JP4916357B2 - Semiconductor gas detector - Google Patents

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Description

本発明は、ガス感応部を備える半導体式ガス検知素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor type gas detection element including a gas sensitive part.

一般に、半導体式ガス検知素子は、金属酸化物半導体を主成分とするガス感応部を備えており、検知対象となるガス(以下、「被検知ガス」と称する)がガス感応部に接触すると、被検知ガスは金属酸化物半導体と反応し、電子の授受が行われる。この電子の授受によって金属酸化物半導体の抵抗値は変化するため、半導体式ガス検知素子を備えるガスセンサは、金属酸化物半導体の抵抗値の変化をセンサ出力として取り出すことによって被検知ガスを検知することができる。   In general, a semiconductor type gas detection element includes a gas sensitive part mainly composed of a metal oxide semiconductor, and when a gas to be detected (hereinafter referred to as “detected gas”) contacts the gas sensitive part, The gas to be detected reacts with the metal oxide semiconductor, and exchange of electrons is performed. Since the resistance value of the metal oxide semiconductor changes due to the exchange of electrons, a gas sensor equipped with a semiconductor gas detection element detects the gas to be detected by taking out the change in the resistance value of the metal oxide semiconductor as a sensor output. Can do.

半導体式ガス検知素子を備えるガスセンサは、耐久性が高く、家庭用ガス漏れ警報器等に用いられている。近年では、住宅の高気密化が進み、日常の生活から発生する有機性のガスも多様化し、増加しているため、被検知ガスとは異なるガス(以下、「干渉ガス」と称する)を検知し、警報を発する場合がある。このような誤報を防止する技術としては、半導体式ガス検知素子のガス感応部の表面に干渉ガスを除去する触媒層を設け、被検知ガスに対する選択性を高めることが知られている(例えば、特許文献1参照)。触媒層としては、例えば、金属酸化物に担持した貴金属触媒等を用いるものがあり、この種の半導体式ガス検知素子では、水素、エタノール等、比較的反応性が高い干渉ガスを触媒層で燃焼除去することができる(例えば、特許文献2参照)。   A gas sensor including a semiconductor gas detection element has high durability and is used for a home gas leak alarm. In recent years, housing has become more airtight and organic gas generated from daily life has diversified and increased. Therefore, gas that is different from the gas to be detected (hereinafter referred to as "interference gas") is detected. And may give an alarm. As a technique for preventing such a false alarm, it is known to provide a catalyst layer for removing the interference gas on the surface of the gas sensitive part of the semiconductor type gas detection element to increase the selectivity to the gas to be detected (for example, Patent Document 1). As the catalyst layer, for example, there is one using a noble metal catalyst supported on a metal oxide, and in this type of semiconductor gas detection element, a relatively reactive interference gas such as hydrogen or ethanol is burned in the catalyst layer. It can be removed (see, for example, Patent Document 2).

特開昭49−129596号公報JP-A 49-129596 特開2002−139469号公報JP 2002-139469 A

しかし、触媒層に貴金属触媒を用いた半導体式ガス検知素子では、ガスセンサの動作温度で長期間使用すると、貴金属微粒子が凝集し、貴金属触媒の酸化活性が低下して、干渉ガスを燃焼除去できなくなるという問題があった。この場合、時間の経過と共に、干渉ガスが触媒層を通過してガス感応部に到達し易くなり、被検知ガスに対する選択性が低下するため、このような半導体式ガス検知素子を用いた警報器等では誤報を招く虞があった。   However, in a semiconductor type gas detection element using a noble metal catalyst in the catalyst layer, when used for a long time at the operating temperature of the gas sensor, the noble metal fine particles aggregate, the oxidation activity of the noble metal catalyst is reduced, and the interference gas cannot be burned and removed. There was a problem. In this case, as the time passes, the interference gas easily passes through the catalyst layer and reaches the gas sensitive part, and the selectivity to the gas to be detected is lowered. Therefore, an alarm device using such a semiconductor gas detection element Etc., there was a risk of misreporting.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長期間に亘ってガス選択性を有する半導体式ガス検知素子を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the semiconductor type gas detection element which has gas selectivity over a long period of time.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体式ガス検知素子の第1特徴構成は、ガス感応部と、当該ガス感応部を被覆する触媒層とを備える半導体式ガス検知素子であって、
前記触媒層は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属酸化物を含む金属酸化物半導体に、セリウム、スズ、アルミニウム、ランタン、ニオブ、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ネオジム、ガドリニウム、バナジウム、シリコン、マグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を固溶させた金属複合酸化物を含有する点にある。
In order to achieve the above object, the first characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention is a semiconductor gas detection element comprising a gas sensitive part and a catalyst layer covering the gas sensitive part,
The catalyst layer includes a metal oxide semiconductor containing at least one metal oxide selected from the group consisting of tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, and cerium oxide, cerium, tin, aluminum, The metal composite oxide contains at least one metal element selected from the group consisting of lanthanum, niobium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, neodymium, gadolinium, vanadium, silicon, and magnesium.

酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化セリウムは、酸化活性が高い。本構成では、これらの金属酸化物を含む金属酸化物半導体に、セリウム、スズ、アルミニウム、ランタン、ニオブ、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ネオジム、ガドリニウム、バナジウム、シリコン、マグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を固溶させた金属複合酸化物(固溶体)を、半導体式ガス検知素子の触媒層として用いる。   Tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, and cerium oxide have high oxidation activity. In this configuration, the metal oxide semiconductor containing these metal oxides is selected from the group consisting of cerium, tin, aluminum, lanthanum, niobium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, neodymium, gadolinium, vanadium, silicon, and magnesium. A metal composite oxide (solid solution) in which at least one metal element is solid-dissolved is used as a catalyst layer of a semiconductor gas detection element.

すなわち、本発明者らは、金属酸化物半導体に金属元素を固溶させることによって結晶子サイズが小さくなることに着目し、触媒層として酸化活性を有する金属酸化物半導体に金属元素を固溶させた金属複合酸化物を用いることにより、金属酸化物半導体の酸化活性を有しつつ、高温下での結晶子の成長を抑制することができ、触媒層の経時的な劣化を防止することができることを見出した。
したがって、本構成に係る半導体式ガス検知素子では、触媒層の酸化活性が変化し難いため、長期に亘ってガス選択性を維持することができる。
That is, the present inventors pay attention to the fact that the crystallite size is reduced by dissolving the metal element in the metal oxide semiconductor, and the metal element is dissolved in the metal oxide semiconductor having oxidation activity as the catalyst layer. By using the metal composite oxide, it is possible to suppress the growth of crystallites under high temperature while preventing the oxidation of the metal oxide semiconductor, and to prevent deterioration of the catalyst layer over time. I found.
Therefore, in the semiconductor gas detection element according to the present configuration, the oxidation activity of the catalyst layer is unlikely to change, so that gas selectivity can be maintained over a long period of time.

本発明に係る半導体式ガス検知素子の第2特徴構成は、前記金属複合酸化物が、前記金属酸化物半導体に対し、前記金属元素を0.01〜10mol%固溶させてある点にある。   The second characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention is that the metal complex oxide is formed by dissolving 0.01 to 10 mol% of the metal element in the metal oxide semiconductor.

本構成のように、金属酸化物半導体に対して金属元素を0.01〜10mol%固溶させた金属複合酸化物であれば、結晶子サイズがより小さくなり、比表面積が大きくなると共に、高温下においても結晶子の成長を抑制することができるため、酸化活性が低下し難くなる。   If this is a metal composite oxide in which a metal element is solid-dissolved in an amount of 0.01 to 10 mol% with respect to the metal oxide semiconductor, the crystallite size becomes smaller, the specific surface area becomes larger, and the high temperature Even underneath, the growth of crystallites can be suppressed, so that the oxidation activity is hardly lowered.

本発明に係る半導体式ガス検知素子の第3特徴構成は、前記金属酸化物半導体はn型半導体であり、前記金属元素は前記金属酸化物の金属元素より価数が小さい金属イオンとなるものを含む点にある。   According to a third characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention, the metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor, and the metal element is a metal ion having a lower valence than the metal element of the metal oxide. It is in point to include.

触媒層に電流が流れるとガス感応材料として機能し、センサ出力に影響を与える場合がある。
本構成では、金属酸化物半導体がn型半導体である場合に、少なくとも金属酸化物の金属元素より価数が小さい金属イオンとなる金属元素を固溶させて原子価制御することにより、酸化活性を長期に亘って維持しつつ、金属複合酸化物の抵抗値を上げることができる。これにより、触媒層に電流が流れ難くなるため、触媒層がガス感応材料として機能することを防止し、長期に亘って安定なセンサ出力を維持することができる。
When a current flows through the catalyst layer, it functions as a gas sensitive material and may affect the sensor output.
In this configuration, when the metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor, the oxidation activity is controlled by solid-dissolving at least a metal element that becomes a metal ion having a valence smaller than that of the metal element of the metal oxide. The resistance value of the metal composite oxide can be increased while maintaining for a long time. Thereby, since it becomes difficult to flow an electric current through a catalyst layer, it can prevent that a catalyst layer functions as a gas sensitive material, and can maintain a stable sensor output over a long period of time.

本発明に係る半導体式ガス検知素子の第4特徴構成は、前記金属酸化物半導体はp型半導体であり、前記金属元素は前記金属酸化物の金属元素より価数が大きい金属イオンとなるものを含む点にある。   According to a fourth characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention, the metal oxide semiconductor is a p-type semiconductor, and the metal element is a metal ion having a higher valence than the metal element of the metal oxide. It is in point to include.

本構成のように、金属酸化物半導体がp型半導体である場合には、少なくとも金属酸化物の金属元素より価数が大きい金属イオンとなる金属元素を固溶させて原子価制御することにより、酸化活性を長期に亘って維持しつつ、金属複合酸化物の抵抗値を上げることができる。これにより、触媒層に電流が流れ難くなるため、触媒層がガス感応材料として機能することを防止し、長期に亘って安定なセンサ出力を維持することができる。   When the metal oxide semiconductor is a p-type semiconductor as in this configuration, at least by controlling the valence by dissolving a metal element that becomes a metal ion having a valence larger than the metal element of the metal oxide, The resistance value of the metal composite oxide can be increased while maintaining the oxidation activity for a long period of time. Thereby, since it becomes difficult to flow an electric current through a catalyst layer, it can prevent that a catalyst layer functions as a gas sensitive material, and can maintain a stable sensor output over a long period of time.

本発明に係る半導体式ガス検知素子の第5特徴構成は、前記第3特徴構成において、前記金属酸化物半導体は酸化スズからなり、前記金属元素はセリウム及びアルミニウムである点にある。   A fifth characteristic configuration of the semiconductor gas detection element according to the present invention is that, in the third characteristic configuration, the metal oxide semiconductor is made of tin oxide, and the metal elements are cerium and aluminum.

本構成のように、酸化活性を有する酸化スズからなる金属酸化物半導体にセリウム及びアルミニウムを固溶させると、酸化活性を長期に亘って維持しつつ、金属複合酸化物の抵抗値を上げることができる。   As in this configuration, when cerium and aluminum are dissolved in a metal oxide semiconductor made of tin oxide having oxidation activity, the resistance value of the metal composite oxide can be increased while maintaining the oxidation activity over a long period of time. it can.

以下、本発明に係る半導体式ガス検知素子を用いたガスセンサの一実施形態について、図面を参照して説明する。ここでは、半導体式ガス検知素子として熱線型半導体式ガス検知素子を例示するが、これに限られるものではない。その他の半導体式ガス検知素子として、基板型半導体式ガス検知素子等が挙げられる。   Hereinafter, an embodiment of a gas sensor using a semiconductor gas detection element according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, although a hot wire type semiconductor gas detection element is illustrated as a semiconductor type gas detection element, it is not restricted to this. Other semiconductor gas detection elements include substrate type semiconductor gas detection elements.

本実施形態に係るガスセンサは、図2に示すように、熱線型半導体式ガス検知素子Rs、及び固定抵抗R0,R1,R2をブリッジ回路に組み込んで構成してある。ブリッジ回路は電源Eによって常時または間欠的に通電してあり、熱線型半導体式ガス検知素子Rsが検知の際に適した温度となるようにしてある。また、熱線型半導体式ガス検知素子Rsは被検知ガスが吸着すると抵抗値が変化する。このため、本実施形態に係るガスセンサでは、熱線型半導体式ガス検知素子Rsの抵抗値の変化を偏差電圧をとして取り出し、これをセンサ出力Vとすることで空気中の被検知ガスの濃度を測定することができる。   As shown in FIG. 2, the gas sensor according to the present embodiment is configured by incorporating a hot-wire semiconductor gas detection element Rs and fixed resistors R0, R1, and R2 into a bridge circuit. The bridge circuit is energized constantly or intermittently by a power source E so that the hot-wire semiconductor gas detection element Rs has a temperature suitable for detection. The resistance value of the hot-wire semiconductor gas detection element Rs changes when the gas to be detected is adsorbed. For this reason, in the gas sensor according to the present embodiment, the change in the resistance value of the hot-wire semiconductor gas detection element Rs is extracted as a deviation voltage, and this is used as the sensor output V to measure the concentration of the gas to be detected in the air. can do.

本実施形態の熱線型半導体式ガス検知素子Rsは、図1に示すように、コイル状の貴金属線1にガス感応部2と、当該ガス感応部2を被覆する触媒層3とが設けてある。貴金属線1は、材質、線径、コイル径、コイル巻数等は、従来の熱線型半導体式ガス検知素子に使用するものと同様で、特に限定されないが、本実施形態においては、線径20μmの白金線を用い、コイル径200μm、コイル巻数12ターンにしてある。   As shown in FIG. 1, the hot-wire semiconductor gas detection element Rs of the present embodiment is provided with a gas-sensitive part 2 and a catalyst layer 3 that covers the gas-sensitive part 2 on a coiled noble metal wire 1. . The noble metal wire 1 has the same material, wire diameter, coil diameter, number of coil turns, and the like as those used in a conventional hot-wire semiconductor gas detection element, and is not particularly limited. In this embodiment, the wire diameter is 20 μm. A platinum wire is used, the coil diameter is 200 μm, and the number of coil turns is 12 turns.

ガス感応部2は、例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化タングステン等の金属酸化物を含む金属酸化物半導体を用いることができ、被検知ガスの種類によって任意に選択可能である。本実施形態では、メタン、イソブタン等の炭化水素を被検知ガスとしており、酸化スズにアンチモンを0.1mol%添加した金属酸化物半導体(Sb−SnO2)を用い、膜厚を0.24mmにしてある。 The gas sensitive part 2 can use, for example, a metal oxide semiconductor containing a metal oxide such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, tungsten oxide, etc., and can be arbitrarily selected depending on the type of gas to be detected. In this embodiment, hydrocarbons such as methane and isobutane are used as the gas to be detected, a metal oxide semiconductor (Sb—SnO 2 ) in which 0.1 mol% of antimony is added to tin oxide is used, and the film thickness is 0.24 mm. It is.

触媒層3は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属酸化物を含む金属酸化物半導体に、セリウム、スズ、アルミニウム、ランタン、ニオブ、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ネオジム、ガドリニウム、バナジウム、シリコン、マグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を固溶させた金属複合酸化物で形成してある。金属酸化物半導体に金属元素を固溶させることによって結晶子サイズが小さくなる。このため、触媒層3として酸化活性を有する金属酸化物半導体に金属元素を固溶させた金属複合酸化物を用いることにより、金属酸化物半導体の酸化活性を有しつつ、高温下での結晶子の成長を抑制することができ、触媒層3の経時的な劣化を防止することができる。したがって、本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子では、触媒層3において長期に亘って干渉ガスを燃焼除去できるため、ガス選択性を維持することができる。   The catalyst layer 3 is made of a metal oxide semiconductor containing at least one metal oxide selected from the group consisting of tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, and cerium oxide, cerium, tin, aluminum, It is formed of a metal composite oxide in which at least one metal element selected from the group consisting of lanthanum, niobium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, neodymium, gadolinium, vanadium, silicon, and magnesium is dissolved. The crystallite size is reduced by dissolving the metal element in the metal oxide semiconductor. Therefore, by using a metal composite oxide in which a metal element is dissolved in a metal oxide semiconductor having oxidation activity as the catalyst layer 3, the crystallites at high temperature while having oxidation activity of the metal oxide semiconductor. The growth of the catalyst layer 3 can be prevented and the deterioration of the catalyst layer 3 over time can be prevented. Therefore, in the hot wire type semiconductor gas sensing element according to the present embodiment, the interference gas can be burned and removed in the catalyst layer 3 over a long period of time, so that the gas selectivity can be maintained.

金属酸化物半導体は干渉ガスに対して酸化活性を有するものを任意に選択することができる。金属酸化物に固溶する金属元素は、上記の通りであり、金属酸化物の金属原子と置換固溶できるもの、金属酸化物に侵入型固溶できるもののいずれも用いることができる。金属酸化物に固溶させる金属元素の固溶量は、特に限定されず、固溶限界量まで可能であるが、後述する実施例(図6)に示すように、結晶子サイズに影響を与える0.01mol%〜10mol%が好ましく、その影響が大きくなる1mol%〜10mol%がより好ましい。また、3mol%以上では結晶子サイズがほとんど変化しなくなるため、3mol%〜10mol%がさらに好ましい。   As the metal oxide semiconductor, one having an oxidation activity with respect to an interference gas can be arbitrarily selected. The metal element that is solid-solved in the metal oxide is as described above, and any of those that can be substituted with the metal atom of the metal oxide and those that can be intruded into the metal oxide can be used. The solid solution amount of the metal element to be dissolved in the metal oxide is not particularly limited and can be up to the solid solution limit amount. However, as shown in an example described later (FIG. 6), the crystallite size is affected. 0.01 mol% to 10 mol% is preferable, and 1 mol% to 10 mol%, from which the influence increases, is more preferable. Further, since the crystallite size hardly changes at 3 mol% or more, 3 mol% to 10 mol% is more preferable.

触媒層3に電流が流れるとガス感応材料として機能してセンサ出力に影響を与える場合がある。このため、金属酸化物半導体を原子価制御することにより触媒層3の抵抗値を上げることが好ましい。これにより、触媒層3に電流が流れ難くなるため、触媒層3で起こる反応がセンサ出力に影響を及ぼすことを防止でき、長期に亘って安定なセンサ出力を維持することができる。   When an electric current flows through the catalyst layer 3, it may function as a gas sensitive material and affect the sensor output. For this reason, it is preferable to raise the resistance value of the catalyst layer 3 by controlling the valence of the metal oxide semiconductor. Thereby, since it becomes difficult to flow an electric current through the catalyst layer 3, it can prevent that the reaction which occurs in the catalyst layer 3 influences a sensor output, and can maintain a stable sensor output over a long period of time.

原子価制御は、金属酸化物半導体がn型半導体である場合には、金属酸化物半導体の金属酸化物の金属元素より価数が小さい金属イオンとなる金属元素を固溶させることによって行うことができ、金属酸化物半導体がp型半導体である場合には、金属酸化物半導体の金属酸化物の金属元素より価数が大きい金属イオンとなる金属元素を固溶させることによって行うことができる。   When the metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor, the valence control can be performed by dissolving a metal element that becomes a metal ion having a valence smaller than that of the metal oxide of the metal oxide semiconductor. In the case where the metal oxide semiconductor is a p-type semiconductor, it can be performed by dissolving a metal element that becomes a metal ion having a higher valence than the metal element of the metal oxide of the metal oxide semiconductor.

したがって、少なくとも金属酸化物半導体の抵抗値を低下させないためには、固溶させる金属元素として、金属酸化物半導体がn型半導体である場合には、金属酸化物半導体を構成する金属酸化物の金属元素の価数以下の金属イオンとなるものを用いることが好ましく、金属酸化物半導体がp型半導体である場合には、金属酸化物半導体を構成する金属酸化物の金属元素の価数以上の金属イオンとなるものを用いることが好ましい。   Therefore, in order not to lower at least the resistance value of the metal oxide semiconductor, when the metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor as the metal element to be dissolved, the metal of the metal oxide constituting the metal oxide semiconductor It is preferable to use a metal ion that is less than the valence of the element. When the metal oxide semiconductor is a p-type semiconductor, a metal that is greater than the valence of the metal element of the metal oxide constituting the metal oxide semiconductor. It is preferable to use an ion.

酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化セリウムは、n型半導体として用いることができる。このため、これらの金属酸化物は、それ自体を金属酸化物半導体として用いることができる。また、金属酸化物半導体として、これらの金属酸化物に、当該金属酸化物の金属元素より価数が小さい金属イオンとなる金属元素を添加したものを用いることもできる。この場合にはp型半導体となる。   Tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, and cerium oxide can be used as an n-type semiconductor. Therefore, these metal oxides can themselves be used as metal oxide semiconductors. Alternatively, a metal oxide semiconductor obtained by adding a metal element which becomes a metal ion having a valence smaller than that of the metal oxide of the metal oxide to the metal oxide can be used. In this case, it becomes a p-type semiconductor.

本実施形態では、水素やエタノール等のアルコールを干渉ガスとし、後述する実施例(図3〜5)に示すように、これらの干渉ガスに対して酸化活性を有する酸化スズを金属酸化物半導体として用い、セリウムを3mol%固溶させ、さらに、酸化スズにおけるスズの価数(4)より小さい価数(3)の金属イオンとなり得るアルミニウムを1mol%固溶させたものを触媒層3に用いる。   In this embodiment, alcohol such as hydrogen or ethanol is used as an interference gas, and as shown in Examples (FIGS. 3 to 5) to be described later, tin oxide having oxidation activity with respect to these interference gases is used as a metal oxide semiconductor. The catalyst layer 3 is prepared by dissolving 3 mol% of cerium and further dissolving 1 mol% of aluminum which can be a metal ion having a valence (3) smaller than the valence (4) of tin in tin oxide.

このような触媒層3は、共沈法や混練法等によって形成させることができる。本実施形態の触媒層3では、塩化スズ(SnCl4)と硝酸アンモニウムセリウム(Ce(NH4)2(NO3)6)と塩化アルミニウム(AlCl3)との混合水溶液を調製し、この混合水溶液にアンモニア(NH3)水溶液を滴下する(共沈法)。これにより得られた沈殿物を水洗、乾燥、粉砕した後、700〜800℃で焼成することによって、酸化スズにセリウムとアルミニウムが固溶した金属複合酸化物(AlxCeySnOz)を作製することができる。 Such a catalyst layer 3 can be formed by a coprecipitation method or a kneading method. In the catalyst layer 3 of the present embodiment, a mixed aqueous solution of tin chloride (SnCl 4 ), ammonium cerium nitrate (Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 ), and aluminum chloride (AlCl 3 ) is prepared. An aqueous ammonia (NH 3 ) solution is added dropwise (coprecipitation method). Washed with water thereby resulting precipitate dried was ground, produced by firing at 700 to 800 ° C., the metal composite oxides of cerium and aluminum are dissolved in the tin oxide (Al x Ce y SnO z) can do.

また、金属複合酸化物(AlxCeySnOz)は、塩化スズ(SnCl4)と塩化アルミニウム(AlCl3)との混合水溶液にアンモニア(NH3)水溶液を滴下した後の沈殿物を粉砕する際に、硝酸アンモニウムセリウム(Ce(NH4)2(NO3)6)の水溶液として混練し、焼成することによっても作製することができる(混練法)。 The metal composite oxide (Al x Ce y SnO z), the crushed precipitate was added dropwise to ammonia (NH 3) solution to mixed aqueous solution of tin chloride (SnCl 4) and aluminum chloride (AlCl 3) In this case, it can also be produced by kneading as an aqueous solution of cerium ammonium nitrate (Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 ) and firing (kneading method).

このように作製した金属複合酸化物(AlxCeySnOz)は、ペースト状にしてガス感応部2を被覆するように付着させ、貴金属線1の自己加熱等によって焼成し、触媒層3を形成させる。本実施形態においては、触媒層3の膜厚は0.1mmとなるようにしてある。 The metal composite oxide (Al x Ce y SnO z ) produced in this way is attached in a paste form so as to cover the gas sensitive part 2 and fired by self-heating of the noble metal wire 1 to form the catalyst layer 3. Let it form. In the present embodiment, the thickness of the catalyst layer 3 is set to 0.1 mm.

尚、熱線型半導体式ガス検知素子Rsを備えたガスセンサのその他の構成、機能等については、従来公知のガスセンサと同様である。   In addition, about the other structure of a gas sensor provided with the hot wire type | mold semiconductor type gas detection element Rs, a function, etc., it is the same as that of a conventionally well-known gas sensor.

(センサ出力の経時変化の測定方法)
図1に示すような本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsを、図2に示すブリッジ回路に組み込んで用い、2.0Vの電圧を印加し、動作温度を約450℃にして、空気、メタン(2000ppm)、イソブタン(2000ppm)、水素(5000ppm)、エタノール(1000ppm)に対するセンサ出力の経時変化を調べた。
(Measurement method of sensor output over time)
The hot-wire semiconductor gas detection element Rs according to the present embodiment as shown in FIG. 1 is used by being incorporated in the bridge circuit shown in FIG. 2, a voltage of 2.0 V is applied, and the operating temperature is about 450 ° C. Changes in sensor output over time with respect to air, methane (2000 ppm), isobutane (2000 ppm), hydrogen (5000 ppm), and ethanol (1000 ppm) were examined.

(金属酸化物のセンサ特性)
本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsにおいて、触媒層3を設けない場合、触媒層3に粒径約30nmのアルミナ(Al23)を用いた場合、触媒層3に粒径約49.5nmの酸化スズ(SnO2)を用いた場合について、上記のガスに対するセンサ出力の経時変化を調べた。その結果、触媒層3を設けない場合(図3)では、水素及びエタノールのセンサ出力が日数の経過に伴い上昇したのに対し、触媒層3にAl23を用いた場合(図4)では、センサ出力の経時的な変化はほとんど無かったものの、メタンやイソブタンと水素との選択性が無く、ガスに対して酸化活性を有しないことが分かった。また、触媒層3にSnO2を用いた場合(図5)では、水素及びエタノールのセンサ出力は初期の変化は小さいが、日数の経過に伴い上昇することが分かった。すなわち、SnO2は、水素及びエタノールに対して酸化活性を有するものの、経時的に酸化活性が低下することが分かった。
したがって、以下ではSnO2を用い、その酸化活性について検討を行った。
(Sensor characteristics of metal oxide)
In the hot-wire semiconductor gas detection element Rs according to the present embodiment, when the catalyst layer 3 is not provided, when the catalyst layer 3 is made of alumina (Al 2 O 3 ) having a particle size of about 30 nm, the particle size is applied to the catalyst layer 3. With respect to the case where tin oxide (SnO 2 ) of about 49.5 nm was used, the change over time of the sensor output with respect to the above gas was examined. As a result, when the catalyst layer 3 is not provided (FIG. 3), the sensor output of hydrogen and ethanol increased with the passage of days, whereas when Al 2 O 3 was used for the catalyst layer 3 (FIG. 4). However, although there was almost no change in the sensor output with time, it was found that there was no selectivity between methane, isobutane and hydrogen, and there was no oxidation activity for the gas. Further, in the case of using SnO 2 in the catalyst layer 3 (FIG. 5), but the sensor output of the hydrogen and ethanol early changes are small, was found to increase with the passage of days. That is, it was found that SnO 2 has oxidation activity against hydrogen and ethanol, but the oxidation activity decreases with time.
Therefore, in the following using a SnO 2, were examined their oxidation activity.

(セリウムの固溶量)
酸化スズに、上記の共沈法により、異なる量のセリウム(Ce)をドープした場合の格子定数(a軸)と結晶子サイズの変化をリートベルト法により調べた。その結果、図6に示すように、Ceのドープ量が少なくとも10mol%までは格子定数(a軸)が大きくなっており、CeはSnO2に固溶していることが分かった。また、結晶子サイズはCeを少なくとも0.01mol%ドープすると結晶子サイズに変化があり、1mol%ドープすると急激に小さくなった。3mol%でさらに小さくなったが、それ以上はほとんど変化しないことが分かった。
したがって、CeのSnO2への固溶量は、0.01mol%〜10mol%が好ましく、1mol%〜10mol%がより好ましく、3mol%〜10mol%がさらに好ましい。
(Solubility of cerium)
Changes in lattice constant (a-axis) and crystallite size when tin oxide was doped with different amounts of cerium (Ce) by the coprecipitation method were examined by Rietveld method. As a result, as shown in FIG. 6, it was found that the lattice constant (a-axis) was large until the Ce doping amount was at least 10 mol%, and that Ce was dissolved in SnO 2 . The crystallite size changed when Ce was doped with at least 0.01 mol%, and rapidly decreased when doped with 1 mol%. Although it became smaller at 3 mol%, it turned out that it changes little more than that.
Therefore, the solid solution amount of Ce in SnO 2 is preferably 0.01 mol% to 10 mol%, more preferably 1 mol% to 10 mol%, and even more preferably 3 mol% to 10 mol%.

(固溶体のセンサ特性)
本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsにおいて、触媒層3としてSnO2に上記の共沈法によってCeを3mol%固溶させ、700℃で焼成したものを用いた場合の上記のガスに対するセンサ出力の経時変化を調べた。その結果、図7に示すように、水素及びエタノールのセンサ出力は経時的な変化が小さく、酸化活性が低下し難いことが分かった。
したがって、SnO2にCeを固溶した金属複合酸化物を触媒層3に用いることにより、半導体式ガス検知素子は長期に亘ってガス選択性を維持できることが分かった。
(Sensor characteristics of solid solution)
In the hot-wire semiconductor gas detection element Rs according to the present embodiment, the above gas in the case of using 3 mol% of Ce dissolved in SnO 2 as the catalyst layer 3 by the above coprecipitation method and firing at 700 ° C. The change of sensor output with respect to time was investigated. As a result, as shown in FIG. 7, it was found that the sensor outputs of hydrogen and ethanol have little change over time and the oxidation activity is difficult to decrease.
Therefore, it was found that the semiconductor gas detection element can maintain gas selectivity over a long period of time by using, as the catalyst layer 3, a metal composite oxide in which Ce is dissolved in SnO 2 .

(製法)
本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsにおいて、触媒層3としてSnO2に上記の混練法によってCeを3mol%固溶させ、700℃で焼成したものを用いた場合の上記のガスに対するセンサ出力の経時変化を調べた。その結果、図8に示すように、水素及びエタノールのセンサ出力が日数の経過に伴い上昇し、共沈法(図7)に比べて経時的な酸化活性の低下が大きいことが分かった。これは混練法ではCeの固溶が不十分であったためと考えられる。
(Manufacturing method)
In the hot-wire semiconductor gas sensing element Rs according to the present embodiment, the catalyst layer 3 is prepared by dissolving 3 mol% of Ce in SnO 2 by the above kneading method and firing at 700 ° C. The change in sensor output over time was examined. As a result, as shown in FIG. 8, the sensor outputs of hydrogen and ethanol increased with the passage of days, and it was found that the decrease in oxidation activity over time was larger than that in the coprecipitation method (FIG. 7). This is presumably because Ce was not sufficiently dissolved in the kneading method.

(焼成温度)
本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsにおいて、触媒層3としてSnO2に上記の共沈法によってCeを3mol%固溶させ、800℃で焼成したもの((3mol%)Ce−SnO2)を用いた場合の上記のガスに対するセンサ出力の経時変化を調べた。その結果、図9に示すように、センサ出力の変化がほとんどなく、700℃で焼成したもの(図7)に比べて触媒層3の酸化活性の経時的な変化を小さく維持できることが分かった。
したがって、800℃で焼成した固溶体を用いることにより、半導体式ガス検知素子は、長期の安定性が向上することが分かった。
(Baking temperature)
In the hot-wire semiconductor gas sensing element Rs according to the present embodiment, 3 mol% of Ce was dissolved in SnO 2 as the catalyst layer 3 by the above-described coprecipitation method and fired at 800 ° C. ((3 mol%) Ce—SnO 2 ) The change over time of the sensor output for the above gas was investigated. As a result, as shown in FIG. 9, it was found that there was almost no change in the sensor output, and the change over time in the oxidation activity of the catalyst layer 3 could be kept small as compared with that calcined at 700 ° C. (FIG. 7).
Therefore, it was found that long-term stability of the semiconductor gas detection element is improved by using a solid solution fired at 800 ° C.

(アルミニウムの固溶量)
(3mol%)Ce−SnO2に、さらに、上記の共沈法により異なる量のアルミニウム(Al)をドープした場合の格子定数(a軸)と結晶子サイズの変化をリートベルト法により調べた。その結果、図10に示すように、Alのドープ量が少なくとも10mol%までは格子定数(a軸)が小さくなっており、Alが固溶していることが分かった。また、結晶子サイズはAlのドープ量に対して変化が小さいことが分かった。
(Aluminum solid solution)
Changes in lattice constant (a-axis) and crystallite size when (3 mol%) Ce—SnO 2 was further doped with different amounts of aluminum (Al) by the coprecipitation method were examined by Rietveld method. As a result, as shown in FIG. 10, it was found that the lattice constant (a axis) was small until the Al doping amount was at least 10 mol%, and Al was dissolved. It was also found that the crystallite size was small in change with respect to the Al doping amount.

(抵抗値変化)
SnO2、(3mol%)Ce−SnO2、(3mol%)Ce−SnO2にAlを1mol%固溶させたもの((1mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2)、(3mol%)Ce−SnO2にAlを3mol%固溶させたもの((3mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2)、Sb−SnO2のそれぞれを櫛形電極の上に塗布し、抵抗値を測定した。その結果、図11に示すように、Alを固溶させたものは、SnO2及び(3mol%)Ce−SnO2に比べて抵抗値が高くなることが分かった。また、Alを1mol%固溶したものと3mol%固溶したものとでは、その抵抗値はほとんど変わらなかった。
したがって、図10,11の結果から、Alの固溶量は、1mol%〜10mol%が好ましく、1mol%〜3mol%がより好ましい。
(Resistance change)
SnO 2 , (3 mol%) Ce—SnO 2 , (3 mol%) Ce—SnO 2 in which 1 mol% of Al is dissolved ((1 mol%) Al— (3 mol%) Ce—SnO 2 ), (3 mol%) ) Ce-SnO 2 in which 3 mol% of Al was dissolved ((3 mol%) Al— (3 mol%) Ce—SnO 2 ) and Sb—SnO 2 were applied on the comb-shaped electrode, and the resistance value was It was measured. As a result, as shown in FIG. 11, it was found that the solid solution of Al has a higher resistance value than SnO 2 and (3 mol%) Ce—SnO 2 . Further, the resistance value hardly changed between 1 mol% of Al and 3 mol% of Al.
Therefore, from the results of FIGS. 10 and 11, the solid solution amount of Al is preferably 1 mol% to 10 mol%, and more preferably 1 mol% to 3 mol%.

(センサ出力の経時変化)
本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子Rsにおいて、触媒層3として、(1mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2を用いた場合と、(3mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2を用いた場合とについて、上記のガスに対するセンサ出力の経時変化を調べた。その結果、Alを1mol%固溶したものを用いた場合(図12)、Alを3mol%固溶したものを用いた場合(図13)のいずれも、Alを固溶させない場合(図9)に比べて、センサ出力に変化はなかった。
したがって、Alを固溶することで、(3mol%)Ce−SnO2の酸化活性に影響を与えないことが分かった。
(Change in sensor output over time)
In the hot-wire semiconductor gas sensing element Rs according to the present embodiment, (1 mol%) Al- (3 mol%) Ce-SnO 2 is used as the catalyst layer 3, and (3 mol%) Al- (3 mol%). With respect to the case of using Ce—SnO 2 , the change with time of the sensor output with respect to the gas was examined. As a result, in the case of using a solid solution of 1 mol% of Al (FIG. 12) and the case of using a solid solution of 3 mol% of Al (FIG. 13), the case where Al is not dissolved (FIG. 9). There was no change in sensor output.
Therefore, it was found that the solid solution of Al does not affect the oxidation activity of (3 mol%) Ce—SnO 2 .

(金属複合酸化物の特性)
SnO2、(3mol%)Ce−SnO2、(1mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2のそれぞれについて、粒径、結晶子サイズ、比表面積を調べた。粒径はX線小角散乱法(SAXS)及びTEM観察、結晶子サイズはリートベルト法、比表面積はBET法を用いて算出した。その結果、表1に示すように、SnO2にCe及びAlを固溶させることにより、粒径、結晶子サイズは小さくなり、比表面積は大きくなることが確認できた。
(Characteristics of metal composite oxide)
For each of SnO 2 , (3 mol%) Ce—SnO 2 , (1 mol%) Al— (3 mol%) Ce—SnO 2 , the particle size, crystallite size, and specific surface area were examined. The particle size was calculated using X-ray small angle scattering (SAXS) and TEM observation, the crystallite size was calculated using the Rietveld method, and the specific surface area was calculated using the BET method. As a result, as shown in Table 1, it was confirmed that by dissolving Ce and Al in SnO 2 , the particle size and crystallite size were reduced and the specific surface area was increased.

Figure 0004916357
Figure 0004916357

本発明に係る半導体式ガス検知素子は、長期に亘ってガス選択性を維持できるため、家庭用ガス漏れ警報器等、各種ガス警報器に適用することができる。   Since the semiconductor type gas detection element according to the present invention can maintain gas selectivity over a long period of time, it can be applied to various gas alarms such as a home gas leak alarm.

本実施形態に係る熱線型半導体式ガス検知素子の概略図Schematic of a hot-wire semiconductor gas detector according to this embodiment 本実施形態に係るガスセンサの構成図Configuration diagram of gas sensor according to this embodiment 触媒層を有しない熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフA graph showing the change over time of the sensor output of a hot-wire semiconductor gas detector without a catalyst layer Al23を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフGraph showing the time change of the sensor output of the hot wire type semiconductor type gas sensing element using Al 2 O 3 SnO2を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフThe graph which shows the time-dependent change of the sensor output of the hot wire type semiconductor gas detection element using SnO 2 Ceのドープ量に対する格子定数(a軸)及び結晶子サイズの変化を示すグラフGraph showing change in lattice constant (a axis) and crystallite size with respect to Ce doping amount (3mol%)Ce−SnO2(共沈法、700℃)を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフ (3mol%) Ce-SnO 2 ( coprecipitation, 700 ° C.) graph showing the time change of the sensor output of the hot wire type semiconductor type gas sensing element using (3mol%)Ce−SnO2(混練法、700℃)を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフ (3mol%) Ce-SnO 2 ( kneading method, 700 ° C.) graph showing the time change of the sensor output of the hot wire type semiconductor type gas sensing element using (3mol%)Ce−SnO2(800℃)を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフGraph showing the time change of the sensor output of the hot wire type semiconductor type gas sensing element using the (3mol%) Ce-SnO 2 (800 ℃) Alのドープ量に対する格子定数(a軸)及び結晶子サイズの変化を示すグラフGraph showing changes in lattice constant (a-axis) and crystallite size with respect to Al doping amount 金属複合酸化物の動作温度における抵抗値の変化を示すグラフGraph showing change in resistance value at operating temperature of metal composite oxide (1mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフ(1 mol%) Al- graph showing the time change of the sensor output hot wire type semiconductor type gas sensing element using the (3mol%) Ce-SnO 2 (3mol%)Al−(3mol%)Ce−SnO2を用いた熱線型半導体式ガス検知素子のセンサ出力の経時変化を示すグラフ(3 mol%) Al- graph showing the time change of the sensor output hot wire type semiconductor type gas sensing element using the (3mol%) Ce-SnO 2

符号の説明Explanation of symbols

Rs 熱線型半導体式ガス検知素子(半導体式ガス検知素子)
1 貴金属線
2 ガス感応部
3 触媒層
Rs Hot wire type semiconductor gas detector (semiconductor gas detector)
1 Precious metal wire 2 Gas sensitive part 3 Catalyst layer

Claims (5)

ガス感応部と、当該ガス感応部を被覆する触媒層とを備える半導体式ガス検知素子であって、
前記触媒層は、酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属酸化物を含む金属酸化物半導体に、セリウム、スズ、アルミニウム、ランタン、ニオブ、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ネオジム、ガドリニウム、バナジウム、シリコン、マグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を固溶させた金属複合酸化物を含有する半導体式ガス検知素子。
A semiconductor type gas detection element comprising a gas sensitive part and a catalyst layer covering the gas sensitive part,
The catalyst layer includes a metal oxide semiconductor containing at least one metal oxide selected from the group consisting of tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, and cerium oxide, cerium, tin, aluminum, Semiconductor gas detection containing a metal composite oxide in which at least one metal element selected from the group consisting of lanthanum, niobium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, neodymium, gadolinium, vanadium, silicon, and magnesium is dissolved. element.
前記金属複合酸化物は、前記金属酸化物半導体に対し、前記金属元素を0.01〜10mol%固溶させてある請求項1に記載の半導体式ガス検知素子。   2. The semiconductor type gas detection element according to claim 1, wherein the metal complex oxide is a solid solution of 0.01 to 10 mol% of the metal element with respect to the metal oxide semiconductor. 前記金属酸化物半導体はn型半導体であり、前記金属元素は前記金属酸化物の金属元素より価数が小さい金属イオンとなるものを含む請求項1または2に記載の半導体式ガス検知素子。   3. The semiconductor type gas detection element according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor, and the metal element includes a metal ion having a valence lower than that of the metal element of the metal oxide. 前記金属酸化物半導体はp型半導体であり、前記金属元素は前記金属酸化物の金属元素より価数が大きい金属イオンとなるものを含む請求項1または2に記載の半導体式ガス検知素子。   3. The semiconductor gas detection element according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor is a p-type semiconductor, and the metal element includes a metal ion having a higher valence than the metal element of the metal oxide. 前記金属酸化物半導体は酸化スズからなり、前記金属元素はセリウム及びアルミニウムである請求項3に記載の半導体式ガス検知素子。   The semiconductor-type gas detection element according to claim 3, wherein the metal oxide semiconductor is made of tin oxide, and the metal elements are cerium and aluminum.
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