermisch oxidierten Film mit einer mittleren Dicke von 1 μm gebildet, wobei der Silicium-Wafer eine Breite von 12 mm, Länge von 50 mm und Dicke von 0,6 mm hatte.
<Bildung der Feststoffelektrolytschicht>
Kupfer(I)-Bromid (Feststoffelektrolytschicht (1)) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 30 mm und einer mittleren Dicke von 200 nm wurde durch RF-Magnetron-Sputtern gebildet, um einen Teil der ersten Elektrode (2) zu bedecken.
Die Bedingungen für das RF-Magnetron-Sputtern waren wie folgt:

• RF-Leistung: 100 W
• Sputtergas: Ar
• Flussrate des Sputtergases: 30 sccm
• Gasdruck: 0,5 Pa

<Bildung der zweiten Elektrode>
Darüber hinaus wurde eine Goldelektrode (zweite Elektrode (3)) mit einer Breite von 10 mm, einer Länge von 20 mm und einer mittleren Dicke von 60 nm durch Vakuumabscheidung auf eine Weise gebildet, dass die Lücke (G) zwischen der Goldelektrode und der ersten Elektrode (2) 1 mm betrug, wie in 8A illustriert, und so ein Gassensor erhalten.
Die Lücke (G) meint eine Lücke zwischen dem Rand der projizierten ersten Elektrode (2) und dem Rand der zweiten Elektrode (3), die gegenüberliegen, wenn die erste Elektrode (2) auf die andere Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) projiziert wird, die einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht (1) gegenüberliegt, auf der die erste Elektrode (2) angeordnet ist.
<Bedecken mit Naturkautschuk>
Der erhaltene Gassensor wurde in eine Naturkautschuk-Hexanlösung (die Konzentration des Naturkautschuks war 0,01 Vol.%) für 1 Minute eingetaucht und die Oberflächen des Gassensors mit Hexan gewaschen. Anschließend wurde der Gassensor durch einen Backprozess getrocknet, der in Stickstoff bei 100°C für 30 Minuten durchgeführt wurde, um die Naturkautschukschicht (5) an einen Bereich der Feststoffelektrolytschicht (1) zu fixieren, der in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll.
<Auswertung der Änderung der Potentialdifferenz>
Eine Auswertung der Änderung der Potentialdifferenz wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, indem die erste Elektrode (2) als eine Messelektrode und die zweite Elektrode (3) als eine Referenzelektrode verwendet wurde und indem Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, benutzt wurde. Das Ergebnis ist in 9 präsentiert.
In dem Stickstoff hoher Reinheit war das Potential an der Seite der Messelektrode in Folge der Bewegungen der Kupfer-Ionen wegen der Dotierung von Elektronen aus dem Naturkautschuk um etwa 1 mV höher. Dies entspricht der Vorspannung. Wenn der Luftstrom von dem Stickstoffgas hoher Reinheit zu dem Stickstoff geändert wurde, der Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, wurde das Potential der Messelektrode um etwa 2 mV höher.
Wie oben beschrieben, wurde bestätigt, dass das organische Material, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt, als die Einheit verwendet werden konnte, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung der Feststoffelektrolytschicht zu beschleunigen.
Darüber hinaus wurde bestätigt, dass der Gassensor von Beispiel 2 ein Gassensor mit hoher Empfindlichkeit und ein Potentialdifferenz-Messsystem war.
(Beispiel 3)
Ein Gassensor, wie er in 10 dargestellt ist, wurde hergestellt. Im Einzelnen wurde der Gassensor mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
<Bildung der ersten Elektrode und zweiten Elektrode>
Zwei Goldelektroden (erste Elektrode (12) und zweite Elektrode (13)), die jeweils eine Breite von 10 mm, eine Länge von 25 mm und eine mittlere Dicke von 30 nm hatten, wurden durch Vakuumabscheidung auf einem Silicium-Werfer mit einem thermisch oxidierten Film mit einer mittleren Dicke von 1 μm abgeschieden, wobei der Silicium-Werfer eine Breite von 12 mm, eine Länge von 55 mm und eine Dicke von 0,6 mm hatte. Die zwei Goldelektroden waren angeordnet mit einer Lücke von 1 mm zwischen den Rändern der zwei Goldelektroden, die gegen überlagen.
<Bildung der Feststoffelektrolytschicht>
Eine Kupferschicht mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 30 mm und einer mittleren Dicke von 0,5 μm wurde durch Vakuumabscheidung auf jeder der zwei Goldelektroden gebildet. Anschließend wurde Kupfer der Kupferschichten in Kupfer(I)-Bromid überführt, indem eine wässrige Kupfer(II)-Bromid-Lösung verwendet wurde, wobei dasselbe Verfahren benutzt wurde, wie das Verfahren, das beschrieben ist in ”2. Experimental” der Literatur (Pascal Lauque, Marc Bendahan, Jean-Luc Seguin, Kieu An Ngo, Philippe Knauth, Analytica Chimica Acta, 515, (2004), 279–284), um eine Feststoffelektrolytschicht (11) herzustellen und so einen Detektor zu erhalten.
<Herstellung der Vorspannungsquelle>
Auf einem Silicium-Wafer mit einem thermisch oxidierten Film wurden eine Kupferelektrode (15) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 20 mm und einer mittleren Dicke von 30 nm, einen Kupfer(I)-Bromidschicht (Feststoffelektrolytschicht (16)) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 15 mm und einer mittleren Dicke von 0,5 μm und eine Silberelektrode (17) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 15 mm und einer mittleren Dicke von 30 nm in dieser Reihenfolge in denselben Verfahren wie bei der obigen <Bildung der ersten Elektrode und zweiten Elektrode> und <Bildung der Feststoffelektrolytschicht> ausgebildet. Die erhaltene Laminatstruktur wurde als eine Vorspannungsquelle (Spannungsquelle (14)) verwendet.
Die Silberelektrode (17) der Spannungsquelle (14) und eine der Goldelektroden (zweite Elektrode (13)) des Detektors wurden miteinander verbunden und so ein Gassensor erhalten.
Eine Reaktion auf Ammoniak wurde bewertet, indem ein Aufbau verwendet wurde, in dem die Kupferelektrode (15) der Spannungsquelle (14) als eine Referenzelektrode verwendet wurde und die andere Goldelektrode (erste Elektrode (12)) des Detektionskörpers als Messelektrode verwendet wurde, der Gassensor in den Fluss des Stickstoffgases platziert wurde und die Gasquelle zwischen Stickstoffgas hoher Reinheit und Stickstoff, der Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthält, umgeschaltet wurde, wobei die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden in derselben Weise wie in Beispiel 1 gemessen wurde. Zum Zeitpunkt der Auswertung war die Spannung aus der Vorspannungsquelle –90 ± 3 mV.
Das Verhältnis zwischen der gemessenen Potentialdifferenz und der abgelaufenen Zeit wird in 11 präsentiert. Selbst in dem Zustand, in dem das Stickstoffgas hoher Reinheit in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht (11) stand, war in Folge des Gleichgewichts der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Kupfer, die an der Grenzfläche zwischen dem Kupfer(I)-Bromid und der Oberfläche der Kupferelektrode erfolgte, das Potential der Referenzelektrode um etwa 100 mV höher als das Potential der Messelektrode. Wenn der Luftstrom von dem Stickstoffgas hoher Reinheit zu dem Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, geändert wurde, wurde das Potential der Messelektrode hoch und im Ergebnis wurde die Potentialdifferenz um etwa 50 mV kleiner.
Es wurde bestätigt, dass ein Gassensor mit hoher Empfindlichkeit und ein Differenzialdifferenz-Messsystem mit einem Aufbau erhalten werden konnte, in dem mehrere Elektroden angeordnet waren, um den Kontakt zwischen der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht und der Atmosphäre nicht zu verhindern, und Vorspannung an die Feststoffelektrolytschicht in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Ebene, die in Kontakt mit den Detektions-Zielgas stehen soll, angelegt wird, und durch Verwendung einer der Elektroden in Kontakt mit der Feststoffelektrolytschicht als Messelektrode, und der Elektrode an der Seite der Vorspannungsquelle nicht an die Feststoffelektrolytschicht als Referenzelektrode angeschlossen, wie oben beschrieben.
(Beispiel 4)
Ein Gassensor, wie er in den 12A bis 12C illustriert ist, wurde hergestellt. Im Einzelnen wurde der Gassensor mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
<Bildung der ersten Elektrode und zweiten Elektrode>
Zwei Goldelektroden (erste Elektrode (22) und zweite Elektrode (23)), die jeweils eine Breite von 10 mm, eine Länge von 20 mm und eine mittlere Dicke von 60 nm hatten, wurden durch Vakuumabscheidung auf einem Silicium-Wafer mit einem thermisch oxidierten Film mit einer mittleren Dicke von 1 μm abgeschieden, wobei der Silicium-Wafer eine Breite von 12 mm, eine Länge von 55 mm und eine Dicke von 0,6 mm hatte. Die zwei Goldelektroden waren angeordnet mit einer Lücke von 1 mm zwischen den Rändern der zwei Goldelektroden, die gegenüber lagen.
<Bildung der Feststoffelektrolytschicht>
Kupfer(I)-Bromid (Feststoffelektrolytschicht (21)) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 30 mm und einer mittleren Dicke von 200 nm wurde durch RF-Magnetron-Sputtern auf den zwei Goldelektroden ausgebildet und so eine Vorrichtung erhalten.
Die Bedingungen des RF-Magnetron-Sputterns waren dieselben wie in Beispiel 2.
<Bedecken mit Naturkautschuk>
Die erhaltene Vorrichtung wurde in eine Naturkautschuk-Hexanlösung (Konzentration des Naturkautschuks betrug 0,01 Vol.%) für 1 Minute eingetaucht. Danach wurde die Vorrichtung getrocknet, während man die Hexanlösung an der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (21) in einem Zustand herunterlaufen ließ, in dem die lange Seite des Silicium-Wafers im Wesentlichen vertikal gestellt wurde. Im Einzelnen wurde zum Zeitpunkt des zuvor erwähnten Trocknungsverfahrens ein Zustand ausgebildet, bei dem eine Menge des Naturkautschuks pro Einheitsfläche der Oberfläche der Feststoffelektrolytschicht (21) an der Oberseite gering war und die Menge an der Unterseite groß war, und die Schicht (24), die eine Naturkautschukschicht war und den Feststoffelektrolyten abdeckte, erhalten wurde. Die resultierende Vorrichtung wurde vor der Verwendung in einem Stickstofffluss für 24 Stunden bei Raumtemperatur aufbewahrt und so ein Gassensor erhalten. Es ist anzumerken, dass in den 12A und 12C die Menge des Naturkautschuks pro Einheitsfläche der Schicht (24), die den Feststoffelektrolyten bedeckt, durch den Farbton wiedergegeben wird. Im Einzelnen gibt eine dunklere Farbe eine größere Menge Naturkautschuk wieder.
<Auswertung der Änderung der Potentialdifferenz>
Die Änderung der Potentialdifferenz wurde ausgewertet, indem als Referenzelektrode die Goldelektrode (zweite Elektrode (23)), die beim Trocknen an der Unterseite war, als Messelektrode die Goldelektrode (erste Elektrode (22)), die an der Oberseite war, und Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, in derselben Weise wie in Beispiel 1 verwendet wurden. Das Ergebnis wird in 13 präsentiert.
Weil die Menge von Elektronen, die aus dem Naturkautschuk dotiert waren, an der Seite der Referenzelektrode groß war und an der Seite der Messelektrode klein war, war das Potential an der Seite der Messelektrode in der Stickstoffgasatmosphäre um 51 ± 1 mV höher. Dies entspricht einer Vorspannung. Wenn der Luftstrom von dem Stickstoffgas hoher Reinheit zu dem Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, geändert wurde, wurde das Potential der Messelektrode um etwa 25 mV höher.
Wie oben beschrieben, wurde bestätigt, dass der Gassensor von Beispiel 4 ein Gassensor mit hoher Empfindlichkeit und ein Potentialdifferenz-Messsystem war.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Gassensor, wie er in den 14A bis 14C illustriert ist, wurde hergestellt. Im Einzelnen wurde der Gassensor mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
<Bildung der ersten Elektrode und zweiten Elektrode>
Zwei Goldelektroden (erste Elektrode (32) und zweite Elektrode (33)), die jeweils eine Breite von 10 mm, eine Länge von 20 mm und eine mittlere Dicke von 60 nm hatten, wurden durch Vakuumabscheidung auf einem Silicium-Wafer mit einem thermisch oxidierten Film mit einer mittleren Dicke von 1 μm ausgebildet, wobei der Silicium-wafer eine Breite von 12 mm, eine Länge von 55 mm und eine Dicke von 0,6 mm hatte. Die zwei Goldelektroden waren mit einer Lücke von 1 mm zwischen den Rändern der zwei Goldelektroden, die gegenüber lagen, angeordnet.
<Bildung der Feststoffelektrolytschicht>
Kupfer(I)-Bromid (Feststoffelektrolytschicht (31)) mit einer Breite von 8 mm, einer Länge von 30 mm und einer mittleren Dicke von 200 nm wurde durch RF-Magnetron-Sputtern auf den zwei Goldelektroden ausgebildet, und so eine Vorrichtung erhalten.
Die Bedingungen des RF-Magnetron-Sputterns waren dieselben wie in Beispiel 2.
<Bedecken mit Naturkautschuk>
Der erhaltene Gassensor wurde für 1 Minute in eine Hexanlösung von Naturkautschuk (die Konzentration des Naturkautschuks betrug 0,01 Vol.%) eingetaucht und die Oberflächen des Gassensors mit Hexan gewaschen. Anschließend wurde der Gassensor durch einen Backprozess, der in Stickstoff bei 100°C für 30 Minuten durchgeführt wurde, getrocknet. Die Naturkautschukschicht (35), die auf der Feststoffelektrolytschicht (31) ausgebildet war, war auf der Feststoffelektrolytschicht (31) gleichförmig ausgebildet.
<Auswertung der Änderung der Potentialdifferenz>
Eine Auswertung wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, indem eine der zwei Goldelektroden als Referenzelektrode und die andere als Messelektrode verwendet wurde und Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, benutzt wurde.
Das Ergebnis wird in 15 präsentiert.
In diesem Fall gab es kaum eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden, weil es keinen Unterschied in der Struktur zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode gab. Selbst wenn der Luftstrom von dem Stickstoffgas hoher Reinheit zu dem Stickstoffgas, das Ammoniak in einer Konzentration von 1 ppm enthielt, umgeschaltet wurde, wirkte die Naturkautschukschicht (35) nicht als die Einheit, die dafür eingerichtet war, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, und die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden änderte sich kaum.
Bezugszeichenliste

1: Feststoffelektrolytschicht
2: erste Elektrode
3: zweite Elektrode
4: Gaskontaktbereich
5: Naturkautschukschicht
11: Feststoffelektrolytschicht
12: erste Elektrode
13: zweite Elektrode
14: Spannungsquelle
15: Kupferelektrode
16: Feststoffelektrolytschicht
17: Goldelektrode
21: Feststoffelektrolytschicht
22: erste Elektrode
23: zweite Elektrode
24: Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt
31: Feststoffelektrolytschicht
32: erste Elektrode
33: zweite Elektrode
35: Naturkautschukschicht
51: Siliciumsubstrat
52: Quellenelektrode
53: Drain-Elektrode
54: Gate-Isolationsschicht
55: Gate-Elektrode
56: erste Leitung
57: zweite Leitung
58: Isolationsschicht
α: Region
β: Region

Claims

Gassensor, umfassend: eine Feststoffelektrolytschicht, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordinieren soll; eine erste Elektrode, die auf einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist; und eine zweite Elektrode, die auf einem Bereich der anderen Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, wobei der Bereich einen Bereich der anderen Ebene ausschließt, die der ersten Elektrode gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll.
Gassensor gemäß Anspruch 1, in dem die Träger positiver Ladung Kupfer-Ionen oder Silber-Ionen oder sowohl Kupfer-Ionen als auch Silber-Ionen sind.
Gassensor gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem die Träger positiver Ladung Kupfer-Ionen sind.
Gassensor gemäß Anspruch 2 oder 3, in dem ein Material der zweiten Elektrode ein Metall ist, das identisch ist zu einem Metallelement der Träger positiver Ladung.
Gassensor umfassend: eine Feststoffelektrolytschicht, die Träger positiver Ladung einschließt, an die Detektions-Zielgas koordinieren soll; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die beide auf einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet sind, die der Ebene der Feststoffelektrolytschicht gegenüberliegt, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll; und eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, wobei die Bewegungen der Träger positiver Ladung Bewegungen in eine Ebenenrichtung der Feststoffelektrolytschicht und in einer Richtung von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode innerhalb der Feststoffelektrolytschicht sind.
Gassensor gemäß Anspruch 5, in dem die Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, eine Spannungsquelle ist.
Gassensor gemäß Anspruch 5, in dem die Einheit, die dafür eingerichtet ist, Bewegungen der Träger positiver Ladung zu beschleunigen, auf mindestens einem Teil einer Ebene der Feststoffelektrolytschicht angeordnet ist, die in Kontakt mit dem Detektions-Zielgas stehen soll, und die Einheit eine Schicht ist, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt.
Gassensor gemäß Anspruch 7, in dem die Schicht, die die Feststoffelektrolytschicht bedeckt, eine Schicht ist, die ein Material einschließt, das an die Träger positiver Ladung koordinieren kann und es dem Detektions-Zielgas ermöglicht, hindurchzutreten.
Gassensor gemäß Anspruch 8, in dem das Material, das an die positiven Ladungsträger koordinieren kann, ein organisches Material ist, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt.
Gassensor gemäß Anspruch 9, in dem das organische Material, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung einschließt, Polyisoprenkautschuk, Naturkautschuk oder Polybutadienkautschuk ist.
Gassensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, in dem die Träger positiver Ladung Kupfer-Ionen oder Silber-Ionen oder sowohl Kupfer-Ionen als auch Silber-Ionen sind.
Gassensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, in dem die Träger positiver Ladung Kupfer-Ionen sind.
Gassensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, in dem ein Material der Feststoffelektrolytschicht Kupfer(I)-Bromid, Kupfer(I)-Sulfid, Silbersulfid, Silberjodid oder Silberrubidiumjodid ist.
Gassensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, in dem ein Material der Feststoffelektrolytschicht Kupfer(I)-Bromid ist.
Sensorvorrichtung, die umfasst: den Gassensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14; und eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung einer Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, wobei die Einheit an die erste Elektrode des Gassensors angeschlossen ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 15, in dem die Einheit, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung der Potentialdifferenz des Gassensors zu detektieren, ein Feldeffekttransistor ist.