JP2002090324A - Gas sensor and control method for metal oxide thin layer surface state - Google Patents

Gas sensor and control method for metal oxide thin layer surface state

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JP2002090324A
JP2002090324A JP2000281837A JP2000281837A JP2002090324A JP 2002090324 A JP2002090324 A JP 2002090324A JP 2000281837 A JP2000281837 A JP 2000281837A JP 2000281837 A JP2000281837 A JP 2000281837A JP 2002090324 A JP2002090324 A JP 2002090324A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain an excellent film forming property and to improve the sensitivity even in lean gas by making the film of a sensor part thin and controlling the fine surface state. SOLUTION: This gas sensor is provided with a substrate and a tin oxide film mainly composed of tin oxide, formed on the substrate. The tin oxide film is obtained by forming a film from a solution containing at least a tin compound and an organic polymeric compound that can chemically modify the tin compound, and then baking it in an oxygen inclusion atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はガスセンサおよびガ
スセンサ表面状態制御方法に関し、特に酸化スズ薄膜の
微細構造を任意に制御することにより得られる高感度ガ
スセンサおよび金属酸化物表面状態制御方法に関する。
The present invention relates to a gas sensor and a method for controlling the surface state of a gas sensor, and more particularly to a highly sensitive gas sensor and a method for controlling the surface state of a metal oxide obtained by arbitrarily controlling the fine structure of a tin oxide thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸化スズなどの半導体酸化物を利用した
ガスセンサは、高価な機器を必要としないで作製できる
ことから、陶磁器産業、電気機械産業、化学工業を含む
多くの分野における環境関連産業の新しい技術ニーズと
なっている。このため、各種ガスに対する選択性の向上
や低ガス濃度における応答感度の向上など、半導体薄膜
ガスセンサの高感度化技術は、その重要性が増してい
る。従来、酸化スズを用いたガスセンサとして、平均一
次粒子径が 35〜70nm の酸化スズを 10〜50μm の厚さ
に形成し、さらに鉛またはランタンのいずれか一種以上
を添加してなるガスセンサが知られている(特開平7−
260729)。このガスセンサは、四塩化スズ水溶液
にアンモニア水を加えて得られる水酸化スズの沈殿物を
乾燥後、焼成して得られる酸化スズを水で練ってペース
ト状にする。このペーストを白金薄膜の櫛形電極とヒー
タを備えたアルミナ基板の電極部分に塗布して乾燥、焼
成して酸化スズの厚膜を得てガスセンサとしている。
2. Description of the Related Art Since a gas sensor using a semiconductor oxide such as tin oxide can be manufactured without using expensive equipment, a new environment-related industry in many fields including the ceramics industry, the electric machine industry, and the chemical industry. Technology needs. For this reason, the importance of a technique for increasing the sensitivity of a semiconductor thin film gas sensor, such as improvement in selectivity to various gases and improvement in response sensitivity at a low gas concentration, is increasing. Conventionally, as a gas sensor using tin oxide, a gas sensor formed by forming tin oxide having an average primary particle diameter of 35 to 70 nm to a thickness of 10 to 50 μm and further adding at least one of lead and lanthanum is known. (Japanese Patent Laid-Open No. 7-
260729). In this gas sensor, a precipitate of tin hydroxide obtained by adding aqueous ammonia to an aqueous solution of tin tetrachloride is dried, and tin oxide obtained by firing is kneaded with water to form a paste. This paste is applied to an electrode portion of an alumina substrate provided with a comb-shaped electrode of a platinum thin film and a heater, dried and fired to obtain a thick film of tin oxide, thereby forming a gas sensor.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
酸化物を利用したガスセンサは酸化物表面へのガスの吸
着による抵抗変化を読みとるため、従来のガスセンサ
は、センサ部分となる出発物質が粉末であると、反応面
積が小さく高い感度を得ることが困難であるという問題
がある。特に低濃度のガスの場合における感度が十分で
はないという問題がある。このため、増感剤等を用いる
と、その分散性が問題となり、また、センサ表面に第2
層を積層した積層構造のセンサとした場合であっても十
分な性能を発揮するに至っていない。
However, since a gas sensor using a semiconductor oxide reads a change in resistance due to gas adsorption on the oxide surface, the conventional gas sensor assumes that the starting material serving as the sensor portion is powder. However, there is a problem that it is difficult to obtain a high sensitivity with a small reaction area. In particular, there is a problem that the sensitivity in the case of a gas having a low concentration is not sufficient. Therefore, when a sensitizer or the like is used, its dispersibility becomes a problem, and the second
Even in the case of a sensor having a laminated structure in which layers are laminated, sufficient performance has not been achieved.

【0004】また、成膜の方法として、転写印刷におい
ては従来粉末とスキージオイルを混合したものを印刷用
ペーストとして塗布していたが、粒径の粗さおよび接着
強度の低さが問題となっていた。また、スキージオイル
を使用するために使用後の洗浄にもトルエン等の芳香族
炭化水素系有機溶媒が必要なことも問題視されていた。
As a method of forming a film, in transfer printing, conventionally, a mixture of powder and squeegee oil has been applied as a printing paste, but the roughness of the particle size and the low adhesive strength pose problems. I was In addition, it has been considered that the use of squeegee oil requires the use of an aromatic hydrocarbon organic solvent such as toluene for washing after use.

【0005】本発明は、このような問題に対処するため
になされたもので、成膜性に優れ、センサ部分の薄膜化
とその微細表面状態を制御することにより、希薄ガスで
も感度が向上するガスセンサ、およびガスセンサに好適
な金属酸化物薄層表面状態制御方法を提供することを目
的とする。
The present invention has been made to address such a problem, and has excellent film-forming properties. By reducing the thickness of the sensor portion and controlling the state of its fine surface, the sensitivity can be improved even with a rare gas. It is an object of the present invention to provide a gas sensor and a metal oxide thin layer surface state control method suitable for the gas sensor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサは、
基板と、この基板上に形成された酸化スズを主成分とす
る酸化スズ膜とを備えてなり、該酸化スズ膜が、スズ化
合物と、該スズ化合物に化学修飾できる有機高分子化合
物とを少なくとも含む溶液より成膜した後、酸素含有雰
囲気中で焼成して得られることを特徴とする。本発明に
おいて、化学修飾とは、スズ化合物と有機高分子化合物
とが溶媒中において、単なる混合でなく、例えば配位結
合、共有結合等、何等かの化学的相互作用、あるいは化
学的変化が生じている状態をいう。
A gas sensor according to the present invention comprises:
A substrate, comprising a tin oxide film containing tin oxide as a main component formed on the substrate, wherein the tin oxide film contains at least a tin compound and an organic polymer compound that can be chemically modified with the tin compound. It is characterized in that it is obtained by forming a film from a solution containing the solution and then firing in an oxygen-containing atmosphere. In the present invention, the chemical modification means that a tin compound and an organic polymer compound are not simply mixed in a solvent but cause any chemical interaction or a chemical change such as a coordination bond or a covalent bond. State.

【0007】また、上記スズ化合物が有機スズ化合物で
あることを特徴とする。また、上記有機高分子化合物の
数平均分子量が100 〜5,000,000 であることを特徴とす
る。また、上記溶液は、溶媒中に、上記スズ化合物 100
重量部と、上記有機高分子化合物 5〜100重量部とを含
有してなることを特徴とする。その溶液の 25℃におけ
る粘度が 0.1〜10Pa・sであることを特徴とする。上記酸
化スズ膜上にヒドロキシアパタイトが被覆されてなるこ
とを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the tin compound is an organic tin compound. The organic polymer compound has a number average molecular weight of 100 to 5,000,000. In addition, the above-mentioned solution contains the above-mentioned tin compound 100 in a solvent.
It is characterized by containing 5 parts by weight of the organic polymer compound and 5 to 100 parts by weight of the organic polymer compound. The solution has a viscosity at 25 ° C. of 0.1 to 10 Pa · s. It is characterized in that hydroxyapatite is coated on the tin oxide film.

【0008】本発明のガスセンサの金属酸化物薄層表面
状態制御方法は、基板上に金属化合物を含む層を形成す
る成膜工程と、成膜された該金属化合物を含む層を焼成
する焼成工程とを備えてなり、上記成膜工程は、金属化
合物と、該金属化合物に化学修飾できる有機高分子化合
物とを含む溶液を用いて塗布、乾燥する工程であり、上
記焼成工程は、乾燥された薄膜を酸素含有雰囲気中で焼
成することを特徴とする。
The method for controlling the surface state of a thin metal oxide layer of a gas sensor according to the present invention comprises a film forming step of forming a layer containing a metal compound on a substrate, and a firing step of firing the formed layer containing the metal compound. The film forming step is a step of applying and drying using a solution containing a metal compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the metal compound, and the baking step is performed by drying The method is characterized in that the thin film is fired in an oxygen-containing atmosphere.

【0009】酸化スズなどの半導体酸化物を利用した半
導体ガスセンサは、半導体酸化物表面へのガスの吸着に
よる抵抗変化等を読みとるため、その表面積が大きいほ
ど高感度になる。本発明は、スズ化合物とこのスズ化合
物に化学修飾できる有機高分子化合物を含む溶液より成
膜・焼成することにより、化学修飾した有機高分子化合
物が焼成時に分解揮散するので、表面積が大きい薄膜が
形成できる。特に、有機高分子化合物の数平均分子量と
配合量とを調節することにより、酸化スズの表面微細孔
が数ナノから数ミクロンオーダーまで任意に制御可能と
なる。また、成膜時の粘度を所定の範囲にすることによ
り、転写印刷に用いるペーストとしての利用が容易とな
る。上記酸化スズセンサ薄膜上に、ヒドロキシアパタイ
トを被覆することにより被検ガスの吸着性能を向上さ
せ、結果としてセンサの感度が向上する。
A semiconductor gas sensor using a semiconductor oxide such as tin oxide reads a change in resistance or the like due to adsorption of a gas to the surface of the semiconductor oxide. The present invention provides a thin film having a large surface area because a chemically modified organic polymer compound is decomposed and volatilized at the time of firing by forming and firing a solution containing a tin compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the tin compound. Can be formed. In particular, by adjusting the number average molecular weight and the amount of the organic polymer compound, the surface micropores of the tin oxide can be arbitrarily controlled from several nanometers to several microns. Further, by setting the viscosity at the time of film formation to a predetermined range, the use as a paste used for transfer printing becomes easy. By coating hydroxyapatite on the tin oxide sensor thin film, the adsorption performance of the test gas is improved, and as a result, the sensitivity of the sensor is improved.

【0010】本発明の金属酸化物薄層表面状態制御方法
は、金属化合物と、該金属化合物に化学修飾できる有機
高分子化合物とを含む溶液を用いて塗布、乾燥する成膜
工程と、乾燥または予備焼成された薄膜を酸素含有雰囲
気中で焼成する焼成工程とを有することにより、従来公
知の技術を組み合わせることで金属酸化物薄層の表面状
態を制御できる。
The method for controlling the surface state of a thin metal oxide layer according to the present invention comprises a film forming step of applying and drying a solution containing a metal compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the metal compound; A baking step of baking the pre-baked thin film in an oxygen-containing atmosphere, whereby the surface state of the metal oxide thin layer can be controlled by combining conventionally known techniques.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明のガスセンサを図1により
説明する。図1はガスセンサの検出部の断面図である。
ガスセンサ1は、基板4上に白金電極3、3が設けら
れ、この白金電極3、3と電気的に接続して酸化スズ膜
2が形成されている。基板4の裏面には加熱手段のヒー
タ5が設けられている。基板4としては、ガラス基板、
シリコン基板、アルミナ基板、酸化マグネシウム基板
等、ガスセンサに公知の基板を用いることができる。ま
た、白金電極3、3間の電気的特性、例えば電気抵抗値
の変化を検出することにより、ガス濃度が測定される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A gas sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view of a detection unit of the gas sensor.
The gas sensor 1 is provided with platinum electrodes 3, 3 on a substrate 4, and a tin oxide film 2 is formed electrically connected to the platinum electrodes 3, 3. On the back surface of the substrate 4, a heater 5 as a heating means is provided. As the substrate 4, a glass substrate,
Known substrates for gas sensors, such as a silicon substrate, an alumina substrate, and a magnesium oxide substrate, can be used. Further, the gas concentration is measured by detecting a change in electrical characteristics between the platinum electrodes 3 and 3, for example, an electrical resistance value.

【0012】酸化スズ膜2は、スズ化合物と、該スズ化
合物に化学修飾できる有機高分子化合物とを少なくとも
含む溶液を調整して、この溶液より成膜された薄膜を酸
素含有雰囲気中で焼成して得られる。本発明で用いるこ
とのできるスズ化合物は、後述する有機高分子化合物と
溶液中で化学修飾できる化合物であればよい。例えば、
塩化スズ、硝酸スズ、硫酸スズなどの無機スズ化合物、
スズテトライソプロポキシド、スズテトラエトキシドな
どのスズテトラアルコキシド類、2−エチルヘキサン酸
スズ、ナフテン酸スズ等の有機スズ化合物が挙げられ
る。これらの中でも成膜性に優れる有機スズ化合物が好
ましい。
The tin oxide film 2 is prepared by preparing a solution containing at least a tin compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the tin compound, and firing a thin film formed from this solution in an oxygen-containing atmosphere. Obtained. The tin compound that can be used in the present invention may be any compound that can be chemically modified in solution with an organic polymer compound described below. For example,
Inorganic tin compounds such as tin chloride, tin nitrate, tin sulfate,
Examples include tin tetraalkoxides such as tin tetraisopropoxide and tin tetraethoxide, and organic tin compounds such as tin 2-ethylhexanoate and tin naphthenate. Of these, organotin compounds having excellent film-forming properties are preferred.

【0013】有機高分子化合物は、溶液中でのスズ化合
物に化学修飾できる官能基を有する化合物であればよ
く、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイ
ド、ポリビニルアルコール、メチルセルローズ、カルボ
キシメチルセルローズ等の酸素含有高分子類、ポリビニ
ルピロリドン等が挙げられる。これらの中でもスズ化合
物を化学修飾しやすい酸素含有高分子類が好ましい。
The organic polymer compound may be any compound having a functional group capable of chemically modifying a tin compound in a solution, and may be an oxygen-containing polymer such as polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, methyl cellulose and carboxymethyl cellulose. And polyvinylpyrrolidone. Of these, oxygen-containing polymers that can easily modify the tin compound are preferable.

【0014】スズ化合物に化学修飾する有機高分子化合
物の分子量の大きさにより焼成後の酸化スズ膜の表面状
態が制御される。分子量が大きくなると、焼成後の微細
孔の直径が大きくなる。有機高分子化合物の数平均分子
量は、有機高分子化合物の種類によっても異なるが、10
0 〜5,000,000 であることが好ましい。数平均分子量が
100 未満であると、微細孔の直径が小さくなる。一方、
数平均分子量が5,000,000 をこえると、成膜が困難にな
る場合があり、均一な酸化スズ膜が得られない場合があ
る。
The surface state of the tin oxide film after firing is controlled by the molecular weight of the organic polymer compound that is chemically modified into the tin compound. As the molecular weight increases, the diameter of the fired micropores increases. The number average molecular weight of the organic polymer compound varies depending on the type of the organic polymer compound,
It is preferably from 0 to 5,000,000. Number average molecular weight is
If it is less than 100, the diameter of the micropore becomes small. on the other hand,
If the number average molecular weight exceeds 5,000,000, film formation may be difficult, and a uniform tin oxide film may not be obtained.

【0015】スズ化合物と有機高分子化合物とを溶解あ
るいは分散させる溶媒としては、有機溶媒、水、または
有機溶媒と水との混合溶媒を用いることができる。特に
有機スズ化合物と酸素含有高分子類とを溶解することが
できる有機溶媒が好ましく、酸素含有高分子類の溶解と
有機スズ化合物との化学修飾が生じやすい、2−メトキ
シエタノール、2−エトキシエタノール、などのアルコ
キシアルコール類が特に好ましい。
As a solvent for dissolving or dispersing the tin compound and the organic polymer compound, an organic solvent, water, or a mixed solvent of an organic solvent and water can be used. In particular, an organic solvent capable of dissolving an organotin compound and an oxygen-containing polymer is preferable, and 2-methoxyethanol and 2-ethoxyethanol, in which dissolution of the oxygen-containing polymer and chemical modification of the organotin compound are likely to occur. And the like are particularly preferred.

【0016】スズ化合物と有機高分子化合物とを含んだ
溶液は、溶媒中に、スズ化合物 100重量部と有機高分子
化合物 5〜100重量部とを配合する。有機高分子化合物
の分子量にもよるが、有機高分子化合物の配合量が100
重量部をこえると、焼成後の表面状態が均一にならず、
また 5 重量部未満であると、望みとする表面粗さが得
られない。溶液中におけるスズ化合物の濃度は、0.1〜2
0mol/l 、好ましくは0.25〜1mol/l である。0.1mol/l
未満では酸化スズ膜が島状となり連続性がなくなる。ま
た20mol/l をこえると、有機高分子化合物の溶解性が悪
くなる。
A solution containing a tin compound and an organic polymer compound is prepared by mixing 100 parts by weight of a tin compound and 5 to 100 parts by weight of an organic polymer compound in a solvent. Depending on the molecular weight of the organic polymer compound, the amount of the organic polymer compound may be 100
If the amount exceeds the weight part, the surface state after firing will not be uniform,
If it is less than 5 parts by weight, desired surface roughness cannot be obtained. The concentration of the tin compound in the solution is between 0.1 and 2
0 mol / l, preferably 0.25 to 1 mol / l. 0.1mol / l
If it is less than 1, the tin oxide film becomes island-shaped and loses continuity. If it exceeds 20 mol / l, the solubility of the organic polymer compound becomes poor.

【0017】スズ化合物と有機高分子化合物とを含んだ
溶液には、通常塗膜生成に用いられる各種添加剤、例え
ば、レベリング剤、粘度付与剤、安定剤等を添加するこ
とができる。特に、転写印刷においては印刷用ペースト
として塗布する場合には、粘度付与剤を添加して溶液の
25℃での粘度を0.1Pa・s〜10Pa・s、好ましくは 2〜6 Pa
・sに調整することにより、転写印刷に直接利用できる溶
液由来のペーストが作製できる。なお、この粘度は上記
有機高分子化合物の配合量でも調節することができる。
To the solution containing the tin compound and the organic polymer compound, various additives usually used for forming a coating film, for example, a leveling agent, a viscosity imparting agent, a stabilizer and the like can be added. In particular, when applying as a printing paste in transfer printing, a viscosity-imparting agent is added to
0.1 Pas to 10 Pas at 25 ° C, preferably 2 to 6 Pa
By adjusting to s, a paste derived from a solution that can be directly used for transfer printing can be produced. The viscosity can be adjusted also by the amount of the organic polymer compound.

【0018】酸化スズ膜の成膜方法について説明する。 1)上記粘度および濃度に調整したスズ化合物と有機高
分子化合物とを含んだ溶液を基板上に塗布する。塗布方
法は、公知の塗布方法を採用できる。例えばスピンコー
ト法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリー
ン印刷、パット印刷などの印刷コート法、電着コート法
等が挙げられる。 2)空気中 100〜150℃の温度で乾燥する。次いで、上
記1)の方法にしたがい再度溶液を塗布する。その後 1
00〜150℃の温度で乾燥し、この工程を所定の膜厚とな
るまで複数回、例えば 2〜20回繰り返す。なお、 100〜
150℃の温度で乾燥後、あるいは塗布直後に予備焼成を
行なうことができる。予備焼成温度としては、 250〜35
0℃の温度である。 3)最後に酸素含有雰囲気中で、350℃をこえ、1000℃
以下の温度、好ましくは500 〜800℃の温度範囲で焼成
する。なお、予備焼成した場合は、その予備焼成温度よ
り高い温度で焼成する。焼成温度が350 ℃以下である
と、酸化スズの結晶化が十分でなくなる。また、1000℃
をこえる温度では、酸化スズ膜のシンタリングなど生じ
やすくなり、表面粗さが小さくなる。なお、酸素含有雰
囲気としては、空気中が好ましい。 4)得られた酸化スズ膜は、1μm 以下の厚さで薄膜表
面にナノメータ単位での細孔が出現し、表面積が増大す
る。その結果、高感度センサが得られる。
A method for forming a tin oxide film will be described. 1) A solution containing a tin compound and an organic polymer compound adjusted to the above viscosity and concentration is applied on a substrate. As a coating method, a known coating method can be adopted. For example, a spin coat method, a dip coat method, a spray coat method, a print coat method such as screen printing and pad printing, an electrodeposition coat method and the like can be mentioned. 2) Dry at 100-150 ° C in air. Next, the solution is applied again according to the above method 1). Then 1
After drying at a temperature of 00 to 150 ° C., this step is repeated a plurality of times, for example, 2 to 20 times, until a predetermined film thickness is obtained. In addition, 100 ~
Pre-baking can be performed after drying at a temperature of 150 ° C. or immediately after application. The pre-firing temperature is 250-35
The temperature is 0 ° C. 3) Finally, in an oxygen-containing atmosphere, exceed 350 ° C and 1000 ° C
The sintering is carried out at the following temperature, preferably in the temperature range of 500 to 800 ° C. In the case of pre-firing, firing is performed at a temperature higher than the pre-firing temperature. If the firing temperature is lower than 350 ° C., the crystallization of tin oxide becomes insufficient. 1000 ℃
If the temperature exceeds the above range, sintering of the tin oxide film is likely to occur, and the surface roughness is reduced. Note that the oxygen-containing atmosphere is preferably in air. 4) The obtained tin oxide film has a thickness of 1 μm or less, pores in nanometer units appear on the surface of the thin film, and the surface area increases. As a result, a high-sensitivity sensor is obtained.

【0019】上記酸化スズ膜の表面にさらに数nm〜10nm
程度のヒドロキシアパタイト層を形成することにより、
より高感度な 2 重積層型高感度センサが得られる。表
面被覆ヒドロキシアパタイト層により被検ガスがより吸
着するために、センサ表面にガスが集中することにな
り、結果として低いガス濃度の検知が可能になる。ヒド
ロキシアパタイト層の形成方法としては公知の方法でよ
く、例えば、カルシウムイオン濃度を 0.1〜50mmol/l、
リン酸イオン濃度を 0.1〜20mmol/lに調整した疑似体液
に 2 時間以上浸漬する方法が挙げられる。ここで、疑
似体液はリン酸カルシウム化合物を形成できる加工液で
あり、塩化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、塩化カリ
ウム、リン酸水素カリウム、塩化マグネシウム、塩化カ
ルシウム、硫酸ナトリウム、フッ化ナトリウム、純水等
から調製される。
Further, the surface of the tin oxide film has a thickness of several nm to 10 nm.
By forming a degree of hydroxyapatite layer,
A more sensitive double-layered high-sensitivity sensor can be obtained. Since the test gas is more adsorbed by the surface-coated hydroxyapatite layer, the gas is concentrated on the sensor surface, and as a result, a low gas concentration can be detected. The method for forming the hydroxyapatite layer may be a known method, for example, a calcium ion concentration of 0.1 to 50 mmol / l,
There is a method of immersing in a simulated body fluid in which the phosphate ion concentration is adjusted to 0.1 to 20 mmol / l for 2 hours or more. Here, the simulated body fluid is a processing fluid capable of forming a calcium phosphate compound, and is prepared from sodium chloride, sodium hydrogen carbonate, potassium chloride, potassium hydrogen phosphate, magnesium chloride, calcium chloride, sodium sulfate, sodium fluoride, pure water, and the like. You.

【0020】本発明の金属酸化物薄層表面状態制御方法
は、上記酸化スズ膜の成膜方法と同様の方法を用いるこ
とができる。すなわち、酸化スズ以外の半導体酸化物セ
ンサを形成できる金属酸化物薄層にも適用して、薄層表
面の細孔径サイズを数ナノメータから数マイクロメータ
の間で変化させる可能となり、ガスセンサに用いられる
金属酸化物薄層の表面状態を制御できる。半導体酸化物
センサを形成できる金属としては、例えば亜鉛、ジルコ
ニウム、タングステン、インジウム、ガリウム、ランタ
ン、ストロンチウム、コバルト、鉄、銀等が挙げられ
る。また、化学修飾方法、成膜方法、焼成方法はスズの
場合と同様の方法で行なうことができる。
In the method for controlling the surface state of a thin metal oxide layer according to the present invention, a method similar to the above-described method for forming a tin oxide film can be used. That is, the present invention can be applied to a metal oxide thin layer capable of forming a semiconductor oxide sensor other than tin oxide, and it is possible to change the pore diameter size of the thin layer surface from several nanometers to several micrometers, which is used for a gas sensor. The surface state of the metal oxide thin layer can be controlled. Examples of metals that can form a semiconductor oxide sensor include zinc, zirconium, tungsten, indium, gallium, lanthanum, strontium, cobalt, iron, silver, and the like. The chemical modification method, film formation method, and firing method can be performed in the same manner as in the case of tin.

【0021】[0021]

【実施例】実施例1 スズ化合物としてスズテトライソプロポキシド(Sn
(O−iC374)を、溶媒として2メトキシエタノ
ール(CH3OC24OH)を、有機高分子化合物とし
てポリエチレングリコール(数平均分子量 2000)を準
備した。塗布溶液の調製は乾燥窒素雰囲気のグローブボ
ックス内で行ない、0.25mol/l の濃度に調製したスズ化
合物の2メトキシエタノール溶液にポリエチレングリコ
ールをスズ化合物の 20 重量%添加し、50 ℃において
1 時間加熱撹拌を行なうことにより均一な塗布溶液を得
た。この溶液を、目の粗さが 0.2 μm のナイロンフィ
ルターを通過させることにより不純物を取り除いた。
EXAMPLES Example 1 Tin tetraisopropoxide (Sn) was used as a tin compound.
(O-iC 3 H 7) 4 and), 2-methoxyethanol (CH 3 OC 2 H 4 OH ) as solvent, was prepared polyethylene glycol (number average molecular weight 2000) as the organic polymer compound. The coating solution was prepared in a glove box in a dry nitrogen atmosphere. To a 2methoxyethanol solution of a tin compound adjusted to a concentration of 0.25 mol / l, polyethylene glycol was added at 20% by weight of the tin compound.
By heating and stirring for 1 hour, a uniform coating solution was obtained. The solution was passed through a nylon filter having a mesh size of 0.2 μm to remove impurities.

【0022】スズテトライソプロポキシドにポリエチレ
ングリコールが化学修飾している様子をフーリェ変換赤
外スペクトル(FT−IR)測定により調べた。その結
果を図2に示す。図2はFT−IRスペクトラムであ
る。図2に示すように、ポリエチレングリコール(図
中、PEGで示す)単独でのスペクトラムにおいてみら
れた−C−O−伸縮振動に起因するピーク(図中、△で
示す)が、乾燥塗膜(図中Sn−Gel with P
EGで示す)においては、消滅、あるいはブロードとな
り、新しいピーク(図中、星印で示す)が出現してい
る。ポリエチレングリコール分子の極性部分とスズテト
ライソプロポキシドとが、配位結合等の相互作用をして
いることが分かる。
The manner in which tin glycol was chemically modified with tin tetraisopropoxide was examined by Fourier transform infrared spectrum (FT-IR) measurement. The result is shown in FIG. FIG. 2 is an FT-IR spectrum. As shown in FIG. 2, the peak (indicated by △ in the figure) due to —CO—stretching vibration observed in the spectrum of polyethylene glycol (indicated by PEG in the figure) alone was the dried coating film (indicated by △ in the figure). Sn-Gel with P in the figure
EG), disappears or becomes broad, and a new peak (indicated by a star in the figure) appears. It can be seen that the polar portion of the polyethylene glycol molecule and tin tetraisopropoxide have an interaction such as coordination bond.

【0023】基板として白金電極を櫛形にスクリーン印
刷したアルミナ(Al23)基板(縦 13mm×横 8mm×
厚さ 1mm)を準備した。この基板上に上記塗布溶液をス
ピンコーティング法(2000rpm 、 20sec)により塗布し
て成膜した。成膜後すぐに 350 ℃において予備焼成を
行なった。このスピンコーティング・予備焼成処理を15
回繰り返えして、その後、800 ℃温度で 1 時間焼成を
行なって、酸化スズ(SnO2)薄膜を得た。
An alumina (Al 2 O 3 ) substrate (13 mm long × 8 mm wide ×
1 mm thick) was prepared. The above coating solution was applied on this substrate by a spin coating method (2000 rpm, 20 sec) to form a film. Immediately after the film formation, preliminary firing was performed at 350 ° C. This spin coating and pre-baking
This was repeated twice and then baked at a temperature of 800 ° C. for one hour to obtain a tin oxide (SnO 2 ) thin film.

【0024】焼成温度と有機物存在、結晶化の過程を図
3および図4にそれぞれ示す。図3は基板上に塗布され
た塗膜の乾燥および焼成温度とFT−IRスペクトラム
で、 300 ℃以上の温度で、有機化合物にみられる伸縮
振動や変角振動に基づくピークが消滅していることが分
かる。図4は塗膜の乾燥および焼成温度の相違によるエ
ックス線回折(XRD)結果であり、 300 ℃の温度で
は、酸化スズ結晶の(110)、(101)、(21
1)結晶面に基づくピークが小さく結晶化が完全に進ん
でいないことを示しているが、 400 ℃の温度では、酸
化スズ結晶が生成していることが分かる。図5は 800℃
の温度で基板を焼成した後のエックス線回折(XRD)
結果であり、酸化スズ結晶に基づくピーク(図中、Sで
示す)が基板のアルミナ(図中、Cで示す)、電極の白
金(図中、Ptで示す)とともにみられ、酸化スズ(S
nO2)の結晶化が確認された。
FIGS. 3 and 4 show the sintering temperature, the presence of organic substances, and the process of crystallization, respectively. Fig. 3 shows the drying and baking temperature and FT-IR spectrum of the coating film applied on the substrate. At a temperature of 300 ° C or more, the peaks based on the stretching vibration and the bending vibration observed in the organic compound disappear. I understand. FIG. 4 shows the results of X-ray diffraction (XRD) based on differences in the drying and baking temperatures of the coating film. At a temperature of 300 ° C., tin oxide crystals (110), (101), (21)
1) Although the peak based on the crystal plane is small and indicates that crystallization has not completely progressed, it can be seen that tin oxide crystals are formed at a temperature of 400 ° C. Figure 5 shows 800 ° C
-Ray diffraction (XRD) after baking the substrate at the temperature of
As a result, a peak (indicated by S in the figure) based on the tin oxide crystal was observed together with the alumina of the substrate (indicated by C in the figure) and platinum of the electrode (indicated by Pt in the figure).
Crystallization of nO 2 ) was confirmed.

【0025】得られた酸化スズ薄膜の深さ方向の形状を
図6に示す。図6は原子間力顕微鏡(AFM)により得
られた一辺の長さ 1000nm の立体表面図であり、図6
(a)は実施例1で得られた酸化スズ薄膜を、図6
(b)は比較例1として示したもので、ポリエチレング
リコールを用いない以外は実施例1と同一の条件方法で
作製した酸化スズ薄膜である。酸化スズ薄膜上に形成さ
れた凹凸部における最大高さと最小高さの差(Zmax
は、実施例1が 28.02nm であり、比較例1が 25.16nm
であった。また、隣接する凹凸部における深さ方向高さ
の差(Zdepth)は、実施例1が 6〜12nm であり、比較
例1が 3〜4nm であった。このことより、実施例1は深
さ方向において比較例1よりも 2 倍以上凹凸が激しく
なることが観察された。これは、ポリエチレングリコー
ルの添加による燃焼・発泡が、粒径だけでなく深さ方向
の凹凸の微細化(高表面積化)に寄与することを示して
いる。
FIG. 6 shows the shape of the obtained tin oxide thin film in the depth direction. FIG. 6 is a three-dimensional surface diagram with a side length of 1000 nm obtained by an atomic force microscope (AFM).
(A) shows the tin oxide thin film obtained in Example 1 and FIG.
(B) is shown as Comparative Example 1, and is a tin oxide thin film produced by the same method as in Example 1 except that polyethylene glycol was not used. Difference between the maximum height and the minimum height (Z max ) in the uneven portion formed on the tin oxide thin film
Is 28.02 nm in Example 1 and 25.16 nm in Comparative Example 1.
Met. Further, the difference in height in the depth direction (Z depth ) between the adjacent uneven portions was 6 to 12 nm in Example 1 and 3 to 4 nm in Comparative Example 1. From this, it was observed that in Example 1, the unevenness was twice or more intense than in Comparative Example 1 in the depth direction. This indicates that the combustion / foaming due to the addition of polyethylene glycol contributes not only to the particle size but also to the miniaturization of the unevenness in the depth direction (high surface area).

【0026】得られた酸化スズ薄膜を用いて図1に示す
ガスセンサを作製して、一酸化炭素(CO)ガスに対す
る検出感度を評価した。用いたCOガスの濃度は 392pp
m(窒素希釈)とし、測定温度は 500 ℃とした。白金櫛
形電極が形成されたアルミナ基板上に成膜された酸化ス
ズ薄膜の厚さは約 900nm であった。測定スケジュール
は、(イ)清浄空気( 5分)、(ロ)COガス( 20
分)、(ハ)清浄空気( 75 分)を順次流して、その合
計 100分を 1 サイクルとした。測定結果を図7に示
す。なお、比較例1は、上記ポリエチレングリコールを
添加しないため、深さ方向厚さが3 〜4nm の酸化スズ薄
膜を用いた例である。実施例1の酸化スズ薄膜のCOガ
スに対する感度(Sair/co)は、1.493 であったのに対
して比較例1の感度(Sair/co)は 1.418 となり、実
施例1の感度が増大することが確認された。また、実測
された抵抗値も比較例1よりも実施例1が増大した。以
上の結果は、添加した有機高分子の燃焼・発泡により薄
膜の表面積が大きくなったためと考えられる。
A gas sensor shown in FIG. 1 was prepared using the obtained tin oxide thin film, and the detection sensitivity to carbon monoxide (CO) gas was evaluated. The concentration of CO gas used is 392pp
m (diluted with nitrogen) and the measurement temperature was 500 ° C. The thickness of the tin oxide thin film formed on the alumina substrate on which the platinum comb electrodes were formed was about 900 nm. The measurement schedule was (a) clean air (5 minutes), (b) CO gas (20
Minute), (c) Clean air (75 minutes) was flowed sequentially, and the total of 100 minutes was defined as one cycle. FIG. 7 shows the measurement results. Comparative Example 1 is an example in which a tin oxide thin film having a thickness in the depth direction of 3 to 4 nm was used because the above polyethylene glycol was not added. The sensitivity (S air / co ) of the tin oxide thin film of Example 1 to CO gas was 1.493, whereas the sensitivity (S air / co ) of Comparative Example 1 was 1.418, and the sensitivity of Example 1 was increased. It was confirmed that. Further, the actually measured resistance value of Example 1 was larger than that of Comparative Example 1. The above results are considered to be due to the increase in the surface area of the thin film due to combustion and foaming of the added organic polymer.

【0027】[0027]

【実施例2】実施例1で得られた塗布溶液に、さらにポ
リエチレンオキサイドを添加して、その粘度を 2Pa・s〜
6 Pa・sに調整した。この溶液を用いて転写印刷法により
薄膜を成膜した。その後、実施例1と同様の方法で酸化
スズ薄膜を得て、ガスセンサを作製した。得られたガス
センサは実施例1と同様の高感度を示した。
Example 2 Polyethylene oxide was further added to the coating solution obtained in Example 1 to reduce the viscosity to 2 Pa · s or more.
It was adjusted to 6 Pa · s. Using this solution, a thin film was formed by a transfer printing method. Thereafter, a tin oxide thin film was obtained in the same manner as in Example 1 to produce a gas sensor. The obtained gas sensor showed the same high sensitivity as in Example 1.

【0028】[0028]

【実施例3】実施例1および実施例2で得られた酸化ス
ズ薄膜を、ナトリウムイオン(Na +)濃度を 139.0mmo
l/l、カリウムイオン(K+)濃度を 2.8mmol/l、カルシ
ウムイオン(Ca2+)濃度を 1.8mmol/l、マグネシウム
イオン(Mg2+)濃度を 0.5mmol/l、塩素イオン(Cl
-)濃度を 144.0mmol/l、リン酸イオン(PO4 3+)濃度
を 1.1mmol/lとなるように調製した疑似体液に 2 時間
以上浸漬して、酸化スズ薄膜表面にヒドロキシアパタイ
ト(Ca10(PO46(OH)2)層を約 10nm被覆し
た。実施例1と同様のガスセンサを作製した。得られた
ガスセンサは、COガスの濃度が 10ppm(窒素希釈)で
あっても図7に示す感度は実施例1と同様の高感度を示
した。
Example 3 The oxides obtained in Examples 1 and 2
The thin film is made of sodium ions (Na +) Concentration 139.0mmo
l / l, potassium ion (K+) Concentration of 2.8 mmol / l, calcium
Um ion (Ca2+) Concentration of 1.8 mmol / l, magnesium
Ion (Mg2+) Concentration of 0.5 mmol / l, chlorine ion (Cl
-) Concentration of 144.0 mmol / l, phosphate ion (POFour 3+)concentration
For 2 hours in a simulated body fluid adjusted to 1.1 mmol / l
Immersed in the above, hydroxyapatite
To (CaTen(POFour)6(OH)Two) Coat about 10nm layer
Was. A gas sensor similar to that of Example 1 was manufactured. Got
The gas sensor has a CO gas concentration of 10 ppm (diluted with nitrogen).
7, the sensitivity shown in FIG. 7 shows the same high sensitivity as in Example 1.
did.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明のガスセンサは、スズ化合物と、
該スズ化合物に化学修飾できる有機高分子化合物とを少
なくとも含む溶液より成膜した後、酸素含有雰囲気中で
焼成して得られる酸化スズ膜を用いるので、有機高分子
化合物により焼成後の微細表面状態を、数ナノから数ミ
クロンオーダーまで任意に制御可能な表面微細孔を有す
る構造とできる。その結果、希薄ガスでも優れた感度を
有するガスセンサが得られる。
The gas sensor of the present invention comprises a tin compound,
Since a tin oxide film obtained by forming a film from a solution containing at least an organic polymer compound that can be chemically modified to the tin compound and firing in an oxygen-containing atmosphere is used, the fine surface state after firing with the organic polymer compound is used. Can be a structure having surface micropores that can be arbitrarily controlled from several nanometers to several microns. As a result, a gas sensor having excellent sensitivity even with a rare gas can be obtained.

【0030】上記スズ化合物が有機スズ化合物であるの
で、また、上記有機高分子化合物の数平均分子量が100
〜5,000,000 であるので、また、その配合比率をスズ化
合物100 重量部に、有機高分子化合物を 5〜100重量部
とするので、成膜性に優れた塗布液が得られ、また、微
細表面状態の制御がより容易となる。
Since the tin compound is an organotin compound, the number average molecular weight of the organic polymer compound is 100
Since the compounding ratio is set to 100 parts by weight of the tin compound and the organic polymer compound is set to 5 to 100 parts by weight, a coating liquid having excellent film-forming properties can be obtained. Control becomes easier.

【0031】塗布液を0.1〜10Pa・s( 25℃)の粘度に調
整するので、転写印刷に用いるペーストとしての利用が
容易となる。また、酸化スズ膜上にヒドロキシアパタイ
トが被覆されているので、被検ガスの吸着性能を向上
し、センサの感度がより向上する。
Since the viscosity of the coating liquid is adjusted to 0.1 to 10 Pa · s (25 ° C.), it can be easily used as a paste for transfer printing. Further, since the hydroxyapatite is coated on the tin oxide film, the performance of adsorbing the test gas is improved, and the sensitivity of the sensor is further improved.

【0032】本発明のガスセンサの金属酸化物薄層表面
状態制御方法は、金属化合物と、該金属化合物に化学修
飾できる有機高分子化合物とを含む溶液を用いて塗布、
乾燥する成膜工程と、乾燥された薄膜を酸素含有雰囲気
中で焼成する焼成工程とを備えてなるので、高価な機器
を必要とせず、従来の技術で金属酸化物薄層の表面状態
を制御できる。その結果、高感度のガスセンサを作製す
ることができる。
The method for controlling the surface state of a thin metal oxide layer of a gas sensor according to the present invention comprises the steps of: applying a solution containing a metal compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the metal compound;
It has a film forming process for drying and a firing process for firing the dried thin film in an oxygen-containing atmosphere, so that expensive equipment is not required and the surface state of the metal oxide thin layer can be controlled by conventional techniques. it can. As a result, a highly sensitive gas sensor can be manufactured.

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

【図1】ガスセンサの検出部の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a detection unit of a gas sensor.

【図2】FT−IRスペクトラム図である。FIG. 2 is an FT-IR spectrum diagram.

【図3】塗膜の乾燥および焼成温度とFT−IRスペク
トラム図である。
FIG. 3 is a FT-IR spectrum diagram of drying and baking temperatures of a coating film.

【図4】塗膜の乾燥および焼成温度と酸化スズ薄膜結晶
化の過程を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a drying and baking temperature of a coating film and a process of crystallization of a tin oxide thin film.

【図5】焼成後のエックス線回折(XRD)結果図であ
る。
FIG. 5 is a view showing a result of X-ray diffraction (XRD) after firing.

【図6】原子間力顕微鏡(AFM)による立体表面図で
ある。
FIG. 6 is a three-dimensional surface view by an atomic force microscope (AFM).

【図7】COガスに対する検出感度を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing detection sensitivity to CO gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ガスセンサ 2 酸化スズ膜 3 白金電極 4 基板 5 ヒータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor 2 Tin oxide film 3 Platinum electrode 4 Substrate 5 Heater

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、この基板上に形成された酸化ス
ズを主成分とする酸化スズ膜とを備えてなるガスセンサ
であって、 前記酸化スズ膜は、スズ化合物と、該スズ化合物に化学
修飾できる有機高分子化合物とを少なくとも含む溶液よ
り成膜した後、酸素含有雰囲気中で焼成して得られるこ
とを特徴とするガスセンサ。
1. A gas sensor comprising a substrate and a tin oxide film containing tin oxide as a main component formed on the substrate, wherein the tin oxide film comprises a tin compound and a tin compound. A gas sensor obtained by forming a film from a solution containing at least a modifiable organic polymer compound and baking it in an oxygen-containing atmosphere.
【請求項2】 前記スズ化合物が有機スズ化合物である
ことを特徴とする請求項1記載のガスセンサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein said tin compound is an organic tin compound.
【請求項3】 前記有機高分子化合物の数平均分子量が
100 〜5,000,000 であることを特徴とする請求項1また
は請求項2記載のガスセンサ。
3. The number average molecular weight of the organic polymer compound is
The gas sensor according to claim 1 or 2, wherein the number is 100 to 5,000,000.
【請求項4】 前記溶液は、溶媒中に、前記スズ化合物
100 重量部と、前記有機高分子化合物 5〜100重量部と
を含有してなることを特徴とする請求項1、請求項2ま
たは請求項3記載のガスセンサ。
4. The solution according to claim 1, wherein the tin compound is contained in a solvent.
The gas sensor according to claim 1, comprising 100 parts by weight and 5 to 100 parts by weight of the organic polymer compound.
【請求項5】 前記溶液は、0.1〜10Pa・s( 25℃)の粘
度に調整されてなることを特徴とする請求項1記載のガ
スセンサ。
5. The gas sensor according to claim 1, wherein the viscosity of the solution is adjusted to 0.1 to 10 Pa · s (25 ° C.).
【請求項6】 前記酸化スズ膜上にヒドロキシアパタイ
トが被覆されてなることを特徴とする請求項1記載のガ
スセンサ。
6. The gas sensor according to claim 1, wherein hydroxyapatite is coated on the tin oxide film.
【請求項7】 基板上に金属化合物を含む層を形成する
成膜工程と、前記金属化合物を含む層を焼成する焼成工
程とを備えてなるガスセンサの金属酸化物薄層表面状態
制御方法であって、 前記成膜工程は、金属化合物と、該金属化合物に化学修
飾できる有機高分子化合物とを含む溶液を用いて塗布、
乾燥する工程であり、 前記焼成工程は、乾燥された薄膜を酸素含有雰囲気中で
焼成することを特徴とする金属酸化物薄層表面状態制御
方法。
7. A method for controlling a surface state of a thin metal oxide layer of a gas sensor, comprising: a film forming step of forming a layer containing a metal compound on a substrate; and a firing step of firing the layer containing the metal compound. The film forming step is performed using a solution containing a metal compound and an organic polymer compound capable of chemically modifying the metal compound,
A method for controlling a surface state of a thin metal oxide layer, wherein the firing step includes firing the dried thin film in an oxygen-containing atmosphere.
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