JP2010185774A - Membrane gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサ、特にその改良に関する。 The present invention relates to a low power consumption thin film gas sensor with battery driving in mind, and more particularly to an improvement thereof.
一般的に、ガスセンサはガス漏れ警報器などの用途に用いられ、或る特定のガス、例えばCO,CH4,C3H8,CH3OHなどに選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度,高選択性,高応答性,高信頼性,低消費電力が必要不可欠である。ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的とするものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、または両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くはない。 In general, a gas sensor is used for applications such as a gas leak alarm, and is a device that selectively responds to a specific gas, such as CO, CH 4 , C 3 H 8 , and CH 3 OH. In addition, high sensitivity, high selectivity, high response, high reliability, and low power consumption are indispensable. By the way, the gas leak alarms that are widely used for household use include those for the purpose of detecting flammable gases for city gas and propane gas, and those for the purpose of detecting incomplete combustion gases in combustion equipment, or There are some that have both functions, but the penetration rate is not so high due to cost and installation problems.
このような事情から、普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には電池駆動としコードレス化することが望まれている。電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、200℃〜500℃の高温に加熱して検知する必要がある。そこで、微細加工プロセスによりダイアフラム構造などの高断熱・低熱容量の構造とした薄膜ガスセンサの出現が待たれている。 Under such circumstances, in order to improve the penetration rate, it is desired to improve the installation property, specifically, to be battery-driven and cordless. Low power consumption is the most important for realizing battery drive, but in a catalytic combustion type or semiconductor type gas sensor, it is necessary to detect it by heating it to a high temperature of 200 ° C to 500 ° C. Therefore, the appearance of a thin film gas sensor having a high heat insulation and low heat capacity structure such as a diaphragm structure by a microfabrication process is awaited.
しかし、感知膜または感知層(感知層という)に半導体薄膜を用いた場合、感知層単体では複数の還元性ガス種に感応してしまい、或る特定のガスだけに選択的に感応することができない。そこで、感知層の上にPdまたはPtなどの貴金属触媒からなる選択燃焼層を設け、検知ガスよりも酸化活性の強いガスを燃焼させることが有効である。このような観点から、例えば特許文献1や2に示すような選択燃焼層を備えた薄膜ガスセンサが出現している。
However, when a semiconductor thin film is used for the sensing film or sensing layer (referred to as the sensing layer), the sensing layer alone is sensitive to a plurality of reducing gas species, and may be selectively sensitive to a specific gas. Can not. Therefore, it is effective to provide a selective combustion layer made of a noble metal catalyst such as Pd or Pt on the sensing layer and burn a gas having a stronger oxidation activity than the detection gas. From such a viewpoint, for example, a thin film gas sensor having a selective combustion layer as shown in
ところで、電池駆動形ガスセンサで低消費電力を実現するためには、デューティ比(ヒーターをONにしている時間の割合)が1/300〜1/100程度の間欠動作が必要である。そのため、高湿度環境下では、ON時間に比べ十分長いOFF時間中に感知層および選択燃焼層に吸着された水分が、短時間の加熱では離脱し切れずに残存し、その水分が選択燃焼層の表面に担持されたPdまたはPt等の貴金属触媒を遊離させ、その貴金属触媒が水分を媒介としてガス感知層表面まで拡散し、センサの特性が大きく変動するという問題が生じる。 By the way, in order to realize low power consumption with a battery-driven gas sensor, an intermittent operation with a duty ratio (ratio of time during which the heater is turned on) of about 1/300 to 1/100 is required. Therefore, in a high-humidity environment, the moisture adsorbed on the sensing layer and the selective combustion layer during the OFF time that is sufficiently longer than the ON time remains without being separated by short-time heating, and the moisture remains in the selective combustion layer. The noble metal catalyst such as Pd or Pt supported on the surface of the catalyst is liberated, the noble metal catalyst diffuses to the surface of the gas sensing layer through moisture, and the characteristics of the sensor greatly vary.
したがって、この発明の課題は、電池駆動形ガスセンサとして用いる場合でも、その特性が大きく変動しないガスセンサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas sensor whose characteristics do not vary greatly even when used as a battery-driven gas sensor.
請求項1の発明では、電気絶縁層上に一対の電極を形成し、その上に半導体薄膜からなるガス感知層を形成し、さらにその最表面に多孔質金属酸化物と貴金属触媒からなる選択燃焼層を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記選択燃焼層とガス感知層との間に触媒拡散防止層を設けることを特徴とする。
この請求項1の発明においては、前記触媒拡散防止層として、ガス感知層よりも電気抵抗率が高い多孔質層を用いることができる(請求項2の発明)。
According to the first aspect of the present invention, a pair of electrodes are formed on the electrical insulating layer, a gas sensing layer made of a semiconductor thin film is formed thereon, and selective combustion comprising a porous metal oxide and a noble metal catalyst is further formed on the outermost surface. In a thin film gas sensor with a layer formed,
A catalyst diffusion prevention layer is provided between the selective combustion layer and the gas sensing layer.
In the first aspect of the present invention, a porous layer having an electric resistivity higher than that of the gas sensing layer can be used as the catalyst diffusion preventing layer (the second aspect of the present invention).
請求項1または2の発明においては、前記多孔質金属酸化物としては貴金属触媒を含まないAl2O3,Cr2O3,Fe2O3,Ni2O3,ZnO,SiO2などの金属酸化物を用い、貴金属触媒としてはPdまたはPtを持いることができ(請求項3の発明)、また、請求項1〜3の発明においては、前記半導体薄膜として、SnO2,In2O3,ZnO,TiO2などの金属酸化物を用いることができる(請求項4の発明)。
In the invention of
この発明によれば、選択燃焼層とガス感知層との間に、ガス感知層よりも電気抵抗率が高い多孔質の触媒拡散防止層を設けるようにしたので、高湿度環境下でも安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを得ることが可能となる。 According to the present invention, since the porous catalyst diffusion preventing layer having a higher electrical resistivity than the gas sensing layer is provided between the selective combustion layer and the gas sensing layer, it is stable and reliable even in a high humidity environment. It is possible to obtain a thin film gas sensor with high performance.
図1に、この発明が適用される薄膜ガスセンサの一般的な断面構造を示す。
図示のように、両面に熱酸化膜が付いたSi基板(図ではSiウエハ)1上に、ダイアフラム構造の支持層及び熱絶縁層2としてSi3N4とSiO2膜を順次プラズマCVD法にて形成する。次にPt-Wヒーター層3、SiO2絶縁層4の順にスパッタ法で形成する。その上に接合層5、感知層電極6、感知層7を形成する。成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行なう。成膜条件は接合層(TaまたはTi)5、感知層電極(PtまたはAu)6とも同じで、Arガス圧力1Pa、基板温度300度、RFパワー2W/cm2、膜厚は接合層5/感知層電極6=500Å/2000Åである。
FIG. 1 shows a general sectional structure of a thin film gas sensor to which the present invention is applied.
As shown in the figure, a Si 3 N 4 and SiO 2 film is sequentially applied to the Si substrate (Si wafer in the figure) 1 with a thermal oxide film on both sides as a support layer of a diaphragm structure and a thermal insulating layer 2 by plasma CVD. Form. Next, the Pt—W heater layer 3 and the SiO 2 insulating layer 4 are formed in this order by sputtering. A
次に、感知層7であるSnO2を成膜する。成膜にはRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行なう。ターゲットにはSbを0.1重量パーセント%(wt%)有するSnO2を用いる。成膜条件はAr+ O2ガス圧力2Pa、基板温度150~300℃、RFパワー2W/cm2、膜厚0.4μmである。感知層7の大きさは50ないし200μm角程度、厚さは0.2ないし1.6μm程度が望ましい。
<実施例1>
図2Aのように、γ‐アルミナ(平均粒径2〜3μm)にエチレングリコールモノエチルエーテルを同重量添加してペーストとし、感知層7であるSnO2の真上に厚さ5μmの触媒拡散防止層9をスクリーン印刷で形成し、さらに100℃に保った乾燥機で溶媒成分を乾燥させる。触媒拡散防止層9が十分乾燥した後、選択燃焼層8を形成する。
Next, SnO 2 which is the
<Example 1>
As shown in Fig. 2A, the same weight of ethylene glycol monoethyl ether was added to γ-alumina (average particle size 2 to 3 µm) to form a paste, and 5 µm thick catalyst diffusion prevention just above SnO 2 as the
選択燃焼層8は、Pdを7.0wt%添加したγ‐アルミナ(平均粒径2〜3μm)にエチレングリコールモノエチルエーテルを同重量、さらにシリカゾルバインダを5〜20wt%添加してペーストとし、厚さ30μmをスクリーン印刷で形成し、その後500℃で一時間焼成する。ただし、選択燃焼層8は触媒拡散防止層9を十分覆い尽くすように、直径を触媒拡散防止層9よりも大きくする。
The
<実施例2>
また、触媒拡散防止層9としては、ガス感知層7形成後に続いて、Al2O3やSiO2(図2BではSiO2)の金属酸化物を感知膜であるSnO2と同様の条件で、RFマグネトロンスパッタリング装置を用いて図2Bのように、0.2μm形成したものを用いても同様の効果を得ることができる。さらに、実施例1,2とも前記触媒拡散防止層としては、ガス感知層よりも電気抵抗率が高い多孔質層を用いることで、高湿度環境下にあっても選択燃焼層の貴金属触媒層がガス感知層まで拡散しないようにすることが望ましい。
<Example 2>
As the catalyst
なお、実施例1,2で触媒拡散防止層9,選択燃焼層8を形成した後は、基板裏面よりSiを除去し、図1に示すようなダイアフラム構造とするのは、従来例と同様である。また、上記触媒拡散防止層9の多孔質層としてはAl2O3やSiO2の外にCr2O3,Fe2O3,Ni2O3,ZnOなどの多孔質金属酸化物を用いても、同様の効果を得ることができる。
In addition, after forming the catalyst
図3に、高湿(40℃80%RH)で10日間通電した前後での、メタン3000ppm中のセンサ抵抗の変化態様例を示す。ここでは、通電前のセンサ抵抗値を基準に通電後のセンサ抵抗の変化を比を以って対数表示している。
選択燃焼層に一様にPd7.0wt%を含む図2Cの比較例では、「×」で示すように高湿通電の前後でセンサ抵抗が大きく上昇しているのに対し、触媒拡散防止層を設けた図2A,2Bに示す実施例1,2では、センサ抵抗はほとんど変化していないことが分かる(「○」印,「●」印参照)。つまり、実施例1,2では高湿中で通電しても安定なセンサ特性が得られることを示している。高湿中では、図2Cの比較例だけにセンサ抵抗の上昇が見られるが、これはSnO2近傍に拡散してきた触媒がガス感知層へ悪影響を及ぼしているためである。
FIG. 3 shows an example of changes in sensor resistance in 3000 ppm of methane before and after energization for 10 days at high humidity (40 ° C. and 80% RH). Here, the change in sensor resistance after energization is logarithmically expressed as a ratio based on the sensor resistance value before energization.
In the comparative example of FIG. 2C in which the selective combustion layer uniformly contains Pd 7.0 wt%, the sensor resistance greatly increases before and after the high-humidity energization as shown by “x”, whereas the catalyst diffusion prevention layer is provided. In Examples 1 and 2 shown in FIGS. 2A and 2B provided, it can be seen that the sensor resistance hardly changes (see “◯” mark and “●” mark). That is, Examples 1 and 2 show that stable sensor characteristics can be obtained even when energized in high humidity. In high humidity, only the comparative example of FIG. 2C shows an increase in sensor resistance because the catalyst that has diffused in the vicinity of SnO 2 has an adverse effect on the gas sensing layer.
1…Si基板(Siウエハ)、2…支持層および熱絶縁層、3…ヒーター層、4…絶縁層、5…接合層、6…感知膜電極、7…感知層、8…選択燃焼層、9…触媒拡散防止層。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記選択燃焼層とガス感知層との間に触媒拡散防止層を設けることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In a thin film gas sensor in which a pair of electrodes are formed on an electrically insulating layer, a gas sensing layer made of a semiconductor thin film is formed thereon, and a selective combustion layer made of a porous metal oxide and a noble metal catalyst is formed on the outermost surface. ,
A thin film gas sensor, wherein a catalyst diffusion preventing layer is provided between the selective combustion layer and the gas sensing layer.
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