DE2005497C3

DE2005497C3 - Gasspürelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2005497C3
Application number: DE2005497A
Authority: DE
Inventors: Naoyoshi Kobe Hyogo Taguchi (Japan)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-02-06
Filing date: 1970-02-06
Publication date: 1975-07-17
Also published as: GB1257155A; DE2005497B2; DE2005497A1; FR2033921A5; US3676820A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasspürelement mit einem gepreßten Körper aus pulverförmigem Halbleitermate rial, welches bei Adsorption von Gasen seine elektri- $che Leitfähigkeit ändert.

Ein bekanntes Gasspürelement (DT-PS 1 090 002) verwendet einen Legierungs-Flächentransistor mit einem η-leitenden Germaniumhalbleiterkörper, in den die Emitter- und Kollektorbereiche mit Hilfe zweier Gold- oder Indiumklümpchen einlegiert sind, welche die Legierungsbereiche in p-leitendes Material umwandeln. Dem Basis-Emitter-Eingangskreis dieses als Verstärker in Basisgrundschaltung geschalteten Trai sisiors wird ein Wechselspannungssignal zugeführt, welches dem Basis-Kollektor-Ausgangskreis in verstärkter Form wieder entnommen wird. Der Transistor ist in einer Meßkammer angeordnet, in welche das zu untersuchende Gas eingeleitet wird. Infolge der Anlagerung von Ionen oder polaren Molekülen des zu untersuchenden Gases am Halbleiterkörper ändert sich der Verstärkungsfaktor des Transistors, so daß bei konstanter Eingangssignalamplitude die Ausgangssignalamplitude ein Maß für den Gehalt derartiger Gasbestandteile ist. Die Verwendung von Gold, Indium u. dgl. dient dabei zur Herstellung der Legierungsbereiche vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitergrundmaterial zum Zwecke der Herstellung eines Transistors. Irgendwelche besonderen Eigenschaften des Metalles Gold oder seiner Verbindungen sind insbesondere durch die Gleichstellung mit Indium oder anderen Legierungsmetallen nicht hervorgehoben.

Es ist bekannt, daß eine Gruppe von Metalloxidhalbleitermaterialien wie SnCh, ZnO. Fe2Cb und TiOj Gase wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Rauch und Alkoholdampf, welche reduzierend wirken, adsorbiert und dabei ihre elektrische Leitfähigkeit vergrößern. Solche Halbleiter werden als η-leitende Halbleiter bezeichnet. Eine andere Gruppe von Metalloxidhalbleitern wie NiO, CnOi und Cu20 adsorbieren Gase mit oxydierender Wirkung wie Sauerstoff, Chlor und Schwefeldioxid und vergrößern dabei ihre elektrische Leitfähigkeit. Hierbei handelt es sich um p-leitende Halbleiter. Wenn die η-leitenden bzw. p-leitenden Halbleiter jeweils die bei der anderen Gruppe aufgezählten Gase adsorbieren, also wenn η-leitende Halbleiter oxydierende Gase und p-leitende Halbleiter reduzierende Gase adsorbieren, dann verringert sich ihre elektrische Leitfähigkeit. Eine weitere Gruppe von Metalloxidhalbleitern, wie er-In₂Oi. werden als eigenleitende Halbleiter be-Seu deren elektrische Leitfähigkeit ach vergrößert wenn sie Wasserstoff oder Sauerstoff adsorbieren. Es sind Gasspürelernente bekannt, bei welchen die

* »rctohend erwähnten Mctalloxidhalbleitermaterialien

veÄefweTdea jedoch besteht der Wunsch, die Änderungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit zum Zeitpunkt der Adsorbierung der Gase zu vergrößern, da mit der Erhöhung der Anderungsgeschwindigken auch

_!0 der Gebrauchswert dieser Materialien ansteigt

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher .n der Verbesserung der Halbleitergasspürelemente im Sinne einer größeren Empfindlichkeit durch eine Erhöhung derüNtfähigkeitsänderungsgeschwindigkeit

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das gesamte Halbleitermaterial mit Gold oder Goldoxid vermischt ist Durch die Bildung eines derartigen Verbundmateiials wird in überraschender Weise die Empfindlichkeit des Gasspürelementes ganz we-

sentlich erhöht, so daß es in einer geeigneten, relativ einfachen Schaltung zur unmittelbaren Auslosung einer Alarmvorrichtung benutzt werden kann. Em geeignetes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gasspürelememes besteht in der Zubereitung einer Masse aus

2S nulverförmigem Halbleitermaterial, welches seine elektrische Leitfähigkeit bei der Adsorption von Gasen ändert mit anschließendem Formen und i rocknen der geformten Masse durch Erwärmen, wöbe, erfindungsgemäß der Masse vor dem Formen Gold oder eine

Goldverbindung beigemischt wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es

F i g I eine Schaltung eines Gasspürelementes,

F ι g. 2 eine graphische Darstellung der Empfindlichkeiten verschiedener Gasspürelemente gegenüber Butan und , · ^ ι F i g. 3 einen Schnitt durch ein Gasspurelement. In Fig. 1 ist ein Gasspürelement in allgemeiner

Form dargestellt Hierbei sind spulenförmig gewickelte Elektroden 1 und 2 in ein n-ieitendes Halbleitermaterial 3 beispielsweise SnO? in einem vorbestimmten Abstand eingebettet Die Elektrode 1 besteht aus Platindraht mit einem Widerstand von beispielsweise 2Ω.

und sie wirkt als Heizelement. Dieses Heizelement erhitzt das Halbleiterelement auf seine Betriebstemperatur zwischen 150 und 350⁰C, da die vorerwähnten Halbleitermaterialien bei niedrigerer Temperatur, wie Zimmertemperatur, nicht emrJfindlichsind. Die Spulen-

elektrode 1 wird an eine Spannung Vi von beispielsw eise 1 V Ein Anschluß der zweiten Spulenelektrode ist über eine Signalverarbeitungsanordnung 4 an eine Spannungsquelle Vi gelegt. Die Anordnung 4 enthält eine Alarmvorrichtung wie eine Hupe oder Lampe,

oder ein Betätigungselement wie ein elektromagnetisches Relais oder einen kleinen Motor.

Wenn das Halbleitermaterial SnO2 ein reduzierendes Gas adsorbiert, dann erhöht sich seine elektrische Leitfähigkeit und as fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 und durch die Einrichtung 4, welcher dadurch Energie zugeführt wird; die Spannung soll dazu einen ausreichenden Wert haben.

Die Kurve A in F i g. 2 stellt die der Signalverarbeitungseinrichtung 4 zugeführte Spannung über verschiedenen Konzentrationen von Butan in Luft dar, wenn der Widerstand der Signalverarbeitungseinrichtung 4ΚΩ und die Spannung V2 100 V gewählt wird und wenn das Halbeitermaterial 3 reines SnO2 ist. Wie die

Zeichnung erkennen läßt, ist reines SnCh gegenüber Butan sehr unempfindlich und läßt sich daher für den praktischen Aufbau eines Gasspürelementes der beschriebenen Art nicht verwenden. Dies gilt auch für andere Halbleiter wie ZnO. NiO und ImO.

Es hat sich nun gezeigt, daß ein solches Element außerordentlich empfindlich wird, wenn man ihm Gold oder Goldoxid zufügt So veranschaulicht die Kurve B in F i g. 2, daß die an der Einrichtung 4 auffetende Spannung, wenn das Element 0,1% Gold enthält, in Luft !0 V und in einer 0,0%igen Butanatmosphäre 60 V beträgt. Diese Spannungsänderung reicht aus, um die Einrichtung 4 zu betätigen. Die Ursache für die Vergrößerung der Empfindlichkeit des Elementes durch Gold oder Goldoxid kann in einer schwachen Katalysatorwirkung dieses Zusatzes gesucht werden. Einen solchen Effekt erhält man auch, wenn der Zusatz eine Verbindung ist, welche sich während des Adsorptionsvorganges in Gold oder Goldoxid umwände!«, wie beispielsweise Goldchlorid.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Elementes liegt in einer Vergrößerung seiner Adsorptionsfiäche. Da man die mechanische Festigkeit des Elementes üblicherweise so hoch wie möglich machen möchte, sintert man das Halbleitermaterial im allgemeinen bei hoher Temperatur. Jedoch erfolgt mit der durch die Sinterung erreichten mechanischen Festigkeit proportional eine Verringerung der Adsorptionsfläche wegen der Verschmelzungserscheinungen beim Sintern, so daß mit zunehmender mechs lischer Festigkeit die Empfindlichkeit in unerwünschter Weise immer geringer wird.

Bei einer anderen Ausführungsform hält man das Element genügend groß und erhöht seine mechanische Festigkeit durch eine Umkleidung mit porösem Material. Diese Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt. Wiederum sind zwei spulenförmige Platinelektroden 11 und 12 entsprechend F i g. 1 in gegenseitigem Abstand durch ein Abstandsstück 14, wie eine Glasperle, getrennt angeordnet Der Halbleiterkörper 13 kann wiederum aus SnO2 bestehen, welches in der gleichen Menge Paraffin bei hoher Temperatur aufgelöst und mit den Elektroden 11 und 12 und dem Abstandsstück 14 gemäß der Zeichnung zusammengebaut ist Anschließend läßt man einen elektrischen Strom durch die Elektroden 11 und 12 zur Erhitzung des Elementes und zum Wegbrennen des Paraffins fließen. Der dabei entstehende Körper wird porös und sehr empfindlich, und seine mechanische Festigkeit wird durch Zufügen eines porösen Überzuges 15 zu diesem Element erhöht Der Überzug 15 besteht aus porösem Material wie Asbest, Glasfasern oder Zement und einem Bindemittel wie Aluminiumhydroxid.

Zum Aufbringen des Überzuges 15 um das Element kann das nachstehende Verfahren angewendet werden. Nachdem das SnO2 in erhitztem Paraffin aufgelöst ist und mit den oben beschriebenen Elektroden versehen ist, und wieder abgekühlt ist werden beispielsweise Asbest und die gleiche Menge Aluminiumhydroxid in Wasser vermischt und auf das Element aufgebracht. Dann läßt man einen elektrischen Strom durch die Elektroden 11 und 12 fließen, so daß das Wasser und das Paraffin verdampfen. Anschließend wird die Temperatur zur Umwandlung des Aluminiumhydroxides A1(OH)3 in Aluminiumoxid AI2O3 und zur Aushärtung des Asbestüberzuges erhöht. Das dabei entstehende Element ist außerordentlich empfindlich gegenüber Gasen und hat eine hohe mechanische Festigkeit, so daß es sich mit guter Zuverlässigkeit wiederholt verwenden läßt.

Wenn verhindert werden soll, daß Aluminiumionen in das Element hineinwandern, dann kann man Polyvinylalkohol in einem dünnen Film aufbringen, nachdem das Paraffin verdampft ist, jedoch ehe das Asbest aufgebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasspürelement mit einem gepreßten Körper aus pulverförmigero Halbleitermaterial, weiches Mi Adsorption von Gasen seine elektrische Leitfähigkeit ändert, dadurch gekennzeichnet, dau das gesamte Halbleitermaterial mit Gold oder Goldoxid vermischt ist ,

2. Verfahren zur Herstellung eines Gasspureiementes durch Zubereiten einer Masse aus pulverförmigem Halbleitermaterial, welches sein», elektrische Leitfähigkeit bei der Adsorption von Gasen ändert, sowie Formen und Trocknen der geformten Masse durch Erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Masse vor dem Formen Gold oder eine Goldverbindung beigemischt wird.