JP3046387B2 - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP3046387B2
JP3046387B2 JP3114438A JP11443891A JP3046387B2 JP 3046387 B2 JP3046387 B2 JP 3046387B2 JP 3114438 A JP3114438 A JP 3114438A JP 11443891 A JP11443891 A JP 11443891A JP 3046387 B2 JP3046387 B2 JP 3046387B2
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semiconductor
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由佳 河端
昌之 白鳥
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Osaka Gas Co Ltd
Toshiba Carrier Corp
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Osaka Gas Co Ltd
Toshiba Carrier Corp
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の目的】[Object of the invention]

【0002】[0002]

【産業上の利用分野】本発明は、金属酸化物半導体を用
いた積層型のガスセンサに係り、特に換気用としてガス
感度特性、長期安定性に優れたガスセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated gas sensor using a metal oxide semiconductor, and more particularly to a gas sensor having excellent gas sensitivity characteristics and long-term stability for ventilation.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来から、可燃性ガスの漏洩検査や室内
の空気の汚れ検知の目的で、金属酸化物半導体をガス感
応体として用いたガスセンサが使用されている。これら
のガスセンサの中で、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジ
ウムのようなn型半導体をガス感応体として用いたもの
では、還元性ガスとの接触によって、n型半導体の電気
抵抗が減少することを利用してガスが検知され、逆にp
型半導体をガス感応体として用いたものでは、還元性ガ
スとの接触によって、p型半導体の電気抵抗が増加する
ことを利用してガスが検知される。このようなガスセン
サは、半導体ガスセンサと呼ばれもので、感度、応答速
度、さらに経済性に優れるという特徴を供えている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a gas sensor using a metal oxide semiconductor as a gas sensing element has been used for the purpose of leakage inspection of combustible gas and detection of contamination of indoor air. Among these gas sensors, those using an n-type semiconductor such as zinc oxide, tin oxide, or indium oxide as a gas sensitizer show that the electric resistance of the n-type semiconductor decreases by contact with a reducing gas. Gas is detected using
In the case where the type semiconductor is used as a gas sensing element, the gas is detected by utilizing the fact that the electrical resistance of the p-type semiconductor increases due to the contact with the reducing gas. Such a gas sensor is called a semiconductor gas sensor, and has features of being excellent in sensitivity, response speed, and economy.

【0004】しかし、現在普及している半導体式ガスセ
ンサは、半導体のみでは電気抵抗の減少や増加が十分で
ないことに加え、特定成分を選択的に識別検知すること
が困難であるという問題を有している。また、被毒劣化
や湿度、温度により経時的に電気抵抗が変化する等の問
題も有している。前者に対しては、一般に貴金属や金属
酸化物等の触媒物質を担時させた多孔質の金属酸化物か
らなる触媒層を、ガス感応体上に被着形成(積層型)し
たり、上記したような触媒物質を半導体に添加する等が
行われている。このような触媒は、検知するガスに対し
て吸着、反応、拡散および透過の場を提供し、ガス感応
体の感度を向上させるばかりでなく、特定成分に対する
感度を高くすること、すなわち適度なガス選択性を発現
させる働きを有している。また、後者の信頼性に関する
問題は半導体式のみならず、化学センサの宿命ともいう
べき問題であり、ガスセンサの感応体が化学成分と直接
接触することによって反応するという原理に起因するも
のである。
However, semiconductor gas sensors that are currently in widespread use have the problems that the electrical resistance is not sufficiently reduced or increased with a semiconductor alone, and that it is difficult to selectively identify and detect a specific component. ing. There is also a problem that the electric resistance changes with time due to poisoning deterioration and humidity and temperature. For the former, generally, a catalyst layer composed of a porous metal oxide supporting a catalytic substance such as a noble metal or a metal oxide is formed on a gas-sensitive body by applying (stacking type), or as described above. For example, such a catalyst substance is added to a semiconductor. Such a catalyst provides a field of adsorption, reaction, diffusion and permeation for the gas to be detected, and not only improves the sensitivity of the gas sensitizer, but also increases the sensitivity to a specific component, that is, a moderate gas. It has the function of expressing selectivity. In addition, the latter problem relating to reliability is not only a semiconductor type but also a problem of the fate of a chemical sensor, and is caused by a principle that a sensitive body of a gas sensor reacts by directly contacting a chemical component.

【0005】したがって、これまでにも経時変化の少な
い安定性に優れたガスセンサを得るために、その劣化機
構が研究されてきている。例えば、酸化スズ焼結型半導
体式ガスセンサでは、金属酸化物半導体粒子の成長、金
属触媒の表面積の減少、表面水酸基の減少等が劣化原因
であることが判明しており(五百蔵、電気化学 50,(No.
1),99,(1982)、松浦,高畠,五百蔵,第6回[センサの
基礎と応用]シンポジウム講演予稿集,B-1,P63,(1986)
、中村他、第5回化学センサ研究発表回講演予稿集,Z-
26,P55,(1986)等参照)、焼結条件やバインダの変更を
行うことによって、一部で良好な結果が得られている。
[0005] Therefore, in order to obtain a gas sensor with little change over time and excellent stability, the degradation mechanism has been studied. For example, in a tin oxide sintered type semiconductor gas sensor, it has been found that growth of metal oxide semiconductor particles, a decrease in the surface area of a metal catalyst, a decrease in surface hydroxyl groups, and the like are the causes of deterioration (500 Hyakuzo, Electrochemistry 50, (No.
1), 99, (1982), Matsuura, Takahata, Gohyakuzo, Proceedings of the 6th [Sensor Basics and Applications] Symposium, B-1, P63, (1986)
, Nakamura et al., Proceedings of the 5th Chemical Sensor Research Presentation, Z-
26, P55, (1986), etc.), and good results have been obtained in some cases by changing the sintering conditions and the binder.

【0006】一方、上記した積層型酸化スズ半導体ガス
センサにおいても、信頼性向上のために半導体薄膜の焼
成条件を変更したり電極材料を替えることにより、その
寿命を数倍に延ばしたことが報告されている。しかし、
これらの方法を用いた場合でも、高湿中の劣化を十分に
制御することは達成されていない。さらに、プレッシャ
ークッカーテスタを用いた半導体の熟成試験からは、処
理時間の長さあるいは処理の有無と高湿中での信頼性に
は相関関係は認められていない。すなわち、積層型半導
体式ガスセンサにおいて、ガスは半導体とその上部に形
成された触媒層をなかだちとして反応するのであり、高
湿中での劣化も半導体膜に起因するものではなく、主に
触媒活性の低下に起因するものと考えられる。したがっ
て、一般に触媒の長寿命化の方策としては、金属触媒の
担体上への分散性の向上、触媒担持量の調製や触媒の粒
経制御が有効であると思われる。
On the other hand, it has been reported that the life of the stacked tin oxide semiconductor gas sensor was extended several times by changing the firing conditions of the semiconductor thin film or changing the electrode material in order to improve the reliability. ing. But,
Even when these methods are used, sufficient control of deterioration in high humidity has not been achieved. Further, from a ripening test of a semiconductor using a pressure cooker tester, no correlation was recognized between the length of processing time or the presence or absence of processing and the reliability in high humidity. In other words, in the stacked semiconductor gas sensor, the gas reacts with the semiconductor and the catalyst layer formed thereon, and the degradation in high humidity is not caused by the semiconductor film, but mainly due to the catalytic activity. It is thought to be due to the decline. Therefore, in general, it is considered that as a measure for extending the life of the catalyst, it is effective to improve the dispersibility of the metal catalyst on the carrier, adjust the amount of the catalyst carried, and control the particle size of the catalyst.

【0007】ここで、特に換気用センサとして、室内の
雰囲気により自動的に換気を行うための制御信号を発す
るために用いられるガスセンサへの要求特性としては、
(a) 不快感を与えるか、または人体に有害である各種の
ガスに対して、一様な感度を有すること、特に有害ガス
である一酸化炭素(CO)ガスについての感度が重要とさ
れる(COガスはその危険性から200ppm程度が検出基準と
なる)、(b) 一般的な雰囲気に晒されるために湿度の影
響が大きいので、耐湿性に優れていること、等が挙げら
れる。
Here, in particular, the required characteristics of a gas sensor used as a ventilation sensor for generating a control signal for automatically performing ventilation according to the indoor atmosphere include:
(a) It is important to have uniform sensitivity to various gases that cause discomfort or are harmful to the human body, especially sensitivity to the harmful gas carbon monoxide (CO) gas. (CO gas has a detection standard of about 200 ppm due to its danger), and (b) it is excellent in moisture resistance because it is exposed to a general atmosphere and is greatly affected by humidity.

【0008】例えば、含浸法によってアルミナに銅、タ
ングステンを担持させてなるタングステン−銅/アルミ
ナ粉体に、アルミニウム樹脂塩、テレピン油、エチルヒ
ドロキシエチルセルロース等を加えたペーストを、平面
基板上に形成された酸化スズ半導体からなるガス感応体
上にスクリーン印刷し、乾燥の後に焼成し、触媒層を被
着形成して作製したガスセンサ素子は、上記 (a)の感度
特性を満たすものである。厚膜集積回路の製法に用いら
れているスクリーン印刷手法は、量産性の高い優れた方
法であり、この方法で作られた積層型ガスセンサは、ガ
ス感応体である半導体と上記触媒との組み合わせ、さら
に半導体、触媒それぞれに表面処理等を施すことも可能
であるため、センサ特性の変更、調整等も容易であると
いう利点を有するものである。
For example, a paste obtained by adding an aluminum resin salt, turpentine oil, ethyl hydroxyethyl cellulose, or the like to a tungsten-copper / alumina powder obtained by supporting copper and tungsten on alumina by an impregnation method is formed on a flat substrate. A gas sensor element manufactured by screen printing on a gas sensitive body made of a tin oxide semiconductor, drying and firing, and applying a catalyst layer thereon, satisfies the sensitivity characteristic (a) described above. The screen printing method used for the method of manufacturing a thick film integrated circuit is an excellent method with high mass productivity, and the stacked gas sensor manufactured by this method is a combination of a semiconductor that is a gas sensitive body and the above catalyst, Furthermore, since it is also possible to apply a surface treatment or the like to each of the semiconductor and the catalyst, there is an advantage that the sensor characteristics can be easily changed and adjusted.

【0009】しかし、このスクリーン印刷によって触媒
層を形成した、積層型酸化スズ半導体式ガスセンサは、
耐湿性試験において空気中での半導体の抵抗値が高くな
るほか、触媒の変化によっては検知対象であるCOに対す
る感度が変化する場合がある等、上記した換気用センサ
に対する (b)の要求特性に対しては、良好な結果は得ら
れていない。
However, a stacked tin oxide semiconductor gas sensor having a catalyst layer formed by this screen printing,
In the moisture resistance test, in addition to the increase in the resistance value of the semiconductor in the air, the sensitivity to CO as the detection target may change depending on the change of the catalyst, etc. On the other hand, good results have not been obtained.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、換気
の自動化制御等に用いる、従来の積層型半導体式ガスセ
ンサは、高湿雰囲気での連続使用により、空気中で半導
体の抵抗値が上昇したり、また各種ガスに対する感度が
変化する等、経時安定性に問題があった。
As described above, the conventional stacked semiconductor gas sensor used for the automatic control of ventilation and the like has a problem that the resistance of the semiconductor increases in air due to continuous use in a high humidity atmosphere. There was a problem in stability over time, for example, and the sensitivity to various gases changed.

【0011】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、エタノール、プロパンおよび一酸化
炭素等の雑ガスに対して優れた感度を示し、さらに長時
間の使用あるいは高湿雰囲気での使用におけるガス感度
の変化を抑制し、経時安定性に優れる積層型の半導体式
ガスセンサを提供することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such problems, and has excellent sensitivity to miscellaneous gases such as ethanol, propane, and carbon monoxide, and has been used for a long time or in a high humidity atmosphere. It is an object of the present invention to provide a stacked semiconductor gas sensor that suppresses a change in gas sensitivity during use in a semiconductor device and has excellent stability over time.

【0012】[0012]

【発明の構成】Configuration of the Invention

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】すなわち本発明のガスセ
ンサは、絶縁基板と、この絶縁基板上に対向して形成さ
れた一対の電極と、これら一対の電極に跨って形成され
た金属酸化物半導体からなるガス感応膜と、このガス感
応膜を覆うように形成された触媒層とを具備するガスセ
ンサにおいて、前記触媒層は、アルミナを担体とし、こ
の担体に銅、タングステンおよびリンもしくはその酸化
物を担持させた触媒により構成されていることを特徴と
している。
The gas sensor of the present invention comprises an insulating substrate, a pair of electrodes formed on the insulating substrate, and a metal oxide semiconductor formed over the pair of electrodes. In a gas sensor comprising a gas-sensitive film consisting of: and a catalyst layer formed so as to cover the gas-sensitive film, the catalyst layer comprises alumina as a carrier, and copper, tungsten and phosphorus or an oxide thereof are deposited on the carrier. It is characterized by being constituted by a supported catalyst.

【0014】[0014]

【作用】本発明のガスセンサにおいては、ガス感応膜の
触媒層として、銅、タングステンおよびリンの 3種類の
金属もしくはその酸化物を、担体であるアルミナに同時
に担持させた触媒を使用している。このように、上記し
た 3種類の金属を混合して用いることによって、特に高
湿雰囲気中での触媒の劣化を効果的に抑制することが可
能となる。銅およびタングステンは、触媒として、主に
換気センサとして望ましいガス感度特性や選択性を発現
させるのに対し、リン添加はそのガス感度特性にほとん
ど影響を与えずに、特性の安定性向上に寄与する。リン
を添加することにより、触媒および半導体表面の特性が
変化し、例えば水蒸気または水酸基の吸着・脱離反応を
促進するような働きをすると考えられる。具体的には、
高湿雰囲気に長期間おかれて一度増加した素子の抵抗
を、低湿雰囲気に戻したときに低下させる働きを示す。
このように、リンの低下は湿度特性の向上に有効な方法
である。
In the gas sensor of the present invention, a catalyst in which three kinds of metals of copper, tungsten and phosphorus or their oxides are simultaneously supported on alumina as a carrier is used as a catalyst layer of a gas-sensitive film. As described above, by using a mixture of the above three kinds of metals, it is possible to effectively suppress catalyst deterioration particularly in a high-humidity atmosphere. Copper and tungsten, as catalysts, mainly exhibit gas sensitivity characteristics and selectivity desirable as ventilation sensors, whereas phosphorus addition has little effect on gas sensitivity characteristics and contributes to improved stability of characteristics. . It is considered that the addition of phosphorus changes the properties of the catalyst and the semiconductor surface, and acts, for example, to promote the adsorption / desorption reaction of water vapor or a hydroxyl group. In particular,
It exhibits the function of reducing the resistance of an element once increased in a high-humidity atmosphere for a long time when returned to a low-humidity atmosphere.
Thus, the reduction of phosphorus is an effective method for improving the humidity characteristics.

【0015】[0015]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0016】図1は、本発明の一実施例のガスセンサの
構成を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はA
−A線に沿った断面図である。同図において、1はアル
ミナ等からなる絶縁基板であり、絶縁基板1の内部には
ヒータ2が内蔵されている。また、絶縁基板1の表面に
は、対向するように設けられた一対の電極3、4が形成
されている。これら対向する電極3、4は、櫛歯状の電
極本体3a、4aと、電極パッド3b、4bとから構成
されており、絶縁基板1の中央付近に位置する電極本体
3a、4aの上に、それぞれに接するように、ガス感応
膜5が積層形成されている。このガス感応膜5は、金属
酸化物半導体からなり、例えば酸化スズ、酸化亜鉛、酸
化インジウム等を主とするものである。
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a configuration of a gas sensor according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG.
It is sectional drawing which followed the -A line. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an insulating substrate made of alumina or the like, and a heater 2 is built in the insulating substrate 1. On the surface of the insulating substrate 1, a pair of electrodes 3, 4 provided to face each other is formed. These opposing electrodes 3, 4 are composed of comb-shaped electrode bodies 3a, 4a and electrode pads 3b, 4b, and are placed on the electrode bodies 3a, 4a located near the center of the insulating substrate 1. A gas-sensitive film 5 is formed so as to be in contact with each of them. The gas-sensitive film 5 is made of a metal oxide semiconductor, and mainly includes, for example, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, and the like.

【0017】上記ガス感応膜5上には、これを覆うよう
に触媒層6が積層形成されている。この触媒層6は、
銅、タングステンおよびリンの 3種類の金属元素をアル
ミナ粒子に担持させた触媒粒子の多孔質層からなるもの
である。ここで、上記触媒層における、銅、タングステ
ンおよびリンの含有比率としては、アルミナ 100重量部
に対して、銅は 0.1〜10.0重量部の範囲が、タングステ
ンは 0.1〜20.0重量部の範囲が、リンは0.01〜10.0重量
部の範囲が好ましい。リンの添加量がアルミナに対して
0.01重量部未満では、耐湿性等の向上効果が十分に得ら
れず、また10.0重量部を超えると感度の低下を招く恐れ
がある。また、タングステンと銅との比、例えばW/Cuで
表される重量比が10を超えると、ガス感度が低下するた
め、実用的にはW/Cuを 0.1〜10の範囲とすることが望ま
しい。
A catalyst layer 6 is formed on the gas-sensitive film 5 so as to cover it. This catalyst layer 6
It consists of a porous layer of catalyst particles in which three kinds of metal elements of copper, tungsten and phosphorus are supported on alumina particles. Here, as the content ratio of copper, tungsten and phosphorus in the catalyst layer, the range of 0.1 to 10.0 parts by weight of copper and the range of 0.1 to 20.0 parts by weight of tungsten is Is preferably in the range of 0.01 to 10.0 parts by weight. Phosphorus added to alumina
If the amount is less than 0.01 part by weight, the effect of improving moisture resistance and the like cannot be sufficiently obtained, and if the amount exceeds 10.0 parts by weight, sensitivity may be reduced. Further, when the weight ratio of tungsten to copper, for example, the weight ratio represented by W / Cu exceeds 10, the gas sensitivity decreases, so it is practically desirable that W / Cu be in the range of 0.1 to 10. .

【0018】そして、対向電極3、4用の電極パッド3
b、4bにリード線7が取り付けられ、またヒータ2に
はヒータ用パッド8が接続され、さらにこのヒータ用パ
ッドにリード線9が取り付けられて、ガスセンサが構成
されている。
The electrode pads 3 for the opposing electrodes 3 and 4
A lead wire 7 is attached to b and 4b, a heater pad 8 is connected to the heater 2, and a lead wire 9 is further attached to the heater pad to constitute a gas sensor.

【0019】なお、上記ヒータ2は、ガスセンサへ付着
する蒸気や塵、油分等を燃焼させると共に、ガスの吸着
脱離速度を早めて素子の感度と応答性を高めるものであ
る。このように、一般にガスセンサにおける絶縁基板に
は、ヒータが内蔵される場合が多い。
The heater 2 burns steam, dust, oil, and the like adhering to the gas sensor, and also increases the sensitivity and responsiveness of the element by increasing the gas adsorption / desorption speed. As described above, generally, the heater is often built in the insulating substrate of the gas sensor.

【0020】上記したような構成を有するこの実施例の
ガスセンサは、例えば次のようにして製造される。
The gas sensor of this embodiment having the above-described configuration is manufactured, for example, as follows.

【0021】図2は、本発明のガスセンサの製造工程の
一例を示すフローチャートであり、絶縁基板としては例
えば多数個取りの基板が使用される。以下に、図2にし
たがって製造工程を説明する。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the gas sensor according to the present invention. For example, a multi-piece substrate is used as the insulating substrate. Hereinafter, the manufacturing process will be described with reference to FIG.

【0022】はじめに、多数個取りの絶縁基板を用意す
る(ステップ 101)。この絶縁基板の表面に対向電極を
形成する(ステップ 102)。次いで、対向電極上にガス
感応膜をスクリーン印刷によりパターン形成する(ステ
ップ 103)。印刷したパターンを乾燥させた後(ステッ
プ 104)、焼成する(ステップ 105)。これらのステッ
プ 103〜 105は、通常 2回以上繰り返して行い、所望と
するガス感応膜を形成する。
First, a multi-cavity insulating substrate is prepared (step 101). A counter electrode is formed on the surface of the insulating substrate (Step 102). Next, a pattern of a gas-sensitive film is formed on the counter electrode by screen printing (step 103). After the printed pattern is dried (step 104), it is baked (step 105). These steps 103 to 105 are usually repeated two or more times to form a desired gas-sensitive film.

【0023】続いて、積層形成したガス感応膜の上に、
多孔質触媒層をスクリーン印刷により形成し(ステップ
106)、乾燥させた(ステップ 107)後に、焼成して
(ステップ 108)、所望とする触媒層を形成する。
Subsequently, on the laminated gas-sensitive film,
Form a porous catalyst layer by screen printing (Step
106), after drying (step 107), baking (step 108) to form a desired catalyst layer.

【0024】その後、多数個取りの絶縁基板をチップ毎
に分割し(ステップ 109)、各チップ毎にリード線を接
続して(ステップ 110)、ガスセンサが完成する。
Thereafter, the multi-cavity insulating substrate is divided into chips (step 109), and a lead wire is connected to each chip (step 110) to complete the gas sensor.

【0025】ここで、触媒層の形成工程(ステップ 10
6)について、図3を用いてさらに詳しく説明する。図
3は、本発明のガスセンサにおける触媒層の形成方法を
示すフローチャートである。
Here, the catalyst layer forming step (step 10)
6) will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a method for forming a catalyst layer in the gas sensor of the present invention.

【0026】はじめに、担体となるアルミナの微粉体を
所定量秤量し(ステップ 201)、これを 3種類の触媒金
属のうち、タングステンおよび銅を含む水溶液、例えば
タングステン酸アンモニウムや硫酸銅を含む水溶液に浸
漬する(ステップ 202)。十分に撹拌、混合した後(ス
テップ 203)、減圧乾燥し(ステップ 204)、さらに加
熱乾燥させる(ステップ 205)。その後、粉砕機等を用
いて乾燥物を粉末とし(ステップ 206)、石英ルツボ等
に収容して焼成する(ステップ 207)。さらに、粒径の
調整のために篩にかけ、触媒の 2次粒子を取り出す(ス
テップ208)。次に、この触媒の 2次粒子にバインダを
加えてペースト化し、さらにリンを例えばリンレジネー
トとして加え、よく混合して触媒層印刷用ペーストとす
る(ステップ 209)。この触媒層印刷用ペーストを所定
のガス感応膜上にスクリーン印刷によりパターン形成し
(ステップ 210)、乾燥させた(ステップ 211)後に、
焼成して(ステップ 212)、所望とする触媒層を形成す
る。これらの工程のうち、ステップ 211は図2のステッ
プ 107に対応し、ステップ 212は図2のステップ108に
対応している。
First, a predetermined amount of alumina fine powder serving as a carrier is weighed (step 201), and this is converted into an aqueous solution containing tungsten and copper, for example, an aqueous solution containing ammonium tungstate or copper sulfate, among the three types of catalyst metals. Immerse (step 202). After sufficiently stirring and mixing (Step 203), the mixture is dried under reduced pressure (Step 204) and further dried by heating (Step 205). Thereafter, the dried product is made into a powder using a crusher or the like (Step 206), and is stored in a quartz crucible or the like and fired (Step 207). Further, the particles are sieved to adjust the particle size, and secondary particles of the catalyst are taken out (Step 208). Next, a binder is added to the secondary particles of the catalyst to form a paste, and phosphorus is added, for example, as a phosphorus resinate, and mixed well to obtain a paste for printing a catalyst layer (step 209). This catalyst layer printing paste is pattern-formed on a predetermined gas-sensitive film by screen printing (Step 210) and dried (Step 211).
Calcination (step 212) to form the desired catalyst layer. Of these steps, step 211 corresponds to step 107 in FIG. 2, and step 212 corresponds to step 108 in FIG.

【0027】なお、リンは上記したように、バインダに
リンネジネートとして加える他、触媒粉体の調製時(ス
テップ 202)にリン酸水溶液として加えてもよい。
As described above, phosphorus may be added to the binder as a phosphorus screwate, or may be added as an aqueous phosphoric acid solution during the preparation of the catalyst powder (step 202).

【0028】次に、上記したガスセンサの具体的な製造
例およびその特性評価結果について述べる。
Next, a specific production example of the above-described gas sensor and its characteristic evaluation results will be described.

【0029】実施例1 まず、多数個取り用のヒーター内蔵アルミナ基板上に、
金導体ペーストの印刷、焼成によって対向電極を形成し
た。次に、2-エチルヘキサン酸スズ50.5重量%、2-ニオ
ブレジネート 0.5重量%、エチルヒドロキシエチルセル
ロース(EHEC) 5.0重量%、テルピネオール44.5重
量%からなるガス感応膜用のペーストを調整し、このペ
ーストをスクリーン印刷によって対向電極上にガス感応
膜のパターンに印刷した。その後、 120℃で15分間乾燥
し、 500℃で10分間のピークを有する焼成プログラムに
より熱処理を行い、 1層目のガス感応膜を形成した。こ
うして形成した 1層目の感応膜上に、再び同一組成のペ
ーストを印刷し、乾燥および熱処理を行い、 2層目のガ
ス感応膜を形成した。
Example 1 First, on an alumina substrate with a built-in heater for multi-cavity production,
The counter electrode was formed by printing and firing a gold conductor paste. Next, a paste for a gas-sensitive film consisting of 50.5% by weight of tin 2-ethylhexanoate, 0.5% by weight of 2-niobium resinate, 5.0% by weight of ethylhydroxyethylcellulose (EHEC), and 44.5% by weight of terpineol was prepared. The pattern of the gas-sensitive film was printed on the counter electrode by screen printing. Thereafter, the film was dried at 120 ° C. for 15 minutes and heat-treated by a firing program having a peak at 500 ° C. for 10 minutes to form a first gas-sensitive film. A paste having the same composition was printed again on the first-layer sensitive film thus formed, followed by drying and heat treatment to form a second-layer gas-sensitive film.

【0030】次いで、上記ガス感応膜の上層側にアルミ
ナ担持触媒層を、以下のようにして形成した。
Next, an alumina-supported catalyst layer was formed on the upper side of the gas-sensitive film as follows.

【0031】まず、アルミナの微粉体を所定量秤量し、
これをタングステン酸アンモニウムおよび硫酸銅を含む
水溶液に浸漬した。十分に撹拌、混合した後、1時間減
圧乾燥し、さらに 120℃で加熱乾燥した。この後、粉砕
機を用いて乾燥物を粉末とし(ステップ 206)、石英ル
ツボに収容して 400℃〜 600℃の温度で焼成した。さら
に、篩にかけて#400〜#100のメッシュ間に残った粒径の
触媒の 2次粒子を取り出した。
First, a predetermined amount of fine alumina powder is weighed,
This was immersed in an aqueous solution containing ammonium tungstate and copper sulfate. After sufficiently stirring and mixing, the mixture was dried under reduced pressure for 1 hour and further dried by heating at 120 ° C. Thereafter, the dried product was made into a powder using a crusher (step 206), housed in a quartz crucible, and fired at a temperature of 400 ° C to 600 ° C. Furthermore, secondary particles of the catalyst having a particle size remaining between meshes of # 400 to # 100 were taken out through a sieve.

【0032】この触媒の 2次粒子に、バインダとしてア
ルミニウムレジネート、エチルヒドロキシエチルセルロ
ース(EHEC)、テルピネオールを加えてペースト化
し、さらにリンレジネートを加え、よく混合して触媒層
印刷用ペーストとした。この触媒層印刷用ペーストは、
アルミナ 100重量部に対して、銅が 1重量部、タングス
テンが 5重量部、リンが 1重量部となるように調製し
た。次に、上記触媒層印刷用ペーストを、上記した 2層
構造のガス感応膜上にスクリーン印刷によりパターン形
成し、 120℃で15分間乾燥させた後に、 600℃×10分の
ピークを有するベルト炉で焼成して触媒層を形成した。
To the secondary particles of the catalyst, aluminum resinate, ethylhydroxyethylcellulose (EHEC) and terpineol were added as a binder to form a paste, and phosphorus resinate was further added and mixed well to prepare a paste for printing a catalyst layer. This catalyst layer printing paste is
Copper was adjusted to 1 part by weight, tungsten to 5 parts by weight, and phosphorus to 1 part by weight based on 100 parts by weight of alumina. Next, the above-mentioned catalyst layer printing paste is pattern-formed by screen printing on the above-described gas-sensitive film having a two-layer structure, dried at 120 ° C. for 15 minutes, and then subjected to a belt furnace having a peak at 600 ° C. × 10 minutes. To form a catalyst layer.

【0033】この後、触媒層が形成された絶縁基板を所
定数のチップに分割し、対向電極用の電極パッドおよび
ヒータ用パッドにそれぞれリード線を接続して、チップ
の実装を行うと共に、このチップのまわりを防爆ネット
で覆い、目的とするガスセンサを得た。
Thereafter, the insulating substrate on which the catalyst layer is formed is divided into a predetermined number of chips, lead wires are respectively connected to the electrode pads for the counter electrode and the heater pads, and the chips are mounted. The area around the chip was covered with an explosion-proof net to obtain the desired gas sensor.

【0034】実施例2 触媒層として、アルミナ 100重量部に対して、Cuを 1重
量部、 Wを 5重量部、Pを 0.1重量部で含有(担持)さ
せる以外は、実施例1と同様にしてガスセンサを製造し
た。
Example 2 A catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1 part by weight of Cu, 5 parts by weight of W, and 0.1 part by weight of P were contained (supported) with respect to 100 parts by weight of alumina. To produce a gas sensor.

【0035】比較例1 触媒層において、アルミナ 100重量部に対して、Cuを1
重量部、 Wを 5重量部で含有(担持)させる以外は、実
施例1と同様にしてガスセンサを製造した。
Comparative Example 1 In the catalyst layer, 1 part of Cu was added to 100 parts by weight of alumina.
A gas sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 5 parts by weight and W were contained (supported).

【0036】このようにして得た各実施例および比較例
のガスセンサの感度特性を、一酸化炭素、タバコ煙、水
素およびエタノールについて測定した。また、高湿雰囲
気中(40℃、 90%RH)におけるガスセンサの抵抗値の変
化(2000時間後)を測定した。それらの結果を表1およ
び図4に示す。さらに、実施例1のガスセンサを用い
て、高湿雰囲気中(40℃、 90%RH)で1000時間通電した
後、常温・常湿中で通電した時の変化の様子を図5に示
す。
The sensitivity characteristics of the gas sensors obtained in the examples and the comparative examples thus obtained were measured for carbon monoxide, tobacco smoke, hydrogen and ethanol. Further, a change in the resistance value of the gas sensor in a high humidity atmosphere (40 ° C., 90% RH) (after 2000 hours) was measured. The results are shown in Table 1 and FIG. Further, FIG. 5 shows how the gas sensor of Example 1 changes when the power is supplied for 1000 hours in a high humidity atmosphere (40 ° C., 90% RH) for 1000 hours and then supplied at normal temperature and normal humidity.

【0037】(以下余白) 表1 触媒担持 担持量 感度(Rair/Rgas ) 抵抗値 金属 (重量部) 変化率 *2 *1 CO タバコ 水素 エタノール Rair Sco 実施例1 Cu-W-P 1:5:1 3.79 1.61 5.76 7.71 36 12 実施例2 Cu-W-P 1:5:0.1 3.27 1.38 7.39 8.51 45 11 比較例1 Cu-W 1:5 3.54 1.39 5.10 5.08 97 122 *1:担持金属割合はアルミナ 100重量部に対する割合で
ある 。
Table 1 Supported amount of catalyst Supported amount Sensitivity (Rair / Rgas) Resistance metal (parts by weight) change rate * 2 * 1 CO tobacco hydrogen ethanol Rair Sco Example 1 Cu-WP 1: 5: 1 3.79 1.61 5.76 7.71 36 12 Example 2 Cu-WP 1: 5: 0.1 3.27 1.38 7.39 8.51 45 11 Comparative Example 1 Cu-W 1: 5 3.54 1.39 5.10 5.08 97 122 * 1: Ratio of supported metal to 100 parts by weight of alumina It is.

【0038】*2:抵抗値変化率は2000時間経過後の変化
率であり、次の計算式から求めた。 (R[2000]−R[0] /R[0] )× 100 (%) なお、R[2000]は2000時間経過後の空気中の抵抗値(R
air)、R[0] は耐湿性試験にかける以前の抵抗値(Rai
r)である。
* 2: The rate of change of the resistance value is the rate of change after lapse of 2000 hours, and was obtained from the following formula. (R [2000] −R [0] / R [0]) × 100 (%) where R [2000] is the resistance value in air after 2000 hours (R
air), R [0] is the resistance value (Rai
r).

【0039】表1の結果から明らかなように、各実施例
によるガスセンサは、各種ガスに対する感度が良好で、
しかも高湿雰囲気中における空気中での抵抗値(Rair)
および一酸化炭素 200ppm 存在下での抵抗値(Rco)共
に安定であった。
As is clear from the results shown in Table 1, the gas sensors according to the embodiments have good sensitivity to various gases.
Moreover, the resistance value in air in a high humidity atmosphere (Rair)
And the resistance value (Rco) in the presence of 200 ppm of carbon monoxide was stable.

【0040】また、図4から明らかなように、従来のガ
スセンサ(比較例)は時間の経過に従って抵抗値が大き
く変動しており、徐々に抵抗値が上昇するのに対し、実
施例によるガスセンサは時間の経過に伴う抵抗値の変動
が非常に少なく、安定性が高いことがわかる。さらに、
図5からは、高湿雰囲気において一旦上昇した抵抗値
が、低湿雰囲気に戻すと減少する傾向が認められる。
As is apparent from FIG. 4, the resistance value of the conventional gas sensor (comparative example) fluctuates greatly with the passage of time, and the resistance value gradually increases. It can be seen that the change in the resistance value with the passage of time is very small and the stability is high. further,
FIG. 5 shows that the resistance value once increased in the high-humidity atmosphere tends to decrease when returned to the low-humidity atmosphere.

【0041】このように、実施例によるガスセンサで
は、従来のものより経時的な性能劣化を抑制することが
でき、COに高感度で、かつ高湿雰囲気中での劣化を低減
させることができた。
As described above, in the gas sensor according to the embodiment, the performance deterioration over time can be suppressed as compared with the conventional gas sensor, the CO sensitivity is high, and the deterioration in a high humidity atmosphere can be reduced. .

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
銅、タングステンおよびリンの 3種類の金属元素をアル
ミナに担持させた触媒層を設けることによって、一酸化
炭素に対する感度が高く、かつ高湿雰囲気中でも経時劣
化が少ない、長期間にわたって高信頼性が得られるガス
センサを提供することが可能となる。
As described above, according to the present invention,
By providing a catalyst layer in which three metal elements of copper, tungsten and phosphorus are supported on alumina, high sensitivity to carbon monoxide, little deterioration over time even in a high-humidity atmosphere, and high reliability over a long period of time can be obtained. It is possible to provide a gas sensor that can be used.

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

【図1】本発明の一実施例のガスセンサの構成を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a gas sensor according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明のガスセンサの製造工程を示すフローチ
ャートである。
FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of the gas sensor of the present invention.

【図3】図2における触媒層形成工程を詳細に示すフロ
ーチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing a catalyst layer forming step in FIG. 2 in detail.

【図4】本発明の実施例および比較例によるガスセンサ
の高湿雰囲気中での抵抗値変化を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a change in resistance value of a gas sensor according to an example of the present invention and a comparative example in a high humidity atmosphere.

【図5】本発明の一実施例によるガスセンサの高湿雰囲
気中で通電した後に常温・常温湿中に戻して通電した際
の抵抗値変化を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a change in resistance value when a gas sensor according to an embodiment of the present invention is energized in a high-humidity atmosphere, then returned to normal temperature and normal temperature and humidity, and energized.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1………絶縁基板 2………ヒーター 3、4…対向電極 5………ガス感応膜 6………触媒層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating substrate 2 ... Heater 3, 4 ... Counter electrode 5 ... Gas sensitive film 6 ... Catalyst layer

フロントページの続き (72)発明者 白鳥 昌之 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−43550(JP,A) 特開 昭56−43548(JP,A) 特開 昭62−204148(JP,A) 特開 昭60−149957(JP,A) 特開 昭63−83652(JP,A) 特開 昭57−57251(JP,A) 特開 昭60−7352(JP,A) 特開 昭54−145192(JP,A) 特開 昭54−145193(JP,A) 特開 昭54−145194(JP,A) 特開 昭62−126341(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/12 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)Continuation of the front page (72) Inventor Masayuki Shiratori 1 Toshiba-cho, Komukai, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (56) References JP-A-56-43550 (JP, A) JP-A-56- 43548 (JP, A) JP-A-62-204148 (JP, A) JP-A-60-149957 (JP, A) JP-A-63-83652 (JP, A) JP-A-57-57251 (JP, A) JP-A-60-7352 (JP, A) JP-A-54-145192 (JP, A) JP-A-54-145193 (JP, A) JP-A-54-145194 (JP, A) JP-A-62-126341 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/12 JICST file (JOIS) WPI (DIALOG)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 絶縁性基板と、この絶縁性基板上に対向
して形成された一対の電極と、これら一対の電極に跨っ
て形成された金属酸化物半導体からなるガス感応膜と、
このガス感応膜を覆うように形成された触媒層とを具備
するガスセンサにおいて、前記触媒層は、アルミナを担
体とし、この担体に銅、タングステンおよびリンもしく
はその酸化物を担持させた触媒により構成されているこ
とを特徴とするガスセンサ。
An insulating substrate; a pair of electrodes formed on the insulating substrate so as to face each other; a gas-sensitive film formed of a metal oxide semiconductor formed over the pair of electrodes;
In a gas sensor comprising a catalyst layer formed so as to cover the gas-sensitive film, the catalyst layer is constituted by a catalyst having alumina as a carrier and copper, tungsten and phosphorus or an oxide thereof supported on the carrier. A gas sensor, comprising:
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