JP2005308529A - Manufacturing method of thin-film metal oxide ion conductor used for reducing gas sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a metal oxide ion conductor used for a reducing gas sensor having high stability of a detection output and a simple structure, and dispensing with reference gas. <P>SOLUTION: In this manufacturing method of the thin-film metal oxide ion conductor used for the reducing gas sensor, a metal oxide thin film 2 constituting the metal oxide ion conductor is deposited by a liquid-phase deposition method. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素ガスを選択的に検知可能な還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a thin metal oxide ion conductor used in a reducing gas sensor capable of selectively detecting hydrogen gas.

酸化物イオン伝導体として固体電解質を用いる電気化学式ガスセンサは、一般に、固体電解質に検知極及び対極が一体に接合された構造で、その構造が全て固体からなるために、長期安定性にすぐれ、常温より高い温度で作動させる必要がある場合に適している。また、このような固体電解質を用いる電気化学式ガスセンサは、その検知方式によって、電圧検出型と電流検出型とに分類される。   An electrochemical gas sensor using a solid electrolyte as an oxide ion conductor generally has a structure in which a detection electrode and a counter electrode are integrally joined to a solid electrolyte, and since the structure is entirely made of solid, it has excellent long-term stability and room temperature. Suitable for operation at higher temperatures. Electrochemical gas sensors using such a solid electrolyte are classified into a voltage detection type and a current detection type depending on the detection method.

電圧検出型は、濃淡電池型ともいわれ、固体電解質の片面に固着した検知極に未知濃度(分圧)の検知ガスを供給し、固体電解質の他面に固着した対極に既知濃度(分圧)の基準ガスを供給するとともに、これらのガスを互いに隔離すると、濃淡電池が形成され、その起電力を測定すれば、数1(1)に示すネルンスト式にしたがって検知ガスの濃度(分圧)を知ることができるという原理にもとづくものである。   The voltage detection type is also called a concentration cell type. It supplies a detection gas of unknown concentration (partial pressure) to the detection electrode fixed on one side of the solid electrolyte, and known concentration (partial pressure) to the counter electrode fixed to the other side of the solid electrolyte. When these gases are separated from each other, a concentration cell is formed. When the electromotive force is measured, the concentration (partial pressure) of the detection gas is determined according to the Nernst equation shown in Equation 1 (1). It is based on the principle of knowing.

具体例としては、酸化物イオン導電性の安定化酸化ジルコニウムを固体電解質とし、空気を基準ガスとし、500〜1000℃で作動する酸素濃度センサがよく知られている(特許文献1参照)。   As a specific example, an oxygen concentration sensor that operates at 500 to 1000 ° C. using oxide oxide conductive stabilized zirconium oxide as a solid electrolyte and air as a reference gas is well known (see Patent Document 1).

電流検出型は、定電位電解型とも限界電流型ともいわれ、検知極と対極との間に、検知ガスの濃度に応じた限界電流が流れるように、一定電圧を印加した際に、検知極と対極との間に流れる電流を検出することによって、検知極に供給されるガスの濃度を検知するものである。具体例としては、安定化酸化ジルコニウムの片面に白金からなる検知極を、他面にやはり白金からなる対極をそれぞれ接合した素子の検知極側に、未知濃度の酸素含有ガスを供給し、一定の電圧を印加した際、化1(2)(3)式に示す反応が起こり、その際流れる電流から、検知ガスの酸素濃度を検知する方法が提案されている。   The current detection type is said to be a constant potential electrolysis type or a limit current type.When a constant voltage is applied between the detection electrode and the counter electrode so that a limit current corresponding to the concentration of the detection gas flows, The concentration of gas supplied to the detection electrode is detected by detecting the current flowing between the counter electrode and the counter electrode. As a specific example, an oxygen-containing gas having an unknown concentration is supplied to the detection electrode side of an element in which a detection electrode made of platinum is bonded to one side of stabilized zirconium oxide and a counter electrode made of platinum is bonded to the other side. When a voltage is applied, the reaction shown in the chemical formula 1 (2) and (3) occurs, and a method for detecting the oxygen concentration of the detection gas from the current flowing at that time has been proposed.

適用すべき固体電解質としては、通常は、検知ガス種に対応するイオンが伝導しえる材料を選択する必要がある。例えば、上記のように、検知ガスが酸素の場合には、酸素イオン導電性の電解質が用いられ、検知ガスが水素の場合には、セリウム酸バリウム系あるいはセリウム酸ストロンチウム系などの水素イオン導電性の電解質が選択される。   As the solid electrolyte to be applied, it is usually necessary to select a material that can conduct ions corresponding to the detection gas species. For example, as described above, when the detection gas is oxygen, an oxygen ion conductive electrolyte is used. When the detection gas is hydrogen, hydrogen ion conductivity such as cerium barium or strontium cerate is used. The electrolyte is selected.

特開2003−279531号公報JP 2003-279531 A

検知ガスが水素及び各種炭化水素ガスなどの還元性ガスの場合には、上記のように、水素イオン導電性の固体電解質を用いるのが、従来必須であるとされていたが、水素イオン導電性のセリウム酸バリウム系あるいはセリウム酸ストロンチウム系電解質は、検知ガス雰囲気中に二酸化炭素が含まれる場合には、不安定であることに難点がある。   In the case where the detection gas is a reducing gas such as hydrogen and various hydrocarbon gases, as described above, it has conventionally been essential to use a hydrogen ion conductive solid electrolyte. These barium cerate-based or strontium cerate-based electrolytes have a drawback in that they are unstable when carbon dioxide is contained in the detection gas atmosphere.

また、センサを濃淡電池型とする際には、検知ガスと同一であって、しかも既知濃度の基準ガスを使用する必要があるが、このような措置は、実用上、極めて煩雑であり、現実的ではない。   In addition, when the sensor is a concentration cell type, it is necessary to use a reference gas that is the same as the detection gas and has a known concentration. However, such a measure is extremely complicated and practical. Not right.

さらには、固体電解質が一般に、高温でしか充分なイオン導電性を示さないという理由から、センサに、例えば白金抵抗体を接合し、この部分に電流を流すというような、温度制御が可能な加熱措置を施す必要があるが、従来のように、固体電解質の両面に検知極と対極を接合し、検知ガスと基準ガスとを固体電解質を介して隔離するという構造にした場合には、気密性を確保するための構造が複雑になるばかりか、加熱措置を施す余地が乏しくなる点も問題となっていた。   Furthermore, because of the fact that solid electrolytes generally exhibit sufficient ionic conductivity only at high temperatures, temperature-controllable heating, such as bonding a platinum resistor to a sensor and passing a current through this part, for example. It is necessary to take measures. However, as in the conventional case, when the detection electrode and the counter electrode are joined to both sides of the solid electrolyte and the detection gas and the reference gas are isolated via the solid electrolyte, In addition to the complexity of the structure for ensuring heat resistance, there is also a problem in that there is little room for heat treatment.

以上の理由から、例えば、溶融アルミニウム中の水素センサの如き特殊用途を除いた、一般用途向けに適した還元性ガス用固体電解質型センサは、未だに実用化されていない。   For the above reasons, for example, a solid electrolyte type sensor for reducing gas suitable for general use except for a special use such as a hydrogen sensor in molten aluminum has not been put into practical use.

上記実状に鑑み本発明の目的は、検知出力の安定性が高く、より簡単な構造で、しかも基準ガスを必要としない還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法を提供することにある。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in a reducing gas sensor that has a high detection output stability, a simpler structure, and does not require a reference gas. It is to provide.

課題を解決するための手段及び効果Means and effects for solving the problems

本発明の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法は、金属酸化物イオン伝導体を構成する金属酸化物薄膜を液相析出法(LPD法:Liquid Phase Deposition Method)により析出させたことを特徴とする。   The method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in the reducing gas sensor of the present invention comprises a liquid phase deposition method (LPD method: Liquid Phase Deposition Method) for forming a metal oxide thin film constituting the metal oxide ion conductor. It is characterized by being deposited by

本発明によると、LPD法により金属酸化物薄膜を析出させているため、水素ガスに対する応答速度が速く、水素ガスに対して選択的に高い感度を示す還元性ガスセンサとすることができる。   According to the present invention, since the metal oxide thin film is deposited by the LPD method, it is possible to provide a reducing gas sensor that has a high response speed to hydrogen gas and selectively exhibits high sensitivity to hydrogen gas.

本発明においては、前記金属酸化物薄膜が多価金属酸化物薄膜であることが好ましい。   In the present invention, the metal oxide thin film is preferably a polyvalent metal oxide thin film.

本発明においては、前記多価金属酸化物薄膜が4価金属の酸化物を母体とし、希土類金属の酸化物及び/又はアルカリ土類金属の酸化物を添加してなる多価金属酸化物を液相析出させてなることが好ましい。   In the present invention, the polyvalent metal oxide thin film is a liquid containing a polyvalent metal oxide formed by adding a rare earth metal oxide and / or an alkaline earth metal oxide based on a tetravalent metal oxide. It is preferable to cause phase precipitation.

本発明においては、前記4価金属がジルコン、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金、前記希土類金属がイットリュウム、ユーロピューム、ランタンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金、前記アルカリ土類金属がバリウム、カルシウム、ストロンチュウムの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金であることが好ましい。   In the present invention, the tetravalent metal is a metal selected from the group of zircon, titanium, niobium, tantalum, tungsten, and molybdenum, or an alloy of these metals, and the rare earth metal is selected from the group of yttrium, europume, and lanthanum. It is preferable that the metal or an alloy of these metals or the alkaline earth metal is a metal selected from the group of barium, calcium and strontium or an alloy of these metals.

本発明においては、前記4価金属の含有率が約85%以上95%以下、前記希土類金属及び/又は前記アルカリ土類金属の含有率が約5%以上15%以下であるであることが好ましい。   In the present invention, the content of the tetravalent metal is preferably about 85% to 95% and the content of the rare earth metal and / or the alkaline earth metal is preferably about 5% to 15%. .

本発明においては、前記多価金属酸化物薄膜が約5mol%以上15mol%以下のイットリア安定化ジルコニアの薄膜であることが好ましい。これによると、導電率が高い多価金属酸化物薄膜とすることができる。   In the present invention, the polyvalent metal oxide thin film is preferably a yttria-stabilized zirconia thin film of about 5 mol% to 15 mol%. According to this, it can be set as the polyvalent metal oxide thin film with high electrical conductivity.

本発明においては、前記液相析出法において、HZrF水溶液及びYイオンを含む塩酸水溶液及びEDTA(エチレンジアミン四酢酸)及び蒸留水を混合した反応液を使用することが好ましい。 In the present invention, in the liquid phase precipitation method, it is preferable to use a reaction solution obtained by mixing a H 2 ZrF 6 aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution containing Y ions, EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and distilled water.

本発明においては、前記液相析出法において、HZrF水溶液(約0.06mol%/L)及びYイオンを含む塩酸水溶液(約0.02mol%/L,pH=約5)及びEDTA(エチレンジアミン四酢酸)及び蒸留水をそれぞれ約10:1:1:38vol%の比率で混合した反応液を使用することが好ましい。これによると、イットリア安定化ジルコニアの薄膜を好適に析出させることができる。 In the present invention, in the liquid phase precipitation method, an aqueous H 2 ZrF 6 solution (about 0.06 mol% / L), an aqueous hydrochloric acid solution containing Y ions (about 0.02 mol% / L, pH = about 5) and EDTA ( It is preferable to use a reaction liquid in which ethylenediaminetetraacetic acid) and distilled water are mixed at a ratio of about 10: 1: 1: 38 vol%, respectively. According to this, a thin film of yttria-stabilized zirconia can be suitably deposited.

本発明においては、前記反応液に基板を垂直懸下して約30℃で約18時間反応させて前記イットリア安定化ジルコニアを成膜させることが好ましい。これによると、イットリア安定化ジルコニアの薄膜に発生するクラックの量を抑えることができる。また、イットリア安定化ジルコニアの薄膜の膜厚を約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下とすることができ、多価金属酸化物薄膜として好適である。   In the present invention, it is preferred that the yttria-stabilized zirconia film is formed by vertically suspending the substrate from the reaction solution and reacting at about 30 ° C. for about 18 hours. According to this, the amount of cracks generated in the yttria-stabilized zirconia thin film can be suppressed. Further, the film thickness of the yttria-stabilized zirconia thin film can be about 500 nm or less, preferably about 150 nm to 300 nm, and more preferably about 200 nm to 250 nm, which is suitable as a polyvalent metal oxide thin film.

本発明においては、前記金属酸化物薄膜が前記液相析出法による約8nm以下の超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの析出積層膜であって、約500nm以下の超薄膜構造をなすことが好ましい。これによると、水素ガスに対して選択的に示す高応答性を顕著にできる。   In the present invention, it is preferable that the metal oxide thin film is a deposited laminated film of ultrafine crystal yttria stabilized zirconia of about 8 nm or less by the liquid phase deposition method, and has an ultrathin film structure of about 500 nm or less. According to this, the high responsiveness selectively shown with respect to hydrogen gas can be made remarkable.

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of a method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in a reducing gas sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の実施形態に係る還元性ガスセンサの構成を図1〜図5に基づいて説明する。図1(a)は還元性ガスセンサの正面図であり、図1(b)は還元性ガスセンサの裏面図である。図2は図1(a)のA−A’線断面図である。図3はLPD法の装置を示した模式図である。   A configuration of a reducing gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a front view of the reducing gas sensor, and FIG. 1B is a back view of the reducing gas sensor. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. FIG. 3 is a schematic view showing an apparatus of the LPD method.

還元性ガスセンサ(以下、センサという)10は、断面図である図2に示すように、絶縁性セラミックス基板1と、絶縁性セラミックス基板1の片面に接合された加熱用抵抗体6と、液相析出法により絶縁性セラミックス基板1の片面に析出し、酸化物イオン伝導体を構成する金属酸化物薄膜2と、金属酸化物薄膜2にそれぞれ接合された検知極4及び基準極(対極)3と、基準極3を被覆するガス非透過性皮膜5と、から構成される。   A reducing gas sensor (hereinafter referred to as a sensor) 10 includes an insulating ceramic substrate 1, a heating resistor 6 bonded to one surface of the insulating ceramic substrate 1, and a liquid phase, as shown in FIG. A metal oxide thin film 2 deposited on one surface of an insulating ceramic substrate 1 by a deposition method and constituting an oxide ion conductor, and a detection electrode 4 and a reference electrode (counter electrode) 3 respectively joined to the metal oxide thin film 2; And a gas non-permeable film 5 covering the reference electrode 3.

絶縁性セラミックス基板1は、電気的絶縁性、熱伝導性、耐熱性等の点を考慮して適宜選ばれるが、高密度に焼結させたアルミナもしくはシリカ−アルミナが最適である。絶縁性セラミックス基板1の片面には後述の加熱用抵抗体6が接合され、後述する液相析出法(LPD法)により絶縁性セラミックス基板1の片面に金属酸化物薄膜2が形成された後、レーザーで1.0mm×1.5mmの大きさに切断される。尚、本実施形態においては電気的絶縁性、熱伝導性、耐熱性等の点を考慮して厚さt=0.4mmのアルミナ基板(絶縁性セラミックス基板)1を用いた。   The insulating ceramic substrate 1 is appropriately selected in view of electrical insulation, thermal conductivity, heat resistance, etc., but alumina or silica-alumina sintered at high density is optimal. A heating resistor 6 described later is bonded to one side of the insulating ceramic substrate 1, and after the metal oxide thin film 2 is formed on one side of the insulating ceramic substrate 1 by a liquid phase deposition method (LPD method) described later, It is cut into a size of 1.0 mm × 1.5 mm with a laser. In the present embodiment, an alumina substrate (insulating ceramic substrate) 1 having a thickness t = 0.4 mm is used in consideration of electrical insulation, thermal conductivity, heat resistance, and the like.

加熱用抵抗体6は公知のスパッタリング法、ペースト法等によってアルミナ基板1の片面(後述の検知極4及び基準極3が設けられる面とは反対の面)に接合され、センサ10を加熱する。本実施形態においては、加熱用抵抗体6として白金を用い、スパッタリング法により形成させる。また、加熱用抵抗体(白金薄膜ヒータ)6のパターン形成後には、白金薄膜ヒータ6の面を耐酸性テープでマスキングし、後述のLPD法により析出される金属酸化物薄膜2からシールする。また、耐酸性テープがはがされた後に、白金薄膜ヒータ6表面の白金リボン線取付部7に白金リボン線13,14がスポット溶接により接続される。   The heating resistor 6 is bonded to one surface of the alumina substrate 1 (a surface opposite to a surface on which a detection electrode 4 and a reference electrode 3 described later are provided) by a known sputtering method, paste method, or the like, and heats the sensor 10. In this embodiment, platinum is used as the heating resistor 6 and is formed by a sputtering method. After the patterning of the heating resistor (platinum thin film heater) 6, the surface of the platinum thin film heater 6 is masked with an acid-resistant tape and sealed from the metal oxide thin film 2 deposited by the LPD method described later. In addition, after the acid-resistant tape is peeled off, the platinum ribbon wires 13 and 14 are connected to the platinum ribbon wire attachment portion 7 on the surface of the platinum thin film heater 6 by spot welding.

金属酸化物薄膜2は液層析出法(LPD法)によりアルミナ基板1上に析出した薄膜の酸化物イオン伝導体である。固体電解質として金属酸化物薄膜2を用いることで、小型のヒータでも加熱保持が可能な約500℃以上600℃以下の温度域でセンサ10を動作させることができる。   The metal oxide thin film 2 is a thin film oxide ion conductor deposited on the alumina substrate 1 by a liquid layer deposition method (LPD method). By using the metal oxide thin film 2 as the solid electrolyte, the sensor 10 can be operated in a temperature range of about 500 ° C. or more and 600 ° C. or less that can be heated and held even with a small heater.

ここで、上記の金属酸化物薄膜2の形成に用いられるLPD法について説明する。   Here, the LPD method used for forming the metal oxide thin film 2 will be described.

LPD法は、セラミックス析出反応液として、酸性フッ化アンモニウム水溶液にて溶解した酸化物若しくは各種金属の水酸化物を溶解した水溶液を用い、その加水分解平衡反応において配位子であるフッ化イオンと、より安定な錯体を形成するホウ酸等をフッ化物イオンイーターとして添加することで、反応液内の平衡を酸化物析出側へシフトさせ、基板をこの反応液中に浸漬することによって、基板上へ酸化物若しくは水酸化物を析出させる方法である。   In the LPD method, an oxide dissolved in an acidic ammonium fluoride aqueous solution or an aqueous solution in which various metal hydroxides are dissolved is used as a ceramic precipitation reaction solution. By adding boric acid or the like that forms a more stable complex as a fluoride ion eater, the equilibrium in the reaction solution is shifted to the oxide deposition side, and the substrate is immersed in this reaction solution, so that This is a method for precipitating oxide or hydroxide.

通常、LPD法においては約10℃以上80℃以下の温度範囲、好ましくは約20℃以上40℃以下の温度範囲で、セラミックス又はセラミックス前駆体を析出、積層することが可能である。また、この温度範囲であっても、析出するセラミックス又はセラミックス前駆体は理論密度に対する相対密度約90%以上のアナターゼ結晶が形成される。さらに、高温で熱処理することで、結晶化度を高めることができる。LPD法によるセラミックス又はセラミックス前駆体は、析出、積層した段階で、相対密度が約90%以上とできるため、高温で焼成熱処理した場合であっても、ほとんど収縮することがない。特に、金属酸化物薄膜2を、還元性ガスに対して選択性のある、約8nm以下の超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの析出積層膜とし、約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の超薄膜構造として、水素ガスを選択的に検出可能な金属酸化物イオン伝導体超薄膜構造とすることができる。   Usually, in the LPD method, ceramics or ceramic precursors can be deposited and laminated in a temperature range of about 10 ° C. to 80 ° C., preferably in a temperature range of about 20 ° C. to 40 ° C. Even in this temperature range, the precipitated ceramic or ceramic precursor forms anatase crystals having a relative density of about 90% or more with respect to the theoretical density. Furthermore, the crystallinity can be increased by heat treatment at a high temperature. Ceramics or ceramic precursors by the LPD method can have a relative density of about 90% or more at the stage of deposition and lamination, so that they hardly shrink even when fired at a high temperature. In particular, the metal oxide thin film 2 is a deposited laminated film of ultrafine crystal yttria stabilized zirconia of about 8 nm or less that is selective to reducing gas, and is about 500 nm or less, preferably about 150 nm to 300 nm, Preferably, a metal oxide ion conductor ultrathin film structure capable of selectively detecting hydrogen gas can be formed as an ultrathin film structure of approximately 200 nm to 250 nm.

LPD法により析出したセラミックス薄膜は、基板表面への密着性が高く緻密な微細構造体とすることができ、ナノオーダーでの微細構造を制御した還元性ガスセンサの金属酸化物イオン伝導体を容易に得ることができる。微細構造を制御することにより、還元性ガスの低濃度領域で高感度且つ早い応答速度を有する還元性ガスセンサを得ることが出来る。LPD法による金属酸化物イオン伝導体膜は、均一性の高い薄膜を多数得ることができるため、生産性に優れ、高感度還元性ガスセンサを安価に製造することができる。特に超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの微細構造の場合、妨害ガスとして扱われてきた一酸化炭素・イソブタン・メタン類に対して殆ど感応せず、水素ガスに選択的に作用し、約10ppmオーダーでの水素ガスの検知が可能になる。   The ceramic thin film deposited by the LPD method can be made into a fine microstructure with high adhesion to the substrate surface, and the metal oxide ion conductor of a reducing gas sensor with a nano-order controlled microstructure can be easily obtained. Can be obtained. By controlling the microstructure, it is possible to obtain a reducing gas sensor having a high sensitivity and a fast response speed in a low concentration region of the reducing gas. Since the metal oxide ion conductor film by the LPD method can obtain a large number of highly uniform thin films, it is excellent in productivity, and a highly sensitive reducing gas sensor can be manufactured at low cost. In particular, the microstructure of ultrafine crystal yttria-stabilized zirconia is almost insensitive to carbon monoxide, isobutane and methane, which have been treated as interfering gases, and acts selectively on hydrogen gas, on the order of about 10 ppm. Hydrogen gas can be detected.

このLPD法により、アルミナ基板1に金属酸化物薄膜2が析出する。金属酸化物薄膜2は多価金属酸化物薄膜であることが好ましく、多価金属酸化物薄膜はジルコン、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金である4価金属の酸化物を母体として、希土類金属の酸化物及び/又はアルカリ土類金属の酸化物を添加して液相析出させてなる。尚、希土類金属としてはイットリュウム、ユーロピューム、ランタンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金、アルカリ土類金属としてはバリウム、カルシウム、ストロンチュウムの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金が好適に使用される。また、4価金属と添加する金属との比率は、4価金属が約85%以上95%以下、添加する金属が約5%以上15%以下であることが好ましい。本実施形態においては、多価金属酸化物薄膜であるイットリア安定化ジルコニア(Y−ZrO、以下YSZ)薄膜の中でも、約8nm以下の超微細結晶YSZの析出積層膜を金属酸化物薄膜2として用い、約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の超薄膜構造とした。このYSZはジルコンの酸化物を母体とし、希土類金属であるイットリュウムの酸化物を添加してなる。また、YSZは約5mol%以上15mol%以下であることが好ましい。 The metal oxide thin film 2 is deposited on the alumina substrate 1 by this LPD method. The metal oxide thin film 2 is preferably a polyvalent metal oxide thin film, and the polyvalent metal oxide thin film is a metal selected from the group consisting of zircon, titanium, niobium, tantalum, tungsten, and molybdenum, or an alloy of these metals. Using a tetravalent metal oxide as a base material, a rare earth metal oxide and / or an alkaline earth metal oxide is added to cause liquid phase precipitation. As the rare earth metal, a metal selected from the group of yttrium, europume and lanthanum or an alloy thereof, and as the alkaline earth metal, a metal selected from the group of barium, calcium and strontium or an alloy of these metals. Are preferably used. The ratio of the tetravalent metal to the metal to be added is preferably about 85% to 95% for the tetravalent metal and about 5% to 15% for the metal to be added. In this embodiment, among the yttria-stabilized zirconia (Y 2 O 3 —ZrO 2 , hereinafter referred to as YSZ) thin film which is a polyvalent metal oxide thin film, a deposited laminated film of ultrafine crystal YSZ having a thickness of about 8 nm or less is used as the metal oxide. Used as the thin film 2, an ultra-thin film structure having a thickness of about 500 nm or less, preferably about 150 nm to 300 nm, more preferably about 200 nm to 250 nm. This YSZ is formed by adding an oxide of yttrium, which is a rare earth metal, based on an oxide of zircon. Moreover, it is preferable that YSZ is about 5 mol% or more and 15 mol% or less.

YSZ薄膜の析出は、図3に示すLPD法の装置21を用いて行う。具体的には、ポンプ24で吸い上げたHZrF水溶液(約0.06mol%/L)及びYイオンを含む塩酸水溶液(約0.02mol%/L,pH=約5)及びEDTA(エチレンジアミン四酢酸:Ethylen Diamine Tetraacetic Acid(C1014Na・2HO))及び蒸留水をそれぞれ約10:1:1:38vol%混合してなるYSZ析出反応液26を配管25を通してアルミニウム板が内壁に沿って設置された容器23に流し込んで処理液22とし、上下搬送機構27の基板保持金具29に取り付けたアルミナ基板1を垂直懸下して速やかに容器23に浸漬し、約30℃で約18時間かけて、YSZを約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の厚みで析出・成膜させる。図4はアルミナ基板1上に析出・成膜した8mol%のYSZ薄膜の断面のSEM写真である。また、図5はアルミナ基板1上に析出・成膜した8mol%のYSZ薄膜の表面のSEM写真である。YSZ薄膜の成膜後、YSZ薄膜が析出したアルミナ基板1を電気炉にて約1000℃で約2時間焼成する。Yイオンを含む塩酸水溶液は、塩酸水溶液に約0.01mol%/LのYを入れ、撹拌しながらYが完全に溶けるまで待ち、その後、pHが約5になるように塩酸を加えて調製する。尚、成膜時間が長いほど膜厚が厚くなるが、それにともない図5に示すような薄膜上のクラックが顕在化すること、膜厚を異ならせても水素ガスの感度に顕著な差が認められないことから、成膜時間を約18時間とすることが好ましい。また、焼成温度が約600℃以上であれば十分な導電率を有する固体電解質を得ることができるが、後述の金電極を焼き付ける温度が約900℃、同じく後述のガラス状材料を焼成する温度が約950℃であるため、これらのプロセスの前段階において約1000℃で焼成しておくことが好ましい。 The YSZ thin film is deposited using the LPD method apparatus 21 shown in FIG. Specifically, an aqueous H 2 ZrF 6 solution (about 0.06 mol% / L) sucked up by the pump 24, an aqueous hydrochloric acid solution containing about Y ions (about 0.02 mol% / L, pH = about 5), and EDTA (ethylenediamine four acetate: Ethylen Diamine tetraacetic acid (C 10 H 14 O 8 N 2 Na · 2H 2 O)) and distilled water are about 10: 1: 1: 38vol% of YSZ deposition reaction mixture 26 obtained by mixing aluminum through the pipe 25 The plate is poured into the container 23 installed along the inner wall to make the processing liquid 22, and the alumina substrate 1 attached to the substrate holding metal fitting 29 of the vertical transport mechanism 27 is vertically suspended and quickly immersed in the container 23, about 30 YSZ is about 500 nm or less, preferably about 150 nm or more and 300 nm or less, more preferably about 200 nm or more and 250 nm or less over about 18 hours at ° C. To be deposited and formed by a body. FIG. 4 is a SEM photograph of a cross section of an 8 mol% YSZ thin film deposited and formed on the alumina substrate 1. FIG. 5 is an SEM photograph of the surface of an 8 mol% YSZ thin film deposited and formed on the alumina substrate 1. After forming the YSZ thin film, the alumina substrate 1 on which the YSZ thin film is deposited is baked in an electric furnace at about 1000 ° C. for about 2 hours. In the aqueous hydrochloric acid solution containing Y ions, about 0.01 mol% / L of Y 2 O 3 is added to the aqueous hydrochloric acid solution, and while stirring, wait until Y 2 O 3 is completely dissolved, and then the pH is about 5. Prepare by adding hydrochloric acid. Note that the longer the film formation time, the thicker the film thickness. As a result, cracks on the thin film as shown in FIG. 5 become obvious, and even when the film thickness is changed, a significant difference in the sensitivity of hydrogen gas is recognized. Therefore, it is preferable to set the film formation time to about 18 hours. Moreover, if the firing temperature is about 600 ° C. or higher, a solid electrolyte having sufficient conductivity can be obtained. The temperature for baking a gold electrode described later is about 900 ° C., and the temperature for firing a glass-like material described later is also set. Since it is about 950 ° C., it is preferable to bake at about 1000 ° C. in the previous stage of these processes.

検知極4及び基準極3は、金属酸化物薄膜(YSZ薄膜)2上に相互に隔離されるように接合されている。両電極とも、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、金の群から選ばれた貴金属もしくはこれら貴金属の合金で構成される。また、両電極とも、スパッタリング法、ペースト法等の公知な方法で接合される。本実施形態においては、検知極4及び基準極3として金電極を用いている。また、アルミナ基板1がセンサチップのサイズに切断された後に、検知極4及び基準極3へのリード線11,12としてφ50μmの金線が金ペーストにより検知極4及び基準極3に固着される。リード線11,12の接続後には、約900℃、約30分の焼き付けが行われ、両電極3,4とリード線11,12はYSZ薄膜2に固着する。   The detection electrode 4 and the reference electrode 3 are joined on the metal oxide thin film (YSZ thin film) 2 so as to be isolated from each other. Both electrodes are made of a noble metal selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and gold or an alloy of these noble metals. Further, both electrodes are joined by a known method such as a sputtering method or a paste method. In the present embodiment, gold electrodes are used as the detection electrode 4 and the reference electrode 3. Further, after the alumina substrate 1 is cut to the size of the sensor chip, a gold wire having a diameter of 50 μm is fixed to the detection electrode 4 and the reference electrode 3 with gold paste as the lead wires 11 and 12 to the detection electrode 4 and the reference electrode 3. . After the lead wires 11 and 12 are connected, baking is performed at about 900 ° C. for about 30 minutes, and both the electrodes 3 and 4 and the lead wires 11 and 12 are fixed to the YSZ thin film 2.

ガス非透過性皮膜5としては、加熱によって溶融するガラス状材料が好適に使用され、基準極3を被覆してガス非透過性とする。これにより、基準極3の水素濃度を0とみなすことができる。ガラス状材料は一般に市販されているもので賄える。ガス非透過性皮膜(ガラス状材料)5の塗布後に約950℃、約30分の焼成が行われ、ガラス状材料5は完全に溶融して基準極3を被覆して隙間なくYSZ薄膜2に固着する。   As the gas impermeable film 5, a glassy material that melts by heating is preferably used, and the reference electrode 3 is covered to make the gas impermeable. Thereby, the hydrogen concentration of the reference electrode 3 can be regarded as zero. The glassy material can be covered by commercially available materials. After application of the gas impermeable film (glass-like material) 5, baking is performed at about 950 ° C. for about 30 minutes, and the glass-like material 5 is completely melted to cover the reference electrode 3 to form the YSZ thin film 2 without gaps. Stick.

尚、本実施形態の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法に係る還元性ガスセンサは、上述したセンサ10の構成に限定されるものではない。   In addition, the reducing gas sensor which concerns on the manufacturing method of the thin metal oxide ion conductor used for the reducing gas sensor of this embodiment is not limited to the structure of the sensor 10 mentioned above.

上記の構成において、還元性ガスセンサの製造方法について図1及び図3〜図6を用いて説明することで、金属酸化物イオン伝導体の製造方法について述べる。図6は還元性ガスセンサの作成フローチャートである。   In the above configuration, the manufacturing method of the reducing gas sensor will be described with reference to FIGS. 1 and 3 to 6 to describe the manufacturing method of the metal oxide ion conductor. FIG. 6 is a flowchart for creating a reducing gas sensor.

まず、図6のステップ1(S1)において、アルミナ基板1の表面を研磨する。この研磨によりYSZ薄膜2は、アルミナ基板1の表面に均一に成長して析出するようになる。次に、アルミナ基板1をアセトン中で約15分間超音波洗浄した後、約900℃、約2時間焼成を行い、更にアセトン中で約15分間超音波洗浄を行う。   First, in step 1 (S1) of FIG. 6, the surface of the alumina substrate 1 is polished. By this polishing, the YSZ thin film 2 grows and deposits uniformly on the surface of the alumina substrate 1. Next, the alumina substrate 1 is ultrasonically cleaned in acetone for about 15 minutes, then baked at about 900 ° C. for about 2 hours, and further ultrasonically cleaned in acetone for about 15 minutes.

次に、ステップ2(S2)において、スパッタリング法によりアルミナ基板1の片面に図1(b)に示すような白金薄膜ヒータ6を形成させる。   Next, in step 2 (S2), a platinum thin film heater 6 as shown in FIG. 1B is formed on one surface of the alumina substrate 1 by sputtering.

次に、ステップ3(S3)において、アルミナ基板1をアルカリ洗浄する。ここでは、約48%のフッ化水素酸を約10倍希釈したアルカリ処理液にアルミナ基板1を浸漬することにより脱脂する。その後、白金薄膜ヒータ6の面の少なくとも白金リボン線取付部7を耐酸性テープでマスキングする。   Next, in step 3 (S3), the alumina substrate 1 is washed with alkali. Here, degreasing is performed by immersing the alumina substrate 1 in an alkaline treatment liquid obtained by diluting about 48% hydrofluoric acid about 10 times. Thereafter, at least the platinum ribbon wire attachment portion 7 on the surface of the platinum thin film heater 6 is masked with an acid resistant tape.

次に、ステップ4(S4)で、LPD法により、アルミナ基板1の表面にYSZ薄膜2を析出・成膜させる。具体的には、図3に示すLPD析出法の装置21を用いてYSZ析出反応液26をアルミニウム板が内壁に沿って設置された容器23に流し込んで処理液22とし、アルミナ基板1を垂直懸下して速やかに容器23内に浸漬し、約30℃で約18時間反応させて、アルミナ基板1の白金薄膜ヒータ6が接合した面と反対の面に図4、図5に示すようなYSZ薄膜2を約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の厚みで析出・成膜させる。尚、YSZは約5mol%以上15mol%以下の濃度で好適に使用される。その後耐酸性テープをはがす。   Next, in step 4 (S4), the YSZ thin film 2 is deposited on the surface of the alumina substrate 1 by the LPD method. Specifically, using the apparatus 21 of the LPD deposition method shown in FIG. 3, the YSZ deposition reaction liquid 26 is poured into a container 23 in which an aluminum plate is installed along the inner wall to form a treatment liquid 22, and the alumina substrate 1 is suspended vertically. 4 and 5 on the opposite side of the surface of the alumina substrate 1 to which the platinum thin film heater 6 is bonded. The thin film 2 is deposited and deposited with a thickness of about 500 nm or less, preferably about 150 nm to 300 nm, more preferably about 200 nm to 250 nm. YSZ is preferably used at a concentration of about 5 mol% to 15 mol%. Then remove the acid-resistant tape.

次に、ステップ5(S5)で、YSZ薄膜2が表面に成膜したアルミナ基板1を約1000℃、約2時間で加熱し、YSZ薄膜2を焼成させる。   Next, in step 5 (S5), the alumina substrate 1 on which the YSZ thin film 2 is formed is heated at about 1000 ° C. for about 2 hours, and the YSZ thin film 2 is fired.

次に、ステップ6(S6)で、レーザー等を用いてアルミナ基板1を1.0mm×1.5mmの大きさのセンサチップに切断する。   Next, in step 6 (S6), the alumina substrate 1 is cut into a sensor chip having a size of 1.0 mm × 1.5 mm using a laser or the like.

次に、ステップ7(S7)で、図2(a)のように、公知のスパッタリング法、ペースト法等によって、アルミナ基板1の白金薄膜ヒータ6が接合した面と反対の面に成膜したYSZ薄膜2上に金電極である検知極4及び基準極3を隔離させて接合する。そして、金ペーストによりリード線11,12をそれぞれ基準極3と検知極4に接着する。その後、約900℃、約30分の焼き付けを行い、検知極4及び基準極3をYSZ薄膜2に固着させるとともに、金ペーストを硬化させて、リード線11,12をそれぞれ基準極3と検知極4に固着させる。   Next, in step 7 (S7), as shown in FIG. 2A, the YSZ film is formed on the surface opposite to the surface to which the platinum thin film heater 6 is bonded by the known sputtering method, paste method, or the like. On the thin film 2, the detection electrode 4 and the reference electrode 3 which are gold electrodes are isolated and joined. Then, the lead wires 11 and 12 are bonded to the reference electrode 3 and the detection electrode 4 with gold paste, respectively. After that, baking is performed at about 900 ° C. for about 30 minutes to fix the detection electrode 4 and the reference electrode 3 to the YSZ thin film 2 and harden the gold paste, so that the lead wires 11 and 12 are respectively connected to the reference electrode 3 and the detection electrode. 4 is fixed.

次に、ステップ8(S8)で、ガラス状材料5を基準極3に塗布し、基準極3を被覆する。その後約950℃、約30分の焼成を行ってガラス状材料5を完全に溶融させ、YSZ薄膜に隙間なく固着・硬化させる。   Next, in step 8 (S8), the glassy material 5 is applied to the reference electrode 3 to cover the reference electrode 3. Thereafter, baking is performed at about 950 ° C. for about 30 minutes to completely melt the glassy material 5, and the YSZ thin film is fixed and cured without any gap.

次に、ステップ9(S9)で、図1(b)において、白金リボン線13,14を白金薄膜ヒータ6表面の、白金リボン線取付部7にスポット溶接して接続する。これによりセンサ10が完成する。   Next, in step 9 (S9), in FIG. 1 (b), the platinum ribbon wires 13 and 14 are spot welded to the platinum ribbon wire attachment portion 7 on the surface of the platinum thin film heater 6. Thereby, the sensor 10 is completed.

次に、上記の構成における酸化物イオン伝導体を用いた還元性ガスセンサの作動について図7を用いて説明する。図7はセンサ10の機能図である。   Next, the operation of the reducing gas sensor using the oxide ion conductor in the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a functional diagram of the sensor 10.

本実施形態のセンサ10は検知極と基準極との電圧(電位差)を測定する電圧検出型である。図7において、白金薄膜ヒータ6に外部電源から入出力ピンを介して電流を供給して、酸化物イオン伝導体であるYSZ薄膜2の温度を約600℃に保持し、水素ガスを検知したい場所にセンサ10を設置する。   The sensor 10 of this embodiment is a voltage detection type that measures the voltage (potential difference) between a detection electrode and a reference electrode. In FIG. 7, a current is supplied to the platinum thin film heater 6 from an external power source via an input / output pin, the temperature of the YSZ thin film 2 that is an oxide ion conductor is maintained at about 600 ° C., and hydrogen gas is detected. The sensor 10 is installed in

本実施形態のセンサ10は厳密に言えば濃淡電池型ではないので、ひとつの推測ではあるが、センサ10が水素ガスに接触すると、検知極4は化2(4)式の平衡反応に基づく水素濃度に応じた平衡電位を示し、基準極3の表面において、酸素が吸着された形(Au(O))になるために、基準極3が化2(5)式の平衡反応による平衡電位を示し、両極の平衡電位の差が電圧として検出されると考えられる。   Strictly speaking, the sensor 10 according to the present embodiment is not a concentration cell type. Therefore, as one estimate, when the sensor 10 comes into contact with hydrogen gas, the detection electrode 4 becomes hydrogen based on the equilibrium reaction of the chemical formula (4). Since the equilibrium potential according to the concentration is obtained and the surface of the reference electrode 3 is in a form in which oxygen is adsorbed (Au (O)), the reference electrode 3 has an equilibrium potential due to the equilibrium reaction of Formula 2 (5). It is considered that the difference between the equilibrium potentials of both electrodes is detected as a voltage.

検知極4と基準極3との間に電圧が生じることで、センサ10が水素ガスを検知する。   When a voltage is generated between the detection electrode 4 and the reference electrode 3, the sensor 10 detects hydrogen gas.

次に、本実施形態におけるセンサの効果を確認するため、下記の試験を行った。本実施形態のYSZ薄膜を使用したセンサと、バルク結晶のセラミックスを機械研磨でペレット状に加工した厚肉のYSZを使用したセンサを用意し、両センサの白金薄膜ヒータに外部電源から電流を供給して、YSZ薄膜或いはペレット状のYSZの温度を約600℃に保持し、種々のガス種、濃度の雰囲気中に両センサを設置し、検知極と基準極との電圧(電位差)を測定したところ、図8、図9に示す特性が得られた。ここで、図8はセンサの各種ガスに対する感度特性を示すグラフであり、縦軸が検知極−基準極間電圧に係るセンサ出力変化量、横軸がガス濃度の対数である。また、図9はセンサの水素ガスに対する応答特性を示すグラフであり、縦軸が検知極−基準極間電圧に係るセンサ出力変化量、横軸が時間(秒)である。即ち、図8において、各種還元性ガス(水素、一酸化炭素、イソブタン、メタン)に対して、ガス濃度(ppm)の対数とセンサ出力変化量との関係から、図8(a)に示すペレット状のYSZを使用したセンサの特性と、図8(b)に示す本実施形態のYSZ薄膜を用いたセンサの特性を比べると、本実施形態の約8nm以下の超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの析出積層膜であって、約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の超薄膜構造を持つYSZ薄膜を使用したセンサの方が、水素ガスに対して選択的に高い感度を示すことが判明した。また、図9(a)に示すペレット状のYSZを使用したセンサの特性と、図9(b)に示す本実施形態のYSZ薄膜を用いたセンサの特性を比べると、本実施形態の約8nm以下の超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの析出積層膜であって、約500nm以下、好ましくは約150nm以上300nm以下、更に好ましくは約200nm以上250nm以下の超薄膜構造を持つYSZ薄膜を使用したセンサの方が、水素ガスに対する応答速度が速いことが判明した。   Next, in order to confirm the effect of the sensor in this embodiment, the following test was performed. The sensor using the YSZ thin film of this embodiment and the sensor using the thick YSZ formed by processing bulk crystal ceramics into pellets by mechanical polishing are prepared, and current is supplied from an external power source to the platinum thin film heaters of both sensors. Then, the temperature of the YSZ thin film or pellet-like YSZ was maintained at about 600 ° C., both sensors were installed in atmospheres of various gas types and concentrations, and the voltage (potential difference) between the detection electrode and the reference electrode was measured. However, the characteristics shown in FIGS. 8 and 9 were obtained. Here, FIG. 8 is a graph showing sensitivity characteristics of the sensor with respect to various gases. The vertical axis represents the sensor output change amount related to the detection electrode-reference electrode voltage, and the horizontal axis represents the logarithm of the gas concentration. FIG. 9 is a graph showing the response characteristics of the sensor to hydrogen gas. The vertical axis represents the sensor output change amount related to the detection electrode-reference electrode voltage, and the horizontal axis represents time (seconds). That is, in FIG. 8, for various reducing gases (hydrogen, carbon monoxide, isobutane, methane), from the relationship between the logarithm of gas concentration (ppm) and the sensor output variation, the pellet shown in FIG. When the characteristics of the sensor using the YSZ in the shape of the sensor and the characteristics of the sensor using the YSZ thin film of this embodiment shown in FIG. 8B are compared, the ultrafine crystal yttria stabilized zirconia of about 8 nm or less A sensor using a YSZ thin film having a super thin film structure of about 500 nm or less, preferably about 150 nm or more and 300 nm or less, more preferably about 200 nm or more and 250 nm or less is more selective to hydrogen gas. It was proved to show high sensitivity. Further, comparing the characteristics of the sensor using the pellet-shaped YSZ shown in FIG. 9A with the characteristics of the sensor using the YSZ thin film of this embodiment shown in FIG. The following is a deposited multilayer film of ultrafine crystal yttria stabilized zirconia, which is a YSZ thin film having an ultrathin structure of about 500 nm or less, preferably about 150 nm to 300 nm, more preferably about 200 nm to 250 nm. It was found that the response speed to hydrogen gas was faster.

以上のように、本実施形態の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法は、LPD法により金属酸化物薄膜を析出させるものであるため、水素ガスに対する応答速度が速く、水素ガスに対して選択的に高い感度を示す還元性ガスセンサとすることができる。また、金属酸化物薄膜がイットリア安定化ジルコニア薄膜のような、4価金属の酸化物を母体として希土類金属の酸化物及び/又はアルカリ土類金属の酸化物を添加してなる多価金属酸化物の薄膜であるため、導電率を高くできる。また、本実施形態の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法は、小型のヒータでも加熱保持が可能な約500℃以上600℃以下の温域で還元性ガスセンサを動作させることを可能にする金属酸化物イオン伝導体を提供するものであるから、実用性のある還元性ガスセンサを提供できる。   As described above, the method for producing a thin film metal oxide ion conductor used in the reducing gas sensor of the present embodiment deposits a metal oxide thin film by the LPD method, so that the response speed to hydrogen gas is high. A reducing gas sensor that is fast and selectively shows high sensitivity to hydrogen gas can be obtained. Further, the metal oxide thin film is a polyvalent metal oxide obtained by adding a rare earth metal oxide and / or an alkaline earth metal oxide based on a tetravalent metal oxide such as an yttria-stabilized zirconia thin film. Therefore, the electrical conductivity can be increased. Moreover, the manufacturing method of the thin-film-shaped metal oxide ion conductor used for the reducing gas sensor of this embodiment uses a reducing gas sensor in a temperature range of about 500 ° C. or more and 600 ° C. or less that can be heated and held with a small heater. Since a metal oxide ion conductor that can be operated is provided, a practical reducing gas sensor can be provided.

水素エネルギーを利用する燃料電池によるエネルギーシステムの実用化にとって、水素の製造・輸送・貯蔵・充填に係る安全性の確保は不可欠であり、水素を検知するセンサの工業的価値は大であるため、還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法の工業的価値も大である。   Ensuring the safety of hydrogen production, transportation, storage, and filling is indispensable for the practical application of energy systems using fuel cells that use hydrogen energy, and the industrial value of sensors that detect hydrogen is great. The industrial value of the method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in a reducing gas sensor is also great.

(a)は本発明の実施形態例に係るイットリア安定化ジルコニア薄膜を使用した還元性ガスセンサの正面図であり、(b)は裏面図である。(A) is a front view of the reducing gas sensor which uses the yttria stabilized zirconia thin film which concerns on the example of embodiment of this invention, (b) is a back view. 図1(a)のA−A’線断面図である。It is A-A 'line sectional drawing of Fig.1 (a). LPD法の装置を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the apparatus of the LPD method. LPD法により析出した8mol%のイットリア安定化ジルコニア薄膜の断面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the section of 8 mol% yttria stabilized zirconia thin film deposited by the LPD method. LPD法により析出した8mol%のイットリア安定化ジルコニア薄膜の表面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the surface of 8 mol% yttria stabilized zirconia thin film deposited by LPD method. 本発明の実施形態例に係るイットリア安定化ジルコニア薄膜を使用した還元性ガスセンサの作製フローチャートである。It is a preparation flowchart of the reducible gas sensor using the yttria stabilized zirconia thin film concerning the example of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態例に係るイットリア安定化ジルコニア薄膜を使用した還元性ガスセンサの機能図である。It is a functional diagram of a reducing gas sensor using a yttria-stabilized zirconia thin film according to an embodiment of the present invention. (a)はペレット状のイットリア安定化ジルコニアを使用した還元性ガスセンサの各種ガスに対する感度特性を示すグラフであり、(b)は本発明の実施形態例に係るイットリア安定化ジルコニア薄膜を使用した還元性ガスセンサの各種ガスに対する感度特性を示すグラフである。(A) is a graph which shows the sensitivity characteristic with respect to various gas of the reducing gas sensor which uses the pellet-form yttria stabilization zirconia, (b) is the reduction | restoration which uses the yttria stabilization zirconia thin film which concerns on the embodiment of this invention. It is a graph which shows the sensitivity characteristic with respect to various gas of a property gas sensor. (a)はペレット状のイットリア安定化ジルコニアを使用した還元性ガスセンサの水素ガスに対する応答特性を示すグラフであり、(b)は本発明の実施形態例に係るイットリア安定化ジルコニア薄膜を使用した還元性ガスセンサの水素ガスに対する応答特性を示すグラフである。(A) is a graph which shows the response characteristic with respect to the hydrogen gas of the reducing gas sensor using a pellet-form yttria stabilized zirconia, (b) is a reduction | restoration using the yttria stabilized zirconia thin film which concerns on the embodiment of this invention. It is a graph which shows the response characteristic with respect to hydrogen gas of a property gas sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 絶縁性セラミックス基板(アルミナ基板)
2 金属酸化物薄膜(YSZ薄膜)
3 基準極
4 検知極
5 ガス非透過性皮膜(ガラス状材料)
6 加熱用抵抗体(白金薄膜ヒータ)
7 白金リボン線取付部
10 還元性ガスセンサ(センサ)
11,12 リード線
13,14 白金リボン線
21 製造装置
22 処理液
23 容器
24 ポンプ
25 配管
26 YSZ析出反応液
27 上下搬送機構
29 基板保持金具
1 Insulating ceramic substrate (alumina substrate)
2 Metal oxide thin film (YSZ thin film)
3 Reference electrode 4 Detection electrode 5 Gas impermeable film (glassy material)
6 Heating resistor (platinum thin film heater)
7 Platinum ribbon wire mounting part 10 Reducing gas sensor (sensor)
11 and 12 Lead wires 13 and 14 Platinum ribbon wire 21 Manufacturing apparatus 22 Treatment liquid 23 Container 24 Pump 25 Piping 26 YSZ precipitation reaction liquid 27 Vertical transport mechanism 29 Substrate holding bracket

Claims (10)

金属酸化物イオン伝導体を構成する金属酸化物薄膜を液相析出法により析出させたことを特徴とする還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   A method for producing a thin-film metal oxide ion conductor for use in a reducing gas sensor, wherein a metal oxide thin film constituting a metal oxide ion conductor is deposited by a liquid phase deposition method. 前記金属酸化物薄膜が多価金属酸化物薄膜である請求項1に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   The method for producing a thin metal oxide ion conductor used in the reducing gas sensor according to claim 1, wherein the metal oxide thin film is a polyvalent metal oxide thin film. 前記多価金属酸化物薄膜が4価金属の酸化物を母体とし、希土類金属の酸化物及び/又はアルカリ土類金属の酸化物を添加してなる多価金属酸化物を液相析出させてなる請求項2に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   The polyvalent metal oxide thin film is formed by liquid phase deposition of a polyvalent metal oxide obtained by adding a rare earth metal oxide and / or an alkaline earth metal oxide based on a tetravalent metal oxide. A method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in the reducing gas sensor according to claim 2. 前記4価金属がジルコン、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金、前記希土類金属がイットリュウム、ユーロピューム、ランタンの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金、前記アルカリ土類金属がバリウム、カルシウム、ストロンチュウムの群から選ばれた金属もしくはこれら金属の合金である請求項3に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   The tetravalent metal is a metal selected from the group of zircon, titanium, niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, or an alloy of these metals, and the rare earth metal is a metal selected from the group of yttrium, europume, lanthanum, or of these metals. 4. A thin-film metal oxide ion conductor used in a reducing gas sensor according to claim 3, wherein the alloy, the alkaline earth metal is a metal selected from the group of barium, calcium and strontium, or an alloy of these metals. Manufacturing method. 前記4価金属の含有率が約85%以上95%以下、前記希土類金属及び/又は前記アルカリ土類金属の含有率が約5%以上15%以下である請求項3又は4に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   The reducibility according to claim 3 or 4, wherein the content of the tetravalent metal is about 85% to 95%, and the content of the rare earth metal and / or the alkaline earth metal is about 5% to 15%. A method for producing a thin-film metal oxide ion conductor used in a gas sensor. 前記多価金属酸化物薄膜が約5mol%以上15mol%以下のイットリア安定化ジルコニアの薄膜である請求項2乃至5のいずれかに記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   6. A thin metal oxide ion conductor for use in a reducing gas sensor according to claim 2, wherein the polyvalent metal oxide thin film is a yttria-stabilized zirconia thin film of about 5 mol% to 15 mol%. Manufacturing method. 前記液相析出法において、HZrF水溶液及びYイオンを含む塩酸水溶液及びEDTA(エチレンジアミン四酢酸)及び蒸留水を混合した反応液を使用する請求項6に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。 The thin film used for the reducing gas sensor according to claim 6, wherein in the liquid phase deposition method, a H 2 ZrF 6 aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution containing Y ions, and a reaction liquid obtained by mixing EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and distilled water are used. For producing a metal oxide ion conductor in the form of a metal. 前記液相析出法において、HZrF水溶液(約0.06mol%/L)及びYイオンを含む塩酸水溶液(約0.02mol%/L,pH=約5)及びEDTA(エチレンジアミン四酢酸)及び蒸留水をそれぞれ約10:1:1:38vol%の比率で混合した反応液を使用する請求項7に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。 In the liquid phase precipitation method, an aqueous H 2 ZrF 6 solution (about 0.06 mol% / L), an aqueous hydrochloric acid solution containing Y ions (about 0.02 mol% / L, pH = about 5), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and The method for producing a thin-film metal oxide ion conductor for use in a reducing gas sensor according to claim 7, wherein a reaction liquid in which distilled water is mixed at a ratio of about 10: 1: 1: 38 vol% is used. 前記反応液に基板を垂直懸下して約30℃で約18時間反応させて前記イットリア安定化ジルコニアを成膜させる請求項8に記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   The thin-film metal oxide ion conduction used in the reducing gas sensor according to claim 8, wherein the yttria-stabilized zirconia film is formed by vertically suspending the substrate from the reaction solution and reacting at about 30 ° C. for about 18 hours. Body manufacturing method. 前記金属酸化物薄膜が前記液相析出法による約8nm以下の超微細結晶イットリア安定化ジルコニアの析出積層膜であって、約500nm以下の超薄膜構造をなす請求項1乃至9のいずれかに記載の還元性ガスセンサに用いられる薄膜状の金属酸化物イオン伝導体の製造方法。   10. The metal oxide thin film is a deposited laminated film of ultrafine crystal yttria stabilized zirconia of about 8 nm or less by the liquid phase deposition method, and forms an ultrathin film structure of about 500 nm or less. Of thin film metal oxide ion conductor for use in a reducing gas sensor.
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