JP2018004572A - Hydrogen gas sensor - Google Patents

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真至 畠田
Shinji Hatada
真至 畠田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas sensor which has excellent responsiveness to hydrogen gas even at low operating temperature of 200°C or less, and furthermore superior property of recovery of hydrogen gas detection capability after responding to hydrogen gas.SOLUTION: A hydrogen gas sensor for electrically detecting hydrogen gas is provided that comprises a substrate 10, a hydrogen sensing layer 20 provided on the substrate, and a pair of electrodes 40 provided in the hydrogen sensing layer. The hydrogen sensing layer includes a catalyst that dissociates hydrogen into protons and electrons, and a metal oxide whose electrical resistance is reduced by electrons generated by the dissociation of hydrogen gas by the catalyst, the metal oxide having a chloride concentration of 1.0×10atoms/cmor higher.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水素ガスセンサに関する。   The present invention relates to a hydrogen gas sensor.

水素は、利用の段階では二酸化炭素を排出しないため、製造段階で再生可能エネルギーによる水分解などを利用することで低炭素社会を実現できる。また、水素は、2次エネルギーとして電気より貯めやすかったり、運送しやすかったりするなどの利便性をも有する。このため、日本では水素社会化の動きが加速している。例えば、水素と酸素との化学反応を利用して発電し、モータを回して走る燃料電池車などの開発が行われている。一方、水素ガスは、大気中での濃度が4〜75%の広範囲で爆発する気体であるにもかかわらず、無色透明でにおいもなく、漏洩を検知することが困難である。このため、漏洩検知用の水素ガスセンサに対する関心が高まっている。   Since hydrogen does not emit carbon dioxide at the use stage, a low-carbon society can be realized by utilizing water splitting with renewable energy at the production stage. Hydrogen also has the convenience of being easy to store or transport as secondary energy from electricity. For this reason, the movement of hydrogen society is accelerating in Japan. For example, fuel cell vehicles that generate electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen and run by rotating a motor have been developed. On the other hand, hydrogen gas, which is a gas that explodes in a wide range of 4 to 75% in the atmosphere, is colorless and transparent, does not smell, and is difficult to detect leakage. For this reason, interest in a hydrogen gas sensor for leak detection is increasing.

実用化されている水素センサの方式として、熱線型半導体式、接触燃焼式、気体熱伝導式など、種々の方式がある。熱線半導体式は金属酸化物半導体表面の電気伝導度変化を利用したものであり、接触燃焼式は接触燃焼による白金線コイルの温度上昇を利用したものであり、気体熱伝導式は対象とするガスと標準ガスの熱伝導度の差による発熱体の温度変化を利用したものである。その中でも、漏洩検知用のセンサとしては、低濃度の水素を比較的高速に検知可能な接触燃焼式が多く使用されている。しかし、接触燃焼式では、高速応答を実現するためには200℃を超える温度(例えば300〜400℃程度)の動作温度が必要なため、消費電力が高くなってしまう。   There are various types of hydrogen sensor systems in practical use, such as a hot-wire semiconductor type, catalytic combustion type, and gas heat conduction type. The hot wire semiconductor type uses the change in electrical conductivity of the metal oxide semiconductor surface, the catalytic combustion type uses the temperature rise of the platinum wire coil due to catalytic combustion, and the gas thermal conduction type is the target gas. It uses the temperature change of the heating element due to the difference in thermal conductivity between standard gas and standard gas. Among them, as a sensor for detecting leakage, a contact combustion type capable of detecting low concentration hydrogen at a relatively high speed is often used. However, in the contact combustion type, since an operating temperature exceeding 200 ° C. (for example, about 300 to 400 ° C.) is necessary to realize a high-speed response, power consumption increases.

そこで、200℃以下の低温の動作温度でも高速応答を実現させうる新規な検知方式の一つとして、ガスクロミック式水素センサが注目されている。ガスクロミック式水素センサは、水素の吸着により電気的特性が変化する三酸化タングステンなどの金属酸化物と、水素ガスをプロトンと電子とに解離させる白金などの触媒とを備えており、光学的に水素ガスを検知するだけでなく、電気的に水素ガスを検知することも可能である(例えば下記特許文献1参照)。   Therefore, a gaschromic hydrogen sensor has attracted attention as one of novel detection methods that can realize a high-speed response even at a low operating temperature of 200 ° C. or lower. A gaschromic hydrogen sensor includes a metal oxide such as tungsten trioxide whose electrical characteristics change due to adsorption of hydrogen, and a catalyst such as platinum that dissociates hydrogen gas into protons and electrons. In addition to detecting hydrogen gas, it is also possible to electrically detect hydrogen gas (see, for example, Patent Document 1 below).

特開2006−162365号公報(請求項1及び図12)JP 2006-162365 A (Claim 1 and FIG. 12)

しかし、上記特許文献1に記載の水素ガスセンサは、動作温度が200℃以下の低温において、水素ガスに対する応答性、及び、水素ガスに対する応答後の水素ガス検知能の回復性の点で改善の余地を有していた。   However, the hydrogen gas sensor described in Patent Document 1 has room for improvement in terms of responsiveness to hydrogen gas and recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas at an operating temperature of 200 ° C. or lower. Had.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有する水素ガスセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has excellent hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas while having excellent response to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. An object of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor having recoverability.

本発明者は、上記課題を解決するため検討を重ねた結果、水素検知層の金属酸化物に不純物である塩素を敢えて導入することで、上記課題を解決しうるのではないかと考えた。そして、本発明者はさらに鋭意研究を重ねた結果、金属酸化物中の塩素濃度が特定の値以上になると、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有することに気付いた。こうして本発明者は本発明を完成するに至った。   As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventor has thought that the above problems can be solved by intentionally introducing chlorine as an impurity into the metal oxide of the hydrogen detection layer. As a result of further earnest research, the inventor has excellent responsiveness to hydrogen gas even when the operating temperature is 200 ° C. or lower when the chlorine concentration in the metal oxide exceeds a specific value. However, it has been found that it has excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas. Thus, the present inventor has completed the present invention.

すなわち、本発明は、水素ガスを電気的に検知する水素ガスセンサであって、基板と、前記基板上に設けられる水素検知層と、前記水素検知層に設けられる一対の電極とを備え、前記水素検知層が、水素ガスをプロトンと電子とに解離させる触媒と、前記触媒による水素ガスの解離によって発生した電子によって電気抵抗が低下する金属酸化物とを含み、前記金属酸化物中の塩素濃度が1.0×1018atoms/cm以上である、水素ガスセンサである。 That is, the present invention is a hydrogen gas sensor that electrically detects hydrogen gas, comprising a substrate, a hydrogen detection layer provided on the substrate, and a pair of electrodes provided on the hydrogen detection layer, The detection layer includes a catalyst for dissociating hydrogen gas into protons and electrons, and a metal oxide whose electrical resistance is reduced by electrons generated by dissociation of hydrogen gas by the catalyst, and the chlorine concentration in the metal oxide is It is a hydrogen gas sensor that is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more.

本発明の水素ガスセンサによれば、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有することが可能となることが可能となる。   According to the hydrogen gas sensor of the present invention, it has excellent responsiveness to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower, and has excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas. Can be made possible.

なお、本発明者は、本発明の水素ガスセンサにおいて、上記の効果が得られる理由については以下のように推察している。   In addition, the inventor has inferred the reason why the above effect is obtained in the hydrogen gas sensor of the present invention as follows.

水素ガスセンサでは、水素検知層において、触媒によって水素ガスから生成されたプロトン及び電子と金属酸化物とが反応することで金属酸化物の電気抵抗が低下する。このため、このときの電気抵抗の変化を測定することで水素ガスセンサは水素ガスの検知を行うことができる。ここで、本発明の水素ガスセンサによれば、水素検知層の金属酸化物の塩素濃度を1.0×1018atoms/cm以上とすることで、水素検知層の金属酸化物中におけるプロトンの移動速度が増加し、その結果、水素検知層の金属酸化物中の酸素サイトとプロトンとが速やかに反応できるようになる。一方、水素検知層の金属酸化物におけるプロトンの移動速度が増加することで、水素ガスに対する応答後、すなわち、金属酸化物の周囲に水素ガスが存在しなくなった後、金属酸化物中の酸素サイトと反応したプロトンが金属酸化物の外側にある酸素と素早く反応して二酸化炭素として金属酸化物の外へ放出されやすくなる。従って、本発明の水素ガスセンサによれば、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有することが可能となるのではないかと考えられる。 In the hydrogen gas sensor, in the hydrogen detection layer, protons and electrons generated from the hydrogen gas by the catalyst react with the metal oxide, so that the electric resistance of the metal oxide decreases. For this reason, the hydrogen gas sensor can detect hydrogen gas by measuring the change in electrical resistance at this time. Here, according to the hydrogen gas sensor of the present invention, by setting the chlorine concentration of the metal oxide of the hydrogen detection layer to 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, protons in the metal oxide of the hydrogen detection layer can be obtained. The moving speed increases, and as a result, the oxygen sites in the metal oxide of the hydrogen detection layer and protons can react quickly. On the other hand, an increase in the proton transfer rate in the metal oxide of the hydrogen detection layer allows the oxygen sites in the metal oxide to remain after the response to the hydrogen gas, that is, after the hydrogen gas no longer exists around the metal oxide. The protons that have reacted with oxygen quickly react with oxygen outside the metal oxide and are easily released as carbon dioxide outside the metal oxide. Therefore, according to the hydrogen gas sensor of the present invention, even when the operating temperature is as low as 200 ° C. or less, the hydrogen gas sensor has excellent responsiveness to hydrogen gas, and excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas. It may be possible to have it.

上記水素ガスセンサにおいては、前記金属酸化物中のカーボン濃度が2.5×1019atoms/cm以下であることが好ましい。 In the hydrogen gas sensor, the carbon concentration in the metal oxide is preferably 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

この場合、上記金属酸化物中のカーボン濃度が2.5×1019atoms/cmより大きい場合と比べて、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサが、水素ガスに対してより優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により優れた水素ガス検知能の回復性を有する。 In this case, compared with the case where the carbon concentration in the metal oxide is larger than 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 , the hydrogen gas sensor is superior to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. In addition, it has excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas.

上記水素ガスセンサにおいては、前記金属酸化物中のカーボン濃度が1.3×1018atoms/cm以下であることが好ましい。 In the hydrogen gas sensor, the carbon concentration in the metal oxide is preferably 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

この場合、上記金属酸化物中のカーボン濃度が1.3×1018atoms/cmより大きい場合と比べて、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサが、水素ガスに対してより一層優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により一層優れた水素ガス検知能の回復性を有する。 In this case, as compared with the case where the carbon concentration in the metal oxide is higher than 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 , the hydrogen gas sensor is much more resistant to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. While having excellent responsiveness, it has even better recovery of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas.

なお、本発明において、金属酸化物中の塩素濃度又は金属酸化物中のカーボン濃度とは、水素検知層中の金属酸化物に対して、以下の測定条件下で二次イオン質量分析(以下、「SIMS」と呼ぶ)を行った場合に測定される二次イオン強度と時間とから求めた塩素濃度又はカーボン濃度を言うものとする。

(測定条件)
一次イオン種:Cs
一次イオン加速エネルギー:3keV
二次イオン極性:Negative
酸素リーク:なし
帯電補償手段:電子銃(E−gun)
In the present invention, the chlorine concentration in the metal oxide or the carbon concentration in the metal oxide refers to the secondary ion mass spectrometry (hereinafter referred to as the following) under the following measurement conditions for the metal oxide in the hydrogen detection layer. The chlorine concentration or the carbon concentration obtained from the secondary ion intensity and time measured when “SIMS” is performed).

(Measurement condition)
Primary ion species: Cs +
Primary ion acceleration energy: 3 keV
Secondary ion polarity: Negative
Oxygen leak: None Charging compensation means: Electron gun (E-gun)

本発明によれば、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有する水素ガスセンサが提供される。   According to the present invention, there is provided a hydrogen gas sensor having excellent resilience of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas while having excellent response to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. Is done.

本発明の水素ガスセンサの一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the hydrogen gas sensor of this invention.

以下、本発明の水素ガスセンサの実施形態について図1を用いて詳細に説明する。図1は本発明の水素ガスセンサの一実施形態を示す断面図である。   Hereinafter, an embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention.

図1に示すように、水素ガスセンサ100は、基板10と、基板10の一面10a上に設けられる水素検知層20と、基板10のうち一面10aと反対側の他面10b上に設けられ、水素検知層20を加熱するヒータ30と、水素検知層20のうち基板10と反対側の表面に設けられ、水素検知層20の電気抵抗を測定する一対の電極40とを備えている。   As shown in FIG. 1, the hydrogen gas sensor 100 is provided on a substrate 10, a hydrogen detection layer 20 provided on one surface 10 a of the substrate 10, and another surface 10 b on the opposite side of the substrate 10 from the one surface 10 a. A heater 30 that heats the detection layer 20 and a pair of electrodes 40 that are provided on the surface of the hydrogen detection layer 20 opposite to the substrate 10 and measure the electrical resistance of the hydrogen detection layer 20 are provided.

水素ガスセンサ100は、水素検知層20に水素ガスが吸着されることで変化する水素検知層20の電気抵抗値を、一対の電極40間に電圧を印加することによって測定し、その電気抵抗値の変化によって水素ガスを電気的に検知するものである。   The hydrogen gas sensor 100 measures the electrical resistance value of the hydrogen detection layer 20 that changes when hydrogen gas is adsorbed by the hydrogen detection layer 20 by applying a voltage between the pair of electrodes 40, and The hydrogen gas is electrically detected by the change.

水素検知層20は、水素ガスをプロトンと電子とに解離させる触媒と、触媒による水素ガスの解離によって発生した電子によって電気抵抗が低下する金属酸化物とを含んでおり、金属酸化物中の塩素濃度は1.0×1018atoms/cm以上となっている。 The hydrogen detection layer 20 includes a catalyst for dissociating hydrogen gas into protons and electrons, and a metal oxide whose electric resistance is reduced by electrons generated by dissociation of hydrogen gas by the catalyst. Chlorine in the metal oxide The concentration is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more.

水素ガスセンサ100によれば、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有することが可能となる。   According to the hydrogen gas sensor 100, it is possible to have excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas while having excellent response to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. It becomes.

以下、上述した基板10、水素検知層20、ヒータ30及び電極40の各々について詳細に説明する。   Hereinafter, each of the substrate 10, the hydrogen detection layer 20, the heater 30, and the electrode 40 described above will be described in detail.

<基板>
基板10としては、シリコン、サファイヤ、ガラス、アルミナなどの絶縁性基板や、SiCなどの半絶縁性基板などを用いることができる。
<Board>
As the substrate 10, an insulating substrate such as silicon, sapphire, glass, or alumina, a semi-insulating substrate such as SiC, or the like can be used.

ガラスとしては、無アルカリガラス、石英ガラスなどを用いることができる。   As the glass, alkali-free glass, quartz glass, or the like can be used.

<水素検知層>
水素検知層20は、上述したように、触媒と金属酸化物とを含んでいる。
<Hydrogen detection layer>
As described above, the hydrogen detection layer 20 includes a catalyst and a metal oxide.

(金属酸化物)
金属酸化物は、触媒による水素ガスの解離によって発生した電子によって電気抵抗が低下するものであればよい。金属酸化物としては、例えば三酸化モリブデン(MoO)、三酸化タングステン(WO)、二酸化チタン(TiO)、五酸化バナジウム(V)、酸化ニッケル(NiO)などが挙げられる。これらは1種類単独で又は2種以上を組み合せて用いることができる。上記金属酸化物の中でも、三酸化タングステン及び三酸化モリブデンが好ましく、三酸化タングステンが特に好ましい。この場合、金属酸化物が三酸化タングステン以外の金属酸化物(例えば三酸化モリブデンなど)を含む場合と比べて、水素ガスセンサ100が水素ガスに対してより優れた応答性を有することが可能となる。
(Metal oxide)
The metal oxide may be any metal oxide whose electric resistance is reduced by electrons generated by the dissociation of hydrogen gas by the catalyst. Examples of the metal oxide include molybdenum trioxide (MoO 3 ), tungsten trioxide (WO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO 2 ), and the like. . These can be used alone or in combination of two or more. Among the metal oxides, tungsten trioxide and molybdenum trioxide are preferable, and tungsten trioxide is particularly preferable. In this case, the hydrogen gas sensor 100 can have more excellent responsiveness to hydrogen gas than when the metal oxide includes a metal oxide other than tungsten trioxide (for example, molybdenum trioxide). .

金属酸化物中の塩素濃度は1.0×1018atoms/cm以上である。この場合、金属酸化物中の塩素濃度が1.0×1018atoms/cm未満である場合と比べて、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサ100が、水素ガスに対してより優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により優れた水素ガス検知能の回復性を有する。 The chlorine concentration in the metal oxide is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more. In this case, compared with the case where the chlorine concentration in the metal oxide is less than 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 , the hydrogen gas sensor 100 is more resistant to hydrogen gas even at a low operating temperature of 200 ° C. or lower. While having excellent responsiveness, it has excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas.

金属酸化物中の塩素濃度は9.5×1018atoms/cm以上であることが好ましい。この場合、金属酸化物中の塩素濃度が9.5×1018atoms/cm未満である場合と比べて、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサ100が、水素ガスに対してより優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により優れた水素ガス検知能の回復性を有することが可能となる。但し、金属酸化物中の塩素濃度は1.0×1020atoms/cm以下であることが好ましい。この場合、水素ガスセンサ100が低濃度の水素ガスに対しても高感度で反応することが可能となる。金属酸化物中の塩素濃度は2.0×1019atoms/cm以下であることがより好ましい。 The chlorine concentration in the metal oxide is preferably 9.5 × 10 18 atoms / cm 3 or more. In this case, compared with the case where the chlorine concentration in the metal oxide is less than 9.5 × 10 18 atoms / cm 3 , the hydrogen gas sensor 100 is more resistant to hydrogen gas even at a low operating temperature of 200 ° C. or lower. It becomes possible to have excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas while having excellent response. However, the chlorine concentration in the metal oxide is preferably 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or less. In this case, the hydrogen gas sensor 100 can react with high sensitivity even to a low concentration of hydrogen gas. The chlorine concentration in the metal oxide is more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

金属酸化物中のカーボン濃度は2.5×1019atoms/cm以下であることが好ましい。この場合、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサ100が、水素ガスに対してより優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により優れた水素ガス検知能の回復性を有する。 The carbon concentration in the metal oxide is preferably 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. In this case, even when the operating temperature is as low as 200 ° C. or less, the hydrogen gas sensor 100 has better responsivity for hydrogen gas, and more excellent recoverability of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas. .

金属酸化物中のカーボン濃度は1.3×1018atoms/cm以下であることがより好ましい。この場合、上記金属酸化物中のカーボン濃度が1.3×1018atoms/cmより大きい場合と比べて、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスセンサ100が、水素ガスに対してより一層優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後により一層優れた水素ガス検知能の回復性を有する。 The carbon concentration in the metal oxide is more preferably 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 or less. In this case, compared with the case where the carbon concentration in the metal oxide is higher than 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 , the hydrogen gas sensor 100 is more resistant to hydrogen gas even at a low operating temperature of 200 ° C. or lower. Even more excellent responsiveness, and more excellent recovery of hydrogen gas detection ability after response to hydrogen gas.

但し、金属酸化物中のカーボン濃度は1.0×1014atoms/cm以上であることが好ましい。この場合、水素ガスセンサ100において水素ガスに対する応答性がより向上する。金属酸化物中のカーボン濃度は1.0×1016atoms/cm以上であることがより好ましい。 However, the carbon concentration in the metal oxide is preferably 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 or more. In this case, the responsiveness to hydrogen gas in the hydrogen gas sensor 100 is further improved. The carbon concentration in the metal oxide is more preferably 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more.

(触媒)
触媒は、吸着した水素ガスをプロトンと電子とに解離させることができるものであればよい。このような触媒としては、例えば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)及びルテニウム(Ru)が挙げられる。これらは1種類単独で又は2種以上を組み合せて用いてもよい。上記触媒の中でも、白金が特に好ましい。
(catalyst)
The catalyst may be any catalyst that can dissociate the adsorbed hydrogen gas into protons and electrons. Examples of such a catalyst include platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), nickel (Ni), rhodium (Rh), and ruthenium (Ru). You may use these individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Of the above catalysts, platinum is particularly preferred.

触媒は、金属酸化物層の上に担持されている形態でもよいし、金属酸化物の粒子の表面に付着している形態でもよいが、触媒は、金属酸化物層の上に担持されていることが好ましい。この場合、触媒が金属酸化物層の上に担持されていない場合と比べて、白金と水素との接触面積がより増えるため、水素の解離がより高い効率で行われ、電気抵抗変化がより大きくなる。   The catalyst may be supported on the metal oxide layer or may be attached to the surface of the metal oxide particles, but the catalyst is supported on the metal oxide layer. It is preferable. In this case, compared with the case where the catalyst is not supported on the metal oxide layer, the contact area between platinum and hydrogen is increased, so that the dissociation of hydrogen is performed with higher efficiency and the change in electric resistance is larger. Become.

水素検知層20に含まれる金属酸化物中のカーボン濃度の低減方法は、特に限定されるものではないが、熱処理などが挙げられる。   The method for reducing the carbon concentration in the metal oxide contained in the hydrogen detection layer 20 is not particularly limited, and examples thereof include heat treatment.

熱処理による金属酸化物中のカーボン濃度の低減方法は、金属酸化物中のカーボンを酸化させることで二酸化炭素として金属酸化物中から排出させる方法であるため、酸素ガスの存在下で行う必要がある。熱処理は、酸素ガスの存在下であれば特に限定されるものではないが、酸素分圧が2×10−1atm以上の条件で行うことが好ましい。一般的に酸素分圧を高くすることで、熱処理温度を高くせずに酸化速度を速めることができるため、熱処理は、酸素分圧が4×10−1atm以上の条件で行うことがより好ましい。 The method for reducing the carbon concentration in the metal oxide by heat treatment is a method in which carbon in the metal oxide is oxidized and discharged as carbon dioxide from the metal oxide, so it must be performed in the presence of oxygen gas. . The heat treatment is not particularly limited as long as it is in the presence of oxygen gas, but is preferably performed under conditions where the oxygen partial pressure is 2 × 10 −1 atm or more. In general, by increasing the oxygen partial pressure, the oxidation rate can be increased without increasing the heat treatment temperature. Therefore, it is more preferable to perform the heat treatment under conditions where the oxygen partial pressure is 4 × 10 −1 atm or more. .

熱処理の温度は、酸素と金属酸化物中のカーボンとが反応する温度であれば特に限定されるものではないが、200〜1500℃が好ましい。この場合、大気雰囲気下でも酸素と金属酸化物中のカーボンとが容易に反応する。   The temperature of the heat treatment is not particularly limited as long as it is a temperature at which oxygen and carbon in the metal oxide react, but 200 to 1500 ° C. is preferable. In this case, oxygen and carbon in the metal oxide easily react even in an air atmosphere.

熱処理の時間は、特に限定されるものではないが、5〜120分であることが好ましい。この場合、金属酸化物粒子の成長を抑えられる。   Although the time of heat processing is not specifically limited, It is preferable that it is 5 to 120 minutes. In this case, the growth of metal oxide particles can be suppressed.

<ヒータ>
ヒータ30は水素検知層20を加熱し得るものであればよい。ヒータ30としては、例えばセラミックヒータ、裸発熱体などが挙げられるが、中でもセラミックヒータが好ましい。この場合、発熱体(抵抗体)が外気に触れていないため、発熱体の酸化を抑制でき、発熱体の断線や経時劣化をより十分に抑制できる。
<Heater>
Any heater 30 may be used as long as it can heat the hydrogen detection layer 20. Examples of the heater 30 include a ceramic heater and a bare heating element. Among these, a ceramic heater is preferable. In this case, since the heating element (resistor) is not in contact with the outside air, oxidation of the heating element can be suppressed, and disconnection and deterioration with time of the heating element can be more sufficiently suppressed.

<電極>
電極40は、水素ガス、炭化水素系ガス、一酸化炭素ガスなどの還元性ガスに対して触媒活性を示さない導電材料であれば特に制限されるものではない。このような電極40を構成する導電材料としては、例えば金、銀、アルミニウム合金などが挙げられる。これらのうち電極40を構成する導電材料としては、金が特に好ましい。電極40の形状は特に制限されず、電極40の形状としては、円形状、四角形状、櫛歯状が挙げられる。中でも、電極40の形状は櫛歯状であることが、電極40が微小電極であっても水素ガスに対する検出感度が高いことから好ましい。
<Electrode>
The electrode 40 is not particularly limited as long as it is a conductive material that does not exhibit catalytic activity against a reducing gas such as hydrogen gas, hydrocarbon-based gas, or carbon monoxide gas. Examples of the conductive material constituting such an electrode 40 include gold, silver, and an aluminum alloy. Of these, gold is particularly preferable as the conductive material constituting the electrode 40. The shape of the electrode 40 is not particularly limited, and examples of the shape of the electrode 40 include a circular shape, a square shape, and a comb shape. Especially, it is preferable that the shape of the electrode 40 is a comb-tooth shape, since the detection sensitivity with respect to hydrogen gas is high even if the electrode 40 is a microelectrode.

次に、水素ガスセンサ100の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the hydrogen gas sensor 100 will be described.

まず基板10を用意する。   First, the substrate 10 is prepared.

次に、基板10の他面10b上にヒータ30を形成する。   Next, the heater 30 is formed on the other surface 10 b of the substrate 10.

次に、基板10の一面10a上に、金属酸化物中の塩素濃度が1.0×1018atoms/cm以上となるように水素ガス検知層20を形成する。 Next, the hydrogen gas detection layer 20 is formed on the one surface 10a of the substrate 10 so that the chlorine concentration in the metal oxide is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more.

水素ガス検知層20は、例えば、まず金属酸化物からなる金属酸化物層を形成し、熱処理した後、熱処理後の金属酸化物層上に触媒を担持させることによって形成することができる。   The hydrogen gas detection layer 20 can be formed, for example, by first forming a metal oxide layer made of a metal oxide, performing a heat treatment, and then supporting a catalyst on the metal oxide layer after the heat treatment.

金属酸化物層の形成方法は特に限定されるものではないが、金属酸化物層の形成方法としては、例えばゾル−ゲル法、CVD(化学気相成長)法、及び、PLD(パルスレーザーアブレーション)法などが挙げられる。中でも、ゾル−ゲル法は、大気中で簡易に金属酸化物層を形成できることから好ましく用いられる。   The method for forming the metal oxide layer is not particularly limited. Examples of the method for forming the metal oxide layer include a sol-gel method, a CVD (chemical vapor deposition) method, and a PLD (pulse laser ablation). Law. Among these, the sol-gel method is preferably used because a metal oxide layer can be easily formed in the air.

ゾル−ゲル法を用いて金属酸化物層を形成する場合、例えば、金属塩化物を出発原料とした金属アルコキシド溶液を用意し、このアルコキシド溶液を、基板10の一面10a上に塗布した後、焼成することによって脱水縮合反応を促して金属酸化物層を形成すればよい。   In the case of forming a metal oxide layer using a sol-gel method, for example, a metal alkoxide solution using metal chloride as a starting material is prepared, and this alkoxide solution is applied onto one surface 10a of the substrate 10 and then fired. Thus, the metal oxide layer may be formed by promoting the dehydration condensation reaction.

金属アルコキシド溶液は、金属塩化物をアルコールに溶解させることで得ることができる。アルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノールなどを用いることができる。   The metal alkoxide solution can be obtained by dissolving a metal chloride in alcohol. As alcohol, methanol, ethanol, isopropanol etc. can be used, for example.

金属酸化物中の塩素濃度は、金属アルコキシド溶液を得る際に、金属塩化物中のクロロ基のアルコキシ基への置換割合を制御するか、金属アルコキシドの加水分解又は脱水縮合反応を制御することで調整することができる。金属塩化物のクロロ基のアルコキシ基への置換割合は、酸触媒又は塩基触媒からなる触媒の添加量を制御することによって調整できる。酸触媒は、特に限定されるものではないが、酸触媒としては、例えば塩酸、硫酸、硝酸、酢酸及びフッ酸などが挙げられる。なお、フッ素以外の酸触媒は、加水分解が完了する前に重縮合を起こすことができ、架橋反応を抑制して低密度のゲルを形成する場合に有用である。また、塩基触媒は、特に限定されるものではないが、塩基触媒としては、アンモニアなどが挙げられる。なお、反応後に揮発させることで金属アルコキシド溶液から容易に除去でき、加水分解を起こりやすくして金属塩化物のCl基を容易にアルコキシ基に置換させる場合にはアンモニアが有用である。金属アルコキシドの加水分解を制御することで金属酸化物中の塩素濃度を調整する場合は、例えば金属塩化物をアルコール中に溶解させてアルコキシド化する際のアルコール中の水分量を制御すればよい。あるいは、アルコキシドは室内の水分とも反応して加水分解が進行するため、室内を低湿度にさせることによっても加水分解を制御できる。脱水縮合反応を制御することによる金属酸化物中の塩素濃度は、金属アルコキシド溶液の温度や反応時間を調整し、無差別な反応を抑制することで制御することができる。   The chlorine concentration in the metal oxide is controlled by controlling the substitution ratio of the chloro group to the alkoxy group in the metal chloride, or controlling the hydrolysis or dehydration condensation reaction of the metal alkoxide when obtaining the metal alkoxide solution. Can be adjusted. The substitution ratio of the chloro group to the alkoxy group of the metal chloride can be adjusted by controlling the addition amount of a catalyst comprising an acid catalyst or a base catalyst. The acid catalyst is not particularly limited, and examples of the acid catalyst include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, acetic acid, and hydrofluoric acid. In addition, acid catalysts other than fluorine can cause polycondensation before the hydrolysis is completed, and are useful in the case of forming a low-density gel by suppressing the crosslinking reaction. The base catalyst is not particularly limited, and examples of the base catalyst include ammonia. In addition, ammonia is useful when it can be easily removed from the metal alkoxide solution by volatilization after the reaction, and the hydrolysis easily causes the Cl group of the metal chloride to be easily substituted with the alkoxy group. When the chlorine concentration in the metal oxide is adjusted by controlling the hydrolysis of the metal alkoxide, for example, the amount of water in the alcohol when the metal chloride is dissolved in the alcohol to alkoxide may be controlled. Alternatively, the alkoxide reacts with the moisture in the room to cause hydrolysis, so that the hydrolysis can also be controlled by reducing the humidity in the room. The chlorine concentration in the metal oxide by controlling the dehydration condensation reaction can be controlled by adjusting the temperature and reaction time of the metal alkoxide solution and suppressing indiscriminate reactions.

熱処理による金属酸化物層中のカーボン濃度の低減方法は、金属酸化物層中のカーボンを酸化させることで二酸化炭素として金属酸化物層から排出させる方法であるため、熱処理は、酸素ガスを含む雰囲気下で行う必要がある。このとき、雰囲気中の酸素ガスの分圧は特に制限されるものではないが、1×10―1atm以上とすることが好ましい。この場合、酸素分圧を1×10―1atm以上と高くすることで、熱処理温度を高くせずに酸化をより速めることができる。 The method for reducing the carbon concentration in the metal oxide layer by the heat treatment is a method in which the carbon in the metal oxide layer is oxidized and discharged as carbon dioxide from the metal oxide layer. Therefore, the heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen gas. Need to do below. At this time, the partial pressure of oxygen gas in the atmosphere is not particularly limited, but is preferably 1 × 10 −1 atm or more. In this case, by increasing the oxygen partial pressure to 1 × 10 −1 atm or more, the oxidation can be accelerated without increasing the heat treatment temperature.

酸素分圧の調整は、熱処理炉に酸素と、窒素、希ガスなどの非酸素とを、流量計を用いて調節しながら混合することで行うことができる。また、酸素分圧は、例えばジルコニア(ZrO)固体電解質などを用いて実測することができる。 The oxygen partial pressure can be adjusted by mixing oxygen and non-oxygen such as nitrogen or a rare gas in a heat treatment furnace while adjusting them using a flow meter. The oxygen partial pressure can be measured using, for example, a zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte.

熱処理の温度は、酸素と金属酸化物層中のカーボンとが反応する温度であれば特に限定されるものではないが、200〜1500℃であることが好ましい。この場合、平衡酸素分圧が大気中の酸素分圧よりも低いため、大気雰囲気下の熱処理でも酸素と金属酸化物層中のカーボンとを反応させることができる。   The temperature of the heat treatment is not particularly limited as long as oxygen and carbon in the metal oxide layer react with each other, but is preferably 200 to 1500 ° C. In this case, since the equilibrium oxygen partial pressure is lower than the oxygen partial pressure in the atmosphere, oxygen and carbon in the metal oxide layer can be reacted even by heat treatment in the air atmosphere.

なお、金属酸化物中の金属と酸素とを反応させるのに必要な酸素分圧および温度は、金属酸化物中の金属と酸素のエリンガム図から算出可能である。なお、金属酸化物中の金属と酸素のエリンガム図とは、酸素1モルあたりの酸化物の標準生成ギブスエネルギーを温度の関数として表したものである。   Note that the oxygen partial pressure and temperature required for reacting the metal and oxygen in the metal oxide can be calculated from the Ellingham diagram of the metal and oxygen in the metal oxide. The metal and oxygen Ellingham diagram in the metal oxide represents the standard production Gibbs energy of oxide per mole of oxygen as a function of temperature.

熱処理の時間は、特に限定されるものではないが、5〜120分であることが好ましい。この場合、金属酸化物粒子の成長を抑えられる。   Although the time of heat processing is not specifically limited, It is preferable that it is 5 to 120 minutes. In this case, the growth of metal oxide particles can be suppressed.

金属酸化物層上に触媒を担持させる方法としては、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、スパッタリング法、CVD法、及び、PLD法などが挙げられる。   Examples of the method for supporting the catalyst on the metal oxide layer include a spin coating method, a dip coating method, a spray coating method, a sputtering method, a CVD method, and a PLD method.

最後に、水素ガス検知層20のうち基板10と反対側の表面上に一対の電極40を形成する。一対の電極40は、例えば水素ガス検知層20のうち基板10と反対側の表面上に、導電材料からなる電極層を形成し、電極層に対してフォトリソグラフィ加工を行うことによって形成することができる。   Finally, a pair of electrodes 40 is formed on the surface of the hydrogen gas detection layer 20 opposite to the substrate 10. The pair of electrodes 40 can be formed, for example, by forming an electrode layer made of a conductive material on the surface of the hydrogen gas detection layer 20 opposite to the substrate 10 and performing photolithography on the electrode layer. it can.

こうして水素ガスセンサ100が得られる。   Thus, the hydrogen gas sensor 100 is obtained.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、水素ガスセンサ100がヒータ30を備えているが、本発明の水素ガスセンサは必ずしもヒータを有していなくてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the hydrogen gas sensor 100 includes the heater 30, but the hydrogen gas sensor of the present invention does not necessarily include the heater.

また、上記実施形態では、一対の電極40は、水素検知層20のうち基板10と反対側の表面上に設けられているが、水素検知層20のうち基板10側の表面に設けられていてもよい。   In the above embodiment, the pair of electrodes 40 is provided on the surface of the hydrogen detection layer 20 opposite to the substrate 10, but is provided on the surface of the hydrogen detection layer 20 on the substrate 10 side. Also good.

また、水素ガスセンサ100における測定温度の環境依存性を低くするため、水素ガスセンサ100には、補償素子を利用したブリッジ回路が組み込まれてもよい。その場合には、補償素子として、触媒を用いていない金属酸化物もしくは触媒として作用しない不活性金属粒子を担持させた金属酸化物を用いることができる。   In addition, in order to reduce the environmental dependency of the measurement temperature in the hydrogen gas sensor 100, the hydrogen gas sensor 100 may incorporate a bridge circuit using a compensation element. In that case, a metal oxide that does not use a catalyst or a metal oxide that supports inert metal particles that do not act as a catalyst can be used as the compensation element.

以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the content of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
まず、厚さ0.5mm、直径25mmのSi基板を用意し、Si基板の裏面に白金ヒータを作製した。ここで、白金ヒータは、金属マスクを用いたスパッタリング法を用いて作製した。
Example 1
First, a Si substrate having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 25 mm was prepared, and a platinum heater was produced on the back surface of the Si substrate. Here, the platinum heater was produced using a sputtering method using a metal mask.

次に、白金ヒータ上に絶縁膜としてSiO膜を形成した。 Next, a SiO 2 film was formed as an insulating film on the platinum heater.

次に、グローブボックス内でアルゴン雰囲気下、塩化タングステンをエタノールに溶解させ、タングステンのアルコキシド溶液を準備した。このとき、触媒として、エタノール100mlに対して13.8mol/Lのアンモニア水を10ml加えた。   Next, tungsten chloride was dissolved in ethanol under an argon atmosphere in a glove box to prepare a tungsten alkoxide solution. At this time, 10 ml of 13.8 mol / L aqueous ammonia was added as a catalyst to 100 ml of ethanol.

次に、Si基板のうち絶縁膜とは反対側の面に、タングステンのアルコキシド溶液を塗布し、80℃で1時間焼成して膜を形成する工程を、厚さが1μmになるまで繰り返して積層体を得た。その後、得られた積層体を、乾燥空気中、下記の熱処理条件で加熱処理することで三酸化タングステン(WO)膜を作製した。 Next, the process of forming a film by applying a tungsten alkoxide solution to the surface of the Si substrate opposite to the insulating film and baking it at 80 ° C. for 1 hour is repeated until the thickness reaches 1 μm. Got the body. Thereafter, the obtained laminate was heat-treated in dry air under the following heat treatment conditions to produce a tungsten trioxide (WO 3 ) film.

上記WO膜について、SIMSにより、WO膜中の塩素濃度及びカーボン濃度を測定した。結果を表1に示す。なお、SIMSの測定条件は以下の通りとした。また、WO膜中の塩素濃度及びカーボン濃度はHfO中の感度を基に換算した値である。また、塩素濃度及びカーボン濃度の単位は「atoms/cm」である。

(熱処理条件)
熱処理炉:大気炉
熱処理温度:400℃
熱処理時間:30分
酸素分圧:2×10−1atm
酸素ガス供給流量:0.2SLM
窒素ガス供給流量:0.8SLM

(SIMSの測定条件)
一次イオン種:Cs
一次イオン加速エネルギー:3keV
二次イオン極性:Negative
酸素リーク:なし
帯電補償手段:E−gun(電子銃)
For the WO 3 film, by SIMS, were measured chlorine concentration and the carbon concentration of WO 3 film. The results are shown in Table 1. The SIMS measurement conditions were as follows. The chlorine concentration and carbon concentration in the WO 3 film are values converted based on the sensitivity in HfO 2 . The unit of chlorine concentration and carbon concentration is “atoms / cm 3 ”.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 400 ° C
Heat treatment time: 30 minutes Oxygen partial pressure: 2 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 0.2 SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 0.8 SLM

(SIMS measurement conditions)
Primary ion species: Cs +
Primary ion acceleration energy: 3 keV
Secondary ion polarity: Negative
Oxygen leak: None Charging compensation means: E-gun (electron gun)

続いて、WO膜の上にスパッタリング法で触媒として白金粒子を分散させた。こうしてSi基板上に水素検知層を得た。 Subsequently, platinum particles as a catalyst were dispersed on the WO 3 film by a sputtering method. Thus, a hydrogen detection layer was obtained on the Si substrate.

次に、水素検知層上に、蒸着により、金からなる一対の櫛歯電極を形成した。このとき、各櫛歯電極では櫛歯の長さを3mmとした。また一対の櫛歯電極の櫛歯同士間の間隔を10μmとし、櫛歯対の数を30本とした。   Next, a pair of comb electrodes made of gold was formed on the hydrogen detection layer by vapor deposition. At this time, the length of the comb teeth was set to 3 mm in each comb electrode. The interval between the comb teeth of the pair of comb-teeth electrodes was 10 μm, and the number of comb-teeth pairs was 30.

こうして水素ガスセンサを作製した。   Thus, a hydrogen gas sensor was produced.

(実施例2)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として13.8mol/Lのアンモニア水を5ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表1に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:450℃
熱処理時間:30分
酸素分圧:4×10―1atm
酸素ガス供給流量:4SLM
窒素ガス供給流量:6SLM
(Example 2)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 5 ml of 13.8 mol / L ammonia water was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 1. A hydrogen gas sensor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 1 by performing heat treatment under the heat treatment conditions.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 450 ° C
Heat treatment time: 30 minutes Oxygen partial pressure: 4 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 4 SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 6SLM

(実施例3)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として6mol/Lの塩酸を10ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表1に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:600℃
熱処理時間:30分
酸素分圧:4×10―1atm
酸素ガス供給流量:4SLM
窒素ガス供給流量:6SLM
(Example 3)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 10 ml of 6 mol / L hydrochloric acid was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 1, and the laminate was subjected to the following heat treatment conditions. A hydrogen gas sensor was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 1 by heat treatment.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 600 ° C
Heat treatment time: 30 minutes Oxygen partial pressure: 4 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 4 SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 6SLM

(実施例4)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として6mol/Lの塩酸を10ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表1に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。
(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:600℃
熱処理時間:30分
酸素分圧:6×10―1atm
酸素ガス供給流量:6SLM
窒素ガス供給流量:4SLM
Example 4
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 10 ml of 6 mol / L hydrochloric acid was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 1, and the laminate was subjected to the following heat treatment conditions. A hydrogen gas sensor was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 1 by heat treatment.
(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 600 ° C
Heat treatment time: 30 minutes Oxygen partial pressure: 6 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 6SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 4SLM

(実施例5)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として6mol/Lの塩酸を30ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表1に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表1に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:600℃
熱処理時間:60分
酸素分圧:1atm
酸素ガス供給流量:10SLM
窒素ガス供給流量:0SLM
(Example 5)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 30 ml of 6 mol / L hydrochloric acid was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 1, and the laminate was subjected to the following heat treatment conditions. A hydrogen gas sensor was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 1 by heat treatment.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 600 ° C
Heat treatment time: 60 minutes Oxygen partial pressure: 1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 10 SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 0 SLM

(比較例1)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として13.8mol/Lのアンモニア水を20ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表2に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表2に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:350℃
熱処理時間:10分
酸素分圧:2×10−2atm
酸素ガス供給流量:0.2SLM
窒素ガス供給流量:9.8SLM
(Comparative Example 1)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 20 ml of 13.8 mol / L ammonia water was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 2. A hydrogen gas sensor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 2 by heat treatment under the heat treatment conditions.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 350 ° C
Heat treatment time: 10 minutes Oxygen partial pressure: 2 × 10 −2 atm
Oxygen gas supply flow rate: 0.2 SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 9.8 SLM

(比較例2)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として13.8mol/Lのアンモニア水を10ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表2に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表2に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:350℃
熱処理時間:10分
酸素分圧:2×10−1atm
酸素ガス供給流量:2SLM
窒素ガス供給流量:8SLM
(Comparative Example 2)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 10 ml of 13.8 mol / L ammonia water was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 2, and the laminate was formed as follows. A hydrogen gas sensor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 2 by heat treatment under the heat treatment conditions.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 350 ° C
Heat treatment time: 10 minutes Oxygen partial pressure: 2 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 2SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 8 SLM

(比較例3)
タングステンのアルコキシド溶液を調製する際に、エタノール100mlに対して触媒として13.8mol/Lのアンモニア水を5ml加えることでWO膜中の塩素濃度を表2に示す通りとし、積層体を下記の熱処理条件で熱処理することによってWO膜中のカーボン濃度を表2に示す通りとしたこと以外は実施例1と同様にして水素ガスセンサを作製した。

(熱処理条件)
熱処理炉:雰囲気炉
熱処理温度:400℃
熱処理時間:30分
酸素分圧:2×10−1atm
酸素ガス供給流量:2SLM
窒素ガス供給流量:8SLM
(Comparative Example 3)
When preparing an alkoxide solution of tungsten, 5 ml of 13.8 mol / L ammonia water was added as a catalyst to 100 ml of ethanol so that the chlorine concentration in the WO 3 film was as shown in Table 2, and the laminate was formed as follows. A hydrogen gas sensor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the carbon concentration in the WO 3 film was changed as shown in Table 2 by heat treatment under the heat treatment conditions.

(Heat treatment conditions)
Heat treatment furnace: Atmospheric furnace heat treatment temperature: 400 ° C
Heat treatment time: 30 minutes Oxygen partial pressure: 2 × 10 −1 atm
Oxygen gas supply flow rate: 2SLM
Nitrogen gas supply flow rate: 8 SLM

<特性評価>
≪水素ガスに対する応答性≫
実施例1〜5及び比較例1〜3の水素ガスセンサにおいて、白金ヒータに電流を流すことによって水素検知層の温度を100℃とし、この状態で1%の水素ガス(99%乾燥空気ガス)を5分間吹きかけながら抵抗値を測定して90%応答速度を算出した。結果を表1及び表2に示す。水素ガスに対する応答性は、この90%応答速度に基づいて評価した。
なお、90%応答速度は、ヒータに電流を流してから30分放置した直後の抵抗値(初期抵抗値)R0と水素ガスを吹きかけてから5分後の抵抗値R1との差ΔR(=R0−R1)を100%とし、水素ガスを吹きかけてからの抵抗値の変化がΔRの90%となるまでの時間である。合格基準1はISO26142に基づき下記の通りとした。
(合格基準1)
1%の水素ガスを吹きかけたときの90%応答速度が30秒以下であること
<Characteristic evaluation>
≪Response to hydrogen gas≫
In the hydrogen gas sensors of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, the temperature of the hydrogen detection layer was set to 100 ° C. by passing an electric current through the platinum heater, and 1% hydrogen gas (99% dry air gas) was supplied in this state. The 90% response speed was calculated by measuring the resistance value while spraying for 5 minutes. The results are shown in Tables 1 and 2. The response to hydrogen gas was evaluated based on this 90% response speed.
The 90% response speed is the difference ΔR (= R0) between the resistance value (initial resistance value) R0 immediately after being left for 30 minutes after passing the current through the heater and the resistance value R1 after 5 minutes from blowing hydrogen gas. -R1) is defined as 100%, and the time from when the hydrogen gas is blown until the change in resistance value reaches 90% of ΔR. The acceptance criterion 1 was as follows based on ISO26142.
(Acceptance criteria 1)
90% response speed when 1% hydrogen gas is blown is 30 seconds or less

≪水素ガスに対する応答後の回復性≫
1%の水素の吹きかけを止めてから、引き続き抵抗値を測定して90%回復速度を算出した。結果を表1及び表2に示す。水素ガスに対する応答後の回復性は、この90%回復速度に基づいて評価した。
なお、90%回復速度は、水素ガスの吹きかけを止めた直後の抵抗値R2と初期抵抗値R0との差ΔR’(=R0−R2)を100%とし、水素ガスの吹きかけを止めてからの抵抗値の変化がΔR’の90%となるまでの時間である。結果を表1及び表2に示す。合格基準2はISO26142に基づき、下記の通りとした。
(合格基準2)
1%の水素ガスを吹きかけたときの90%回復速度が60秒以下であること
≪Resilience after response to hydrogen gas≫
After stopping the blowing of 1% hydrogen, the resistance value was continuously measured to calculate the 90% recovery rate. The results are shown in Tables 1 and 2. The recoverability after response to hydrogen gas was evaluated based on this 90% recovery rate.
Note that the 90% recovery rate was obtained by setting the difference ΔR ′ (= R0−R2) between the resistance value R2 immediately after stopping the hydrogen gas blowing and the initial resistance value R0 to 100%, and stopping the hydrogen gas blowing. This is the time until the change in resistance value reaches 90% of ΔR ′. The results are shown in Tables 1 and 2. The acceptance criterion 2 was as follows based on ISO26142.
(Acceptance criteria 2)
90% recovery speed when blowing 1% hydrogen gas is 60 seconds or less

≪合否判定≫
表1及び表2において、合格基準1及び2のいずれか1つでも満たさない場合には「×」と表記し、合格基準1及び2の両方を満たす場合には「○」と表記した。特に合格基準1及び2の両方を満たす場合であって、1%の水素ガスを吹きかけたときの90%回復速度が30秒以下である場合には「◎」と表記した。

Figure 2018004572
Figure 2018004572
≪Pass / fail judgment≫
In Tables 1 and 2, when any one of the acceptance criteria 1 and 2 is not satisfied, “x” is indicated, and when both the acceptance criteria 1 and 2 are satisfied, “◯” is indicated. In particular, when both of the acceptance criteria 1 and 2 were satisfied and the 90% recovery rate when 1% hydrogen gas was blown was 30 seconds or less, “◎” was indicated.
Figure 2018004572
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表1に示す結果より、実施例1〜5の水素ガスセンサは、水素ガスに対する応答性及び水素ガスに対する応答後の回復性の点で合格基準に達していた。これに対し、表2に示す結果より、比較例1〜3の水素ガスセンサは、水素ガスに対する応答性又は水素ガスに対する応答後の回復性の点で合格基準に達していなかった。   From the results shown in Table 1, the hydrogen gas sensors of Examples 1 to 5 reached the acceptance standard in terms of responsiveness to hydrogen gas and recoverability after response to hydrogen gas. On the other hand, from the results shown in Table 2, the hydrogen gas sensors of Comparative Examples 1 to 3 did not reach the acceptance standard in terms of responsiveness to hydrogen gas or recoverability after response to hydrogen gas.

以上のことから、本発明の水素ガスセンサによれば、動作温度が200℃以下の低温でも、水素ガスに対して優れた応答性を有しつつ、水素ガスに対する応答後に優れた水素ガス検知能の回復性を有することが確認された。   From the above, according to the hydrogen gas sensor of the present invention, the hydrogen gas detection capability is excellent after response to hydrogen gas while having excellent response to hydrogen gas even at an operating temperature of 200 ° C. or lower. It was confirmed to have recoverability.

10…基板
20…水素検知層
30…ヒータ
40…電極
100…水素ガスセンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate 20 ... Hydrogen detection layer 30 ... Heater 40 ... Electrode 100 ... Hydrogen gas sensor

Claims (4)

水素ガスを電気的に検知する水素ガスセンサであって、
基板と、
前記基板上に設けられる水素検知層と、
前記水素検知層に設けられる一対の電極とを備え、
前記水素検知層が、水素ガスをプロトンと電子とに解離させる触媒と、前記触媒による水素ガスの解離によって発生した電子によって電気抵抗が低下する金属酸化物とを含み、
前記金属酸化物中の塩素濃度が1.0×1018atoms/cm以上である、水素ガスセンサ。
A hydrogen gas sensor that electrically detects hydrogen gas,
A substrate,
A hydrogen detection layer provided on the substrate;
A pair of electrodes provided on the hydrogen detection layer,
The hydrogen detection layer includes a catalyst for dissociating hydrogen gas into protons and electrons, and a metal oxide whose electrical resistance is reduced by electrons generated by dissociation of hydrogen gas by the catalyst,
The hydrogen gas sensor whose chlorine concentration in the said metal oxide is 1.0 * 10 < 18 > atoms / cm < 3 > or more.
前記金属酸化物中のカーボン濃度が2.5×1019atoms/cm以下である請求項1に記載の水素ガスセンサ。 2. The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein a carbon concentration in the metal oxide is 2.5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. 前記金属酸化物中のカーボン濃度が1.3×1018atoms/cm以下である請求項1又は2に記載の水素ガスセンサ。 3. The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein a carbon concentration in the metal oxide is 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 or less. 前記金属酸化物が三酸化タングステンを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal oxide includes tungsten trioxide.
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