JP5358061B2 - Improved hydrogen gas sensing semiconductor sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、請求項1のプリアンブルによる水素ガス感知半導体センサに関する。さらに、本発明は、ガスサンプルにおける水素ガス分子の存在を検出するために本発明による水素ガス感知半導体センサを用いることと同様に、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度を測定するために本発明による水素ガス感知半導体センサを用いることに関する。さらに、本発明は、本発明による水素ガス感知半導体センサを含むプローブ、および本発明による水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen gas sensing semiconductor sensor according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention is in accordance with the present invention for measuring the concentration of hydrogen gas molecules in a gas sample, as well as using a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention to detect the presence of hydrogen gas molecules in a gas sample. It relates to using a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor. Furthermore, the present invention relates to a probe including a hydrogen gas sensing semiconductor sensor according to the present invention and a hydrogen gas detection system including a hydrogen gas sensing semiconductor sensor according to the present invention.
ガスサンプルにおける特定のガス原子または分子の検出は、現在、たとえば質量分析計およびガスクロマトグラフのような複合技術システムから、たとえばガスの熱伝導率を測定するセンサのような小さくて比較的簡単なセンサに及ぶ多数の異なる装置のいずれかを用いて、実行できる。これらの装置のほとんどが、ガス原子または分子の物理的または化学的特性を測定することに基づいているのに対して、これらの中には、代りに、特定のガス原子または分子の実際の存在を測定することに基づいているものがある。 Detection of specific gas atoms or molecules in a gas sample is currently done from complex technical systems such as mass spectrometers and gas chromatographs, for example, small and relatively simple sensors such as sensors that measure the thermal conductivity of gases. Can be implemented using any of a number of different devices. While most of these devices are based on measuring the physical or chemical properties of gas atoms or molecules, some of these instead are the actual presence of a particular gas atom or molecule. Some are based on measuring.
たとえば、ガスサンプルにおける特定のガス分子の検出に使用することができ、かつ特定のガス分子の実際の存在を測定することに基づいている一装置が、特許文献1に説明されている。より具体的には、特許文献1は、水素ガスの検出に使用できるガス感知センサを説明している。 For example, U.S. Pat. No. 6,057,051 describes an apparatus that can be used for the detection of specific gas molecules in a gas sample and is based on measuring the actual presence of specific gas molecules. More specifically, Patent Document 1 describes a gas sensor that can be used to detect hydrogen gas.
水素ガスを検出する装置の利用が、必要か、有用か、または望ましい様々な用途がある。たとえば、かかる装置は、水素ガスを用いるシステムの漏れ検出器としてか、テストのためおよび/または漏れを突き止めるためのトレーサガスとして水素ガスを用いるシステムおよび方法の漏れ検出器としてか、またはたとえば、水素ガスもしくは水素ガス含有ガス混合物を用いる産業(石油化学工業、電気化学工業、ガス工場など)内で、爆発を防ぐ目的で、水素ガスの存在を示すアラーム検出器として利用できる。 There are a variety of applications where the use of an apparatus for detecting hydrogen gas is necessary, useful or desirable. For example, such an apparatus may be used as a leak detector for systems using hydrogen gas, as a leak detector for systems and methods using hydrogen gas as a tester and / or as a tracer gas for locating leaks, or for example, hydrogen It can be used as an alarm detector for indicating the presence of hydrogen gas in the industry (petrochemical industry, electrochemical industry, gas factory, etc.) using gas or hydrogen gas-containing gas mixture for the purpose of preventing explosion.
特許文献1で説明されているガス感知センサには、金属電極を構成する触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれる。このセンサには半導体構造が含まれるので、それは、本明細書において、ガス感知半導体センサとして表示される。触媒金属層は、白金金属のパラジウム、ニッケルおよび白金、または原子量で少なくとも20%のパラジウムを含有する合金のいずれかで作製される。 The gas detection sensor described in Patent Document 1 includes a catalytic metal layer that forms a metal electrode, a semiconductor layer, and an insulating layer disposed between the catalytic metal layer and the semiconductor layer. Since this sensor includes a semiconductor structure, it is referred to herein as a gas sensitive semiconductor sensor. The catalytic metal layer is made of either the platinum metals palladium, nickel and platinum, or an alloy containing at least 20% palladium in atomic weight.
水素ガス検出用の、特許文献1の半導体センサの動作原理は、次の事実に基づいている。すなわち、白金金属のいくつか、特にパラジウムが、その表面で、水素ガス分子を吸着し、吸着した水素ガス分子を解離して分解し、このように形成された水素原子の浸透を可能にして、その表面に水素原子を吸着できるということである。用語「触媒金属」は、水素ガス分子を解離し、このように形成された水素原子を吸収できる金属または合金を示すために、本明細書では用いられる。 The operation principle of the semiconductor sensor of Patent Document 1 for detecting hydrogen gas is based on the following facts. That is, some of the platinum metals, particularly palladium, adsorb hydrogen gas molecules on the surface, dissociate and decompose the adsorbed hydrogen gas molecules, and allow the penetration of hydrogen atoms formed in this way, This means that hydrogen atoms can be adsorbed on the surface. The term “catalytic metal” is used herein to denote a metal or alloy that can dissociate hydrogen gas molecules and absorb the hydrogen atoms thus formed.
ここで、特許文献1の半導体センサの基本動作原理を、センサが水素ガスの検出のために利用される場合に対して説明する。特許文献1の半導体センサが水素ガス分子に曝されると、触媒金属層は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されたその外面に、いくらかの分子を吸着できる。次に、吸着された水素ガス分子は、外面で解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層に吸収され得る。続いて、吸収された水素原子のいくらかが、触媒金属層を通した拡散の後で、触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着される。 Here, the basic operation principle of the semiconductor sensor of Patent Document 1 will be described with respect to a case where the sensor is used for detection of hydrogen gas. When the semiconductor sensor of Patent Document 1 is exposed to hydrogen gas molecules, the catalytic metal layer can adsorb some molecules on its outer surface configured to communicate freely with the surrounding atmosphere. Next, the adsorbed hydrogen gas molecules are dissociated on the outer surface, and the hydrogen atoms thus formed can be absorbed by the catalytic metal layer. Subsequently, some of the absorbed hydrogen atoms are adsorbed at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer after diffusion through the catalytic metal layer.
さらに、触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着された水素原子が分極されて、正側が絶縁層に面することが、十分に確証されている(非特許文献1)。分極化は、水素双極子が生成されることを意味する。水素双極子は、触媒金属層の有効仕事関数をシフトさせる電界を生成する。触媒金属層の有効仕事関数のシフトの結果として、半導体センサの電気的機能が影響を受ける。すなわち、半導体センサの特性において電圧シフトが生成され、この影響が、水素ガスの検出のために利用される。この感知原理は、本明細書において「水素双極子トランスデューサ原理」と呼ばれる。 Furthermore, it has been sufficiently confirmed that hydrogen atoms adsorbed at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer are polarized and the positive side faces the insulating layer (Non-Patent Document 1). Polarization means that a hydrogen dipole is generated. The hydrogen dipole generates an electric field that shifts the effective work function of the catalytic metal layer. As a result of the shift of the effective work function of the catalytic metal layer, the electrical function of the semiconductor sensor is affected. That is, a voltage shift is generated in the characteristics of the semiconductor sensor, and this effect is used for detection of hydrogen gas. This sensing principle is referred to herein as the “hydrogen dipole transducer principle”.
触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着された水素原子によって生成された、触媒金属層の有効仕事関数のシフトは、ガスサンプルにおける水素ガスの存在を検出するためだけでなく、ガスサンプルにおける水素ガスの濃度を測定するためにも利用できる。シフトの大きさは、単位面積ごとに吸着される水素原子の数、すなわち、触媒金属層と絶縁層との間の界面における水素原子の密度よって決定される。ガスサンプルにおける水素ガス分子の量、および触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着される水素原子の量が、ある時間後に平衡するので、平衡シフトの大きさを、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の基準として利用できる。しかしながら、ガスサンプルにおける水素ガス分子の量と、触媒金属層および絶縁層間の界面で吸着される水素原子の量との間で達成される平衡までの時間は、通常、比較的長い。その理由で、平衡シフトが達成される前に、有効仕事関数がシフトする割合、すなわち出力信号がシフトする割合を、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の基準として利用するのが好ましい。さらに、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度における、有効仕事関数のシフト割合の大きさおよび平衡シフトの大きさは、もちろん、水素ガス分子に対するセンサの感度に依存する。 The shift in the effective work function of the catalytic metal layer, generated by hydrogen atoms adsorbed at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer, is not only for detecting the presence of hydrogen gas in the gas sample, but also for the gas sample. It can also be used to measure the concentration of hydrogen gas in The magnitude of the shift is determined by the number of hydrogen atoms adsorbed per unit area, that is, the density of hydrogen atoms at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer. Since the amount of hydrogen gas molecules in the gas sample and the amount of hydrogen atoms adsorbed at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer equilibrate after a certain time, the magnitude of the equilibrium shift is determined by the amount of hydrogen gas in the gas sample. It can be used as a reference for the concentration of molecules. However, the time to equilibrium achieved between the amount of hydrogen gas molecules in the gas sample and the amount of hydrogen atoms adsorbed at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer is usually relatively long. For that reason, it is preferable to use the rate at which the effective work function shifts, that is, the rate at which the output signal shifts, before the equilibrium shift is achieved, as a measure of the concentration of hydrogen gas molecules in the gas sample. Furthermore, the magnitude of the effective work function shift rate and the equilibrium shift at a given concentration of hydrogen gas molecules in the gas sample will, of course, depend on the sensitivity of the sensor to hydrogen gas molecules.
特許文献1のセンサと同じ動作原理に基づいて、すなわち、いわゆる水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサが、本明細書において、「水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサ」として表示される。 A hydrogen gas sensing semiconductor sensor operating based on the same operating principle as the sensor of Patent Document 1, that is, based on the so-called hydrogen dipole transducer principle, is referred to herein as “hydrogen operating based on the hydrogen dipole transducer principle”. Displayed as “Gas Sensing Semiconductor Sensor”.
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサは、約150℃までの温度で動作する場合に、水素ガスに対して非常に高い選択性を有することが知られている。しかしながら、かかるセンサがまた、より高温で動作する場合に、アルコールおよび不飽和炭化水素など、他のガス状の水素含有分子にも高感度を有することが示されている。たとえば、150℃を超える温度で動作する場合に、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作するセンサの、メタノールおよびエタノールに対する感度が示されている(非特許文献2)。次に、水素ガス分子と同じ方法で、かかるガス状の水素含有分子は、触媒金属層の外面で吸着されて解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層に吸収される。 Hydrogen gas sensitive semiconductor sensors operating on the hydrogen dipole transducer principle are known to have very high selectivity for hydrogen gas when operating at temperatures up to about 150 ° C. However, such sensors have also been shown to be sensitive to other gaseous hydrogen-containing molecules such as alcohols and unsaturated hydrocarbons when operating at higher temperatures. For example, the sensitivity to methanol and ethanol of a sensor operating based on the hydrogen dipole transducer principle when operating at a temperature exceeding 150 ° C. has been shown (Non-Patent Document 2). Next, in the same manner as hydrogen gas molecules, such gaseous hydrogen-containing molecules are adsorbed and dissociated on the outer surface of the catalyst metal layer, and the hydrogen atoms thus formed are absorbed by the catalyst metal layer.
したがって、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する半導体センサは、水素ガス分子の検出だけでなく、他のガス状の水素含有分子の検出のためにも利用できる。しかしながら、かかるセンサが水素ガスの検出のために利用されることになる場合には、これらのセンサは、150℃未満の温度で動作させて、水素ガスに対するできるだけ高い選択性を取得し、かつより高温で動作する場合にセンサが敏感になる他のガス状の水素含有分子への感度を避けるようにするのが好ましい。 Therefore, a semiconductor sensor operating based on the hydrogen dipole transducer principle can be used not only for the detection of hydrogen gas molecules but also for the detection of other gaseous hydrogen-containing molecules. However, if such sensors are to be utilized for hydrogen gas detection, these sensors are operated at temperatures below 150 ° C. to obtain the highest possible selectivity for hydrogen gas, and more It is preferable to avoid sensitivity to other gaseous hydrogen-containing molecules that make the sensor sensitive when operating at high temperatures.
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する特定の水素ガス感知半導体センサの、水素ガス分子に対する特有の感度は、触媒金属層の触媒特性、すなわち外面で水素ガス分子を解離し、このように形成された水素原子を吸収する触媒金属層の能力に依存する。触媒金属層の触媒特性がなぜ感度に影響するかの理由は、もちろん、その特性が、単位面積ごとに吸着可能な水素原子の数、すなわちガスサンプルにおける水素ガスのある濃度における、触媒金属層と絶縁層との間の界面の水素双極子の密度に影響するということである。 The specific sensitivity of hydrogen gas molecules to specific hydrogen gas sensing semiconductor sensors that operate on the basis of the hydrogen dipole transducer principle is formed by the catalytic properties of the catalytic metal layer, i.e., dissociating hydrogen gas molecules on the outer surface. Depends on the ability of the catalytic metal layer to absorb hydrogen atoms. The reason why the catalytic properties of the catalytic metal layer affect the sensitivity is, of course, that the properties of the catalytic metal layer and the number of hydrogen atoms that can be adsorbed per unit area, i.e. at a certain concentration of hydrogen gas in the gas sample. It affects the density of hydrogen dipoles at the interface with the insulating layer.
しかしながら、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度は、たとえば触媒金属層の外面における酸化によって低下される可能性がある。半導体センサの周囲の酸素が、触媒金属層の外面に吸着するかまたは結合する可能性がある。そして、触媒金属層の外面に水素ガス分子が吸着可能な吸着箇所の数が、触媒金属層の外面で酸素分子および原子の数が増加するのと同時に、低減される。水素ガス分子が吸着可能な吸着箇所の数が低減されると、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度において、触媒金属層の外面で吸着および解離可能な水素ガス分子の数、および触媒金属層に吸収され得る水素原子の数が、低減される。それにより、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度において、触媒金属層と絶縁層との間の界面における単位面積ごとに吸着可能な水素原子の数、すなわち達成可能な水素双極子の数が、低減される。これは、そのときに感度が弱められることを意味する。 However, the sensitivity of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle can be reduced, for example, by oxidation on the outer surface of the catalytic metal layer. Oxygen around the semiconductor sensor can be adsorbed or bound to the outer surface of the catalytic metal layer. And the number of the adsorption | suction locations which can adsorb | suck a hydrogen gas molecule on the outer surface of a catalyst metal layer is reduced simultaneously with the number of oxygen molecules and atoms increasing on the outer surface of a catalyst metal layer. When the number of adsorption sites where hydrogen gas molecules can be adsorbed is reduced, the number of hydrogen gas molecules that can be adsorbed and dissociated on the outer surface of the catalyst metal layer and the catalyst metal layer are absorbed at a certain concentration of hydrogen gas in the gas sample The number of hydrogen atoms that can be reduced is reduced. Thereby, at a certain concentration of hydrogen gas in the gas sample, the number of hydrogen atoms that can be adsorbed per unit area at the interface between the catalytic metal layer and the insulating layer, i.e. the number of hydrogen dipoles that can be achieved, is reduced. The This means that the sensitivity is weakened at that time.
水素ガスに関連して分析されるほとんどのガスサンプルには、空気または酸素ガスが含まれる。そのために、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度における上述の低下は、しばしば生じる。 Most gas samples analyzed in connection with hydrogen gas contain air or oxygen gas. For this reason, the aforementioned reduction in the sensitivity of hydrogen gas sensitive semiconductor sensors operating on the hydrogen dipole transducer principle often occurs.
さらに、触媒金属層の外面に吸着するかまたは結合し、そして、酸素と同じ方法で感度に影響する可能性のある他の汚染物質がまた存在する。かかる汚染物質の一例が酸化炭素であり、これはまた、多くのガスサンプルに存在する。さらに、硫化水素は、触媒金属層の外面に結合する可能性がある。 In addition, there are also other contaminants that adsorb or bind to the outer surface of the catalytic metal layer and can affect sensitivity in the same way as oxygen. An example of such a contaminant is carbon oxide, which is also present in many gas samples. Furthermore, hydrogen sulfide can bind to the outer surface of the catalytic metal layer.
酸素および/または他の汚染物質が外面に吸着するかまたは結合する可能性があるかかる検出条件下で、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサを利用する場合には、センサの感度は、外面における酸化または他の汚染物質による汚染のために、センサが古くなると共に典型的には衰える。通常、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命は、かかる検出条件下では実質的に低下する。 When utilizing a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle under such detection conditions where oxygen and / or other contaminants may be adsorbed or bound to the outer surface, the sensor The sensitivity of the sensor typically decays as the sensor ages due to oxidation or contamination by other contaminants on the exterior surface. Normally, the lifetime of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle is substantially reduced under such detection conditions.
酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ一方法は、センサがテストするガスサンプルを、酸素および他の汚染物質から浄化することである。そして、酸素および他の汚染物質による感度へのどんな影響も実質的に防止され、センサの寿命が向上される。しかしながら、かかる浄化は、実行するのが比較的困難で複雑であり、そうするならばサンプル準備の余分なステップが分析手順に加えられるので、結果として全分析時間が長くなる。 One way to prevent loss of sensitivity due to oxygen and other contaminants is to purify the gas sample that the sensor tests from oxygen and other contaminants. And any effect on sensitivity due to oxygen and other contaminants is substantially prevented and the lifetime of the sensor is improved. However, such purification is relatively difficult and complicated to carry out, and if so, extra sample preparation steps are added to the analysis procedure, resulting in a longer total analysis time.
酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ別の方法が、特許文献2に説明されている。特許文献2に説明されている方法によれば、半導体センサは、検出期間中にガスサンプルに曝される。無視できる量の酸素、水素および一酸化炭素を含む周囲の前処理ガス雰囲気に半導体センサが保持される期間が、各検出期間に先行する。前処理期間は検出期間よりずっと長い。前処理期間中の結果として、先行する検出期間中に触媒金属層の外面に吸着された実質的に全ての酸素および一酸化炭素が、もしあれば、除去される。そして、酸素および他の汚染物質による、感度への上述の影響は実質的に防止され、センサの寿命が向上される。しかしながら、この方法は、半導体センサを囲む雰囲気の変更のための設備を用いることを必要とする。 Another method for preventing sensitivity loss due to oxygen and other contaminants is described in US Pat. According to the method described in Patent Document 2, the semiconductor sensor is exposed to the gas sample during the detection period. Each detection period precedes a period in which the semiconductor sensor is held in an ambient pretreatment gas atmosphere containing negligible amounts of oxygen, hydrogen, and carbon monoxide. The pretreatment period is much longer than the detection period. As a result of the pretreatment period, substantially all oxygen and carbon monoxide, if any, adsorbed on the outer surface of the catalytic metal layer during the preceding detection period is removed. And the above-mentioned effects on sensitivity due to oxygen and other contaminants are substantially prevented and the lifetime of the sensor is improved. However, this method requires the use of equipment for changing the atmosphere surrounding the semiconductor sensor.
したがって、酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ上述の2つの方法は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命を向上させるために利用できる。しかしながら、これらの2つの方法は、かかるセンサの初期感度は向上させない。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命ができるだけ長いだけでなく、初期感度ができるだけ高いことが、ほとんどの用途にとって好ましいかまたは必要とされる。本明細書において、用語「初期感度」は、センサの初期使用中の初期期間におけるセンサの感度、すなわち以前に用いられていない「新しい」センサの感度を指す。 Thus, the two methods described above that prevent sensitivity loss due to oxygen and other contaminants can be used to improve the lifetime of hydrogen gas sensitive semiconductor sensors that operate on the hydrogen dipole transducer principle. However, these two methods do not improve the initial sensitivity of such sensors. Not only is the lifetime of the hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle as long as possible, but the initial sensitivity as high as possible is preferred or required for most applications. As used herein, the term “initial sensitivity” refers to the sensitivity of a sensor in the initial period during initial use of the sensor, ie, the sensitivity of a “new” sensor that has not been previously used.
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命の向上と同様に初期感度の向上は、もちろん、触媒金属層の触媒特性を修正することによって達成してもよい。寿命と同様に初期感度を向上させるために、水素双極子原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサにおける触媒金属層の触媒特性を修正する一方法は、より高い初期感度をセンサに付与する別の触媒金属を利用することである。しかしながら、ほとんどのかかるセンサでは、水素ガス感知半導体センサに最も高い初期感度を付与することで知られている触媒金属が、今日既に用いられている。寿命と同様に初期感度を向上させるために、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサにおける触媒金属層の触媒特性を修正する別の方法は、水素ガス検出中に外面の温度を上昇させることである。温度が150℃を超えて上昇すると、水素ガスに対する感度が向上することが知られている。しかしながら、温度が150℃を超えて上昇すると、水素ガスに対する選択性が低減し、そのときには上述のものなどの他のガス状の水素含有分子に対する感度が向上する。 An improvement in initial sensitivity as well as an increase in the lifetime of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle may of course be achieved by modifying the catalytic properties of the catalytic metal layer. One way to modify the catalytic properties of the catalytic metal layer in a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole principle to improve the initial sensitivity as well as the lifetime is to provide a higher initial sensitivity to the sensor. This is to use the catalytic metal. However, in most such sensors, catalytic metals are already used today that are known to give the highest initial sensitivity to hydrogen gas sensitive semiconductor sensors. Another way to modify the catalytic properties of the catalytic metal layer in a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle to improve the initial sensitivity as well as lifetime is the temperature of the outer surface during hydrogen gas detection. Is to raise. It is known that when the temperature rises above 150 ° C., the sensitivity to hydrogen gas is improved. However, when the temperature rises above 150 ° C., the selectivity for hydrogen gas is reduced and then the sensitivity to other gaseous hydrogen-containing molecules such as those described above is improved.
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させる信頼できる方法の必要がやはり存在する。 There is still a need for a reliable method for improving the initial sensitivity to hydrogen gas molecules, as well as the lifetime of hydrogen gas sensitive semiconductor sensors operating on the hydrogen dipole transducer principle.
本発明の目的は、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを提供することであるが、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして、触媒金属層には外面および内面が含まれ、そして、外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。 It is an object of the present invention to provide a hydrogen gas sensing semiconductor sensor with improved initial sensitivity to hydrogen gas molecules as well as improved lifetime, which includes a catalytic metal layer, a semiconductor layer, and a catalyst. An insulating layer disposed between the metal layer and the semiconductor layer is included, and the catalytic metal layer includes an outer surface and an inner surface, and the outer surface is configured to freely communicate with an ambient atmosphere. .
この目的は、請求項1の特徴部分に従って達成される。 This object is achieved in accordance with the characterizing part of claim 1.
内面には少なくとも1つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置されていることと、外面の表面面積が、内面の少なくとも1つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも100%大きいこととのおかげで、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを実現することが可能である。 The inner surface includes at least one hydrogen atom adsorption surface portion, and each hydrogen atom adsorption surface portion is disposed adjacent to the insulating layer, and the surface area of the outer surface is at least one hydrogen atom of the inner surface. Thanks to being at least 100% larger than the total surface area of all adsorbing surfaces, it is possible to realize a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor with improved initial sensitivity to hydrogen gas molecules as well as improved lifetime.
本発明のさらなる目的は、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出用プローブを提供することであるが、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして触媒金属層には外面および内面が含まれ、そして外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。 A further object of the present invention is to provide a hydrogen gas detection probe including a hydrogen gas sensing semiconductor sensor with improved initial sensitivity to hydrogen gas molecules as well as improved lifespan. A metal layer, a semiconductor layer, and an insulating layer disposed between the catalytic metal layer and the semiconductor layer are included, and the catalytic metal layer includes an outer surface and an inner surface, and the outer surface is in free communication with the ambient atmosphere. It is configured as follows.
この目的は、請求項14の特徴部分に従って達成される。
This object is achieved according to the characterizing part of
プローブには水素ガス感知半導体センサが含まれ、この半導体センサにおいて、内面には少なくとも1つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置され、かつこの半導体センサにおいて、外面の表面面積が、内面の少なくとも1つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも100%大きいおかげで、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含むプローブを実現することが可能である。 The probe includes a hydrogen gas sensing semiconductor sensor, wherein the inner surface includes at least one hydrogen atom adsorption surface portion, and each hydrogen atom adsorption surface portion is disposed adjacent to the insulating layer, And in this semiconductor sensor, the surface area of the outer surface is at least 100% larger than the total surface area of all of the at least one hydrogen atom adsorption surface part of the inner surface, so that the initial sensitivity to hydrogen gas molecules is improved as well as the improvement of the lifetime. It is possible to realize a probe including a hydrogen gas sensing semiconductor sensor.
本発明の別の目的は、プローブおよび測定ユニットを含む水素ガス検出システムを提供することであるが、このプローブには、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサが含まれ、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして、触媒金属層には、外面および内面が含まれ、そして、外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。 Another object of the present invention is to provide a hydrogen gas detection system including a probe and a measurement unit. This probe includes a hydrogen gas with improved initial sensitivity to hydrogen gas molecules as well as improved life. A sensing semiconductor sensor is included that includes a catalytic metal layer, a semiconductor layer, and an insulating layer disposed between the catalytic metal layer and the semiconductor layer, and the catalytic metal layer includes an outer surface and an inner surface. And the outer surface is configured to communicate freely with the surrounding atmosphere.
この目的は、請求項15の特徴部分に従って達成される。 This object is achieved in accordance with the characterizing part of claim 15 .
水素ガス検出システムには水素ガス感知半導体センサを含むプローブが含まれ、この半導体センサにおいて、内面には少なくとも1つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置され、かつこの半導体センサにおいて、外面の表面面積が、内面の少なくとも1つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも100%大きいおかげで、プローブおよび測定ユニットを含むガス検出システムを実現し、このプローブが、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含むことが可能である。 The hydrogen gas detection system includes a probe including a hydrogen gas sensing semiconductor sensor, wherein the inner surface includes at least one hydrogen atom adsorption surface portion, and each hydrogen atom adsorption surface portion is an insulating layer. Gas detection system comprising a probe and a measurement unit, arranged adjacent to each other and in this semiconductor sensor, the surface area of the outer surface being at least 100% greater than the total surface area of all at least one hydrogen atom adsorption surface portion of the inner surface And the probe can include a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor with improved initial sensitivity to hydrogen gas molecules as well as increased lifetime.
好ましい実施形態は、従属クレームに列挙する。 Preferred embodiments are listed in the dependent claims.
本発明のさらに別の目的および特徴は、添付の図面と共に検討される下記の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面が、本発明の範囲の定義としてではなく、もっぱら例証のためにデザインされ、本発明の範囲のためには添付の特許請求の範囲を参照すべきことを理解されたい。図面が、必ずしも一定の縮尺率で描かれていないこと、および別に示していなければ、図面が、本明細書で説明する構造を概念的に例証するように意図されているだけであることを、さらに理解されたい。 Further objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description considered in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the drawings are designed solely for purposes of illustration and not as a definition of the scope of the invention, and reference should be made to the appended claims for the scope of the invention. That the drawings are not necessarily drawn to scale, and that unless otherwise indicated, the drawings are only intended to conceptually illustrate the structures described herein; Please understand further.
図面において、同様の参照文字は、いくつかの図面の全体を通して同様の要素を示す。 In the drawings, like reference characters indicate like elements throughout the several views.
図1は、先行技術のガス感知半導体センサの基本構造および基本動作原理の概略断面図であるが、このセンサは、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作し、かつ水素ガスの検出のために利用できる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサは、ほとんど、図1に示す基本構造を含むか、またはそれに基づいて構成されている。たとえば、それは、SE387444の半導体センサの基本構造を表わす。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサには、触媒金属層1、半導体層2、および触媒金属層1と半導体層2との間に配置された絶縁層3が含まれる。触媒金属層1には、周囲雰囲気、すなわちセンサを囲む雰囲気または触媒金属層1を囲む雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された外面4が含まれる。したがって、外面4は、周囲雰囲気に対して触媒金属層1の境界を画定し、また周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着して、吸着した水素ガス分子を解離するように構成されている。外面4には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層1の全ての表面部が含まれる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the basic structure and basic operating principle of a gas sensing semiconductor sensor of the prior art, which operates based on the hydrogen dipole transducer principle and is used for detection of hydrogen gas it can. Most prior art hydrogen gas sensitive semiconductor sensors that operate on the hydrogen dipole transducer principle include or are constructed based on the basic structure shown in FIG. For example, it represents the basic structure of the semiconductor sensor of SE387444. A prior art hydrogen gas sensing semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle includes a catalytic metal layer 1, a semiconductor layer 2, and an insulating
さらに、触媒金属層1は上面5および側面6を有するが、そこで用語「上」および「側」は、半導体センサの基本構造が図1に示す向きを有する場合に、面5および面6の位置をそれぞれ示すために用いられる。したがって、半導体センサの基本構造が図1に示す向きを有する場合に、側面6は、水平方向における触媒金属層1の境界を画定する、触媒金属層1の面である。触媒金属層1がある厚さを有するために、触媒金属層1には側面6が含まれる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサにおいて、上面5の全体および側面6の全体が、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成されている。したがって、外面4には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層1の全ての表面部が含まれるので、それゆえ外面4には、上面5の全体と同様に側面6の全体も含まれる。
Furthermore, the catalytic metal layer 1 has a top surface 5 and a side surface 6 where the terms “top” and “side” refer to the positions of the surface 5 and the surface 6 when the basic structure of the semiconductor sensor has the orientation shown in FIG. Are used to indicate each. Therefore, when the basic structure of the semiconductor sensor has the orientation shown in FIG. 1, the side surface 6 is the surface of the catalytic metal layer 1 that defines the boundary of the catalytic metal layer 1 in the horizontal direction. The catalytic metal layer 1 includes side surfaces 6 so that the catalytic metal layer 1 has a certain thickness. In a prior art hydrogen gas sensing semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle, the entire top surface 5 and the entire side surface 6 are configured to be in physical contact with the ambient atmosphere and in free communication. . Accordingly, the
さらに、触媒金属層1には内面7が含まれるが、内面7は、周囲雰囲気と物理的に接触せず、かつ自由に連通しないように構成されている。すなわち、内面7は、周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着することができない。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作し、かつ図1に示す基本構造を有する周知の水素ガス感知半導体センサにおいて、上面5の表面面積は、内面7の表面面積と実質的に等しい。しかしながら、外面4が、上面5と同様に側面6も含むという事実にもかかわらず、外面4の表面面積がまた、内面7の表面面積と実質的に等しい。これは、触媒金属層1が非常に薄く、そのために側面6の表面面積が、上面5の表面面積と比較して非常に小さいためである。通常は、触媒金属層1は、薄膜技術によって作製される。
Further, the catalytic metal layer 1 includes an
先行技術のセンサの内面7には、水素原子吸着表面部8が含まれるが、この表面部8は、絶縁層3にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間に、さらなる構成要素はない。本明細書において、用語「水素原子吸着表面部」は、絶縁層3にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置された表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着表面部8で吸着され得る。またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間の界面における水素原子の吸着箇所で吸着され得る。
The
先行技術のセンサでは、水素原子吸着表面部8は、内面7の約55%を構成する。したがって、内面7の約55%は、絶縁層3にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。内面7の残りの表面部(単複)、すなわち内面7の約45%は、接触フレーム等(図示せず)に隣接して配置されている。したがって、外面4および内面7の表面面積が実質的に等しいので、先行技術のセンサにおける外面4の表面面積は、水素原子吸着表面部8の表面面積より約80%大きい。
In the prior art sensor, the hydrogen
図解のために、図1において、水素ガス分子はH−Hで表示し、水素原子はHで表示している。 For illustration, in FIG. 1, hydrogen gas molecules are indicated by HH and hydrogen atoms are indicated by H.
図1に示す基本構造を有する水素ガス感知半導体センサの基本動作原理を、ここで説明する。水素ガス分子が、図1に示す基本構造を有する水素ガス感知半導体センサを囲む雰囲気に存在する場合には、いくらかの水素ガス分子が、触媒金属層1の外面4に吸着し得る。次に、吸着された水素ガス分子は、外面4で解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層1に吸収され得る。続いて、吸収された水素原子のいくらかが、触媒金属層1を通して拡散した後で、触媒金属層1と絶縁層3との間の界面、すなわち触媒金属層1における内面7の水素原子吸着表面部8で吸着される。
The basic operating principle of the hydrogen gas sensing semiconductor sensor having the basic structure shown in FIG. 1 will now be described. When hydrogen gas molecules are present in an atmosphere surrounding the hydrogen gas sensing semiconductor sensor having the basic structure shown in FIG. 1, some hydrogen gas molecules can be adsorbed on the
触媒金属層1と絶縁層3との間の界面、すなわち内面7の水素原子吸着表面部8で吸着された水素原子は分極され、そして、水素双極子が生成される。これを図2に概略的に示す。水素双極子は、触媒金属層1の有効仕事関数をシフトさせる電界を生成する。触媒金属層1の有効仕事関数のシフトの結果として、半導体センサの電気的な機能が影響される。すなわち、半導体センサの特性における電圧シフトが生成され、この影響を、ガスサンプルにおける、水素ガス分子の存在の検出および/または水素ガス分子の濃度の測定のために利用できる。シフトの大きさは、単位面積ごとに吸着される水素原子の数、すなわち水素原子吸着表面部8またはより具体的には水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間の界面における水素双極子の密度によって、決定される。
Hydrogen atoms adsorbed at the interface between the catalytic metal layer 1 and the insulating
センサを囲む雰囲気における水素ガス分子の量、および水素原子吸着表面部8における水素双極子の密度は、ある時間後に平衡するので、触媒金属層1の有効仕事関数の平衡シフトを利用して、センサを囲む雰囲気、すなわちガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度を測定できる。しかしながら、センサを囲む雰囲気における水素ガス分子の量と水素原子吸着表面部8における水素双極子の密度との間で、平衡が達成されるまでの時間は、通常、比較的長い。その理由で、有効仕事関数がシフトする割合、すなわち平衡シフトが達成される前に出力信号がシフトする割合を、センサを囲む雰囲気すなわちガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の測定に利用するのが好ましい。
Since the amount of hydrogen gas molecules in the atmosphere surrounding the sensor and the density of the hydrogen dipole in the hydrogen atom
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサは、電界効果トランジスタとして実現されるのが普通である。次に、水素原子は、触媒金属層1における内面7の水素原子吸着表面部8の全体で吸着され得るが、しかしチャネルに配置された水素原子吸着表面部8の部分で吸着された水素原子だけが、センサの特性における電圧シフトに影響する。これは、以下でさらに説明する。
Prior art hydrogen gas sensitive semiconductor sensors operating on the hydrogen dipole transducer principle are usually implemented as field effect transistors. Next, hydrogen atoms can be adsorbed on the entire hydrogen atom
図3〜6は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する、本発明による水素ガス感知半導体センサの異なる実施形態の基本構造を示す。本発明による水素ガス感知半導体センサには、全ての実施形態において、触媒金属層1、半導体層2、および触媒金属層1と半導体層2との間に配置された絶縁層3が含まれる。触媒金属層1には、周囲雰囲気、すなわちセンサを囲む雰囲気または触媒金属層1を囲む雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された外面4が含まれる。したがって、外面4は、周囲雰囲気に対して触媒金属層1の境界を画定し、また周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着して、吸着した水素ガス分子を解離するように構成されている。外面4には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層1の全ての表面部が含まれる。
3-6 show the basic structure of different embodiments of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention operating on the hydrogen dipole transducer principle. The hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention includes, in all embodiments, a catalytic metal layer 1, a semiconductor layer 2, and an insulating
用語「触媒金属」は、水素ガス分子を解離し、かつこのように形成された水素原子を吸収できる金属または合金を表示するために、本明細書で用いられる。この定義によれば、本発明によるセンサの触媒金属層1における触媒金属の非限定的な例は、白金金属のパラジウム、白金およびイリジウム、またはこれらの金属の少なくとも1つを含む合金のいずれかである。触媒金属を構成可能な合金の非限定的な例は、銀およびパラジウムを含む合金、またはニッケルおよびパラジウムを含む合金である。 The term “catalytic metal” is used herein to denote a metal or alloy that can dissociate hydrogen gas molecules and absorb the hydrogen atoms thus formed. According to this definition, non-limiting examples of catalytic metals in the catalytic metal layer 1 of the sensor according to the invention are either the platinum metals palladium, platinum and iridium, or an alloy comprising at least one of these metals. is there. Non-limiting examples of alloys that can constitute the catalytic metal are alloys containing silver and palladium, or alloys containing nickel and palladium.
本発明によるセンサの触媒金属層1は上面5および側面6を有するが、そこで用語「上」または「側」は、センサの基本構造が図3〜6に示す向きを有する場合に、面5および面6の位置をそれぞれ示すために用いられる。好ましくは、本発明によるセンサの外面4には、上面5の全体および側面6の全体の両方が含まれる。しかしながら、側面6は、それが周囲雰囲気と自由に連通することを完全にまたは部分的に制限されるように、変形においてはセンサの他のある構成要素(単複)によって完全にまたは部分的に覆われる場合がある。そこで、外面4には、上面5、およびもしあれば周囲雰囲気と自由に連通するように構成された側面6の部分(単複)が含まれる。
The catalytic metal layer 1 of the sensor according to the invention has a top surface 5 and a side surface 6, where the terms “top” or “side” refer to the surface 5 and the surface when the basic structure of the sensor has the orientation shown in FIGS. Used to indicate the position of surface 6 respectively. Preferably, the
さらに、触媒金属層1には内面7が含まれるが、内面7は、周囲雰囲気と物理的に接触せず、かつ自由に連通しないように構成されている。すなわち、内面7は、周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着できない。本発明によるセンサにおいて、内面7には、少なくとも1つの水素原子吸着表面部8が含まれる。各水素原子吸着表面部8は、絶縁層3に隣接するかまたはもたれるように配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間に、さらなる構成要素はない。したがって、本発明によるセンサにおいて、内面7には、1つの水素原子吸着表面部8(図3〜4および図6)または1を超える水素原子吸着表面部8(図5)を含むことができる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサの内面7には、ただ1つの水素原子吸着表面部8(図1)が含まれる。さらに、先行技術のセンサにおけるように、本発明によるセンサの内面7にはまた、接触フレーム等(図示せず)と隣接して配置された1つまたはいくつかの表面部が含まれる。たとえば、接触フレーム等に隣接して配置された表面部(単複)の全表面面積は、先行技術のセンサにおけるように、内面7の表面面積の約45%を構成してもよい。しかしながら、接触フレーム等に隣接して配置された表面部(単複)の全表面面積が内面7の表面面積を構成するパーセンテージは、変更してもよい。
Further, the catalytic metal layer 1 includes an
さらに、本発明によるセンサにおいて、内面7における全ての水素原子吸着表面部8の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサと比較して、実質的に増加されている。先行技術のセンサでは、外面4の表面面積は、上述のように、全ての水素原子吸着表面部8、すなわち1つの水素原子吸着表面部8の全表面面積より約80%大きい。
Further, in the sensor according to the present invention, the ratio of the surface area of the
内面7の全ての水素原子吸着表面部8の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して、本発明によるセンサでは実質的に増加するという事実は、次のことを意味する。すなわち、内面7の水素原子吸着表面部(単複)8において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面4において水素ガス分子を吸着および解離するように構成された箇所の数の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して、本発明によるセンサでは実質的に増加するということである。
The fact that the ratio of the surface area of the
そして、本発明によるセンサは、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、初期使用の先行技術のセンサよりも、内面7の水素原子吸着表面部(単複)8において、単位面積ごとに吸着される実質的により多くの水素原子数、すなわちより高い密度の双極子を提供できる。したがって、本発明によるセンサは、先行技術のセンサより実質的に高い初期感度を有し、また実質的に向上した初期感度を備えた水素ガス感知半導体センサが、本発明に従って提供される。
And the sensor according to the present invention is substantially adsorbed per unit area at the hydrogen atom adsorption surface part (s) 8 of the
上述のように、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度は、酸素および/または他の汚染物質が触媒金属層1の外面4に吸着または結合するために、センサが古くなると共に典型的には衰える。それにより、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命は、酸素および/または他の汚染物質が触媒金属層1の外面4に吸着または結合するために、実質的に低下する。
As described above, the sensitivity of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle is such that the sensor is adsorbed or bound to the
しかしながら、本発明によるセンサの初期感度が、先行技術のセンサの初期感度と比較して、実質的に向上するという事実はまた、本発明によるセンサの寿命が、先行技術のセンサの寿命と比較して、実質的に向上することを意味する。この事実は、当業者には明らかなはずである。本発明によるセンサの内面7の水素原子吸着表面部(単複)8において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面4において水素ガス分子を吸着および解離するように構成された箇所の数の比率の実質的な増加は、次のことを意味する。すなわち、センサがもはや使用できない程度にまで感度が低下するほど、酸素および/または他の汚染物質が外面4のそれほど多くの箇所を占めるまでの時間が、実質的に長くなるということである。そして、本発明によるセンサの寿命は、先行技術のセンサの寿命と比較して、実質的に向上する。
However, the fact that the initial sensitivity of the sensor according to the invention is substantially improved compared to the initial sensitivity of the prior art sensor is also that the lifetime of the sensor according to the invention is compared to the lifetime of the prior art sensor. Means substantially improved. This fact should be apparent to those skilled in the art. Constructed to adsorb and dissociate hydrogen gas molecules on the
したがって、本発明によれば、水素ガス感知半導体センサの寿命を向上させるための上記の手段、すなわち、酸素および他の汚染物質からのガスサンプルの浄化、半導体センサを囲む周囲雰囲気の変更または触媒金属層の触媒特性の変更のための設備の使用のどれも、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命の向上を得るために必要ではない。しかしながら、本発明によるセンサが、かかる手段のいずれかと組み合わされる場合には、さらに寿命の向上を達成できる。 Thus, according to the present invention, the above means for improving the lifetime of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor, namely the purification of a gas sample from oxygen and other contaminants, the change of the ambient atmosphere surrounding the semiconductor sensor or the catalytic metal None of the use of equipment for changing the catalytic properties of the bed is necessary to obtain an improved lifetime of a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor operating on the hydrogen dipole transducer principle. However, further improvements in life can be achieved when the sensor according to the invention is combined with any such means.
本発明によるセンサの用途に依存して、センサの利点は、初期感度の向上、寿命の向上または両方の組み合わせになり得る。 Depending on the application of the sensor according to the invention, the benefits of the sensor can be an increase in initial sensitivity, an increase in lifetime or a combination of both.
さらに、先行技術のセンサおよび本発明によるセンサを、ある使用期間後であるがしかし酸素および/または他の汚染物質が、センサがもはや使用可能ではない程度までそれらのセンサのいずれかの感度を低下させる前に、比較する場合には、水素原子吸着表面部(単複)8において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面4においてまだ自由に水素ガス分子を吸着および解離する箇所の数の比率は、先行技術のセンサにおけるよりも、本発明によるセンサで実質的により高い。そして、ある使用期間後であるがしかし酸素および/または他の汚染物質が、センサがもはや使用可能ではない程度までそれらのセンサのいずれかの感度を低下させる前において、本発明によるセンサは、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、先行技術のセンサよりも、内面7の水素原子吸着表面部(単複)8における実質的により高い双極子密度を提供できる。したがって、ある使用期間後であるがしかしそれらのセンサのいずれかの感度が、センサがもはや使用可能ではない程度まで低下する前において、それらのセンサが比較された場合に、本発明によるセンサは、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
Furthermore, prior art sensors and sensors according to the present invention reduce the sensitivity of any of those sensors to a degree after a period of use but to the extent that oxygen and / or other contaminants are no longer usable. Before comparison, hydrogen gas molecules are still freely adsorbed and dissociated on the
さらに、本発明によるセンサの内面7における全ての水素原子吸着表面部8の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率を変えることによって、所望の初期感度を達成するために初期感度を調整してもよい。
Furthermore, the initial sensitivity is adjusted to achieve the desired initial sensitivity by changing the ratio of the surface area of the
本発明によるセンサの内面7における全ての水素原子吸着表面部8の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率を、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して増加させることは、本発明によるセンサの製造コストが増加することを意味する。これは、以下で明らかになるであろう。製造コストの増加を考慮しても興味をそそるほどほど十分に大きな効果、すなわち初期感度の向上を達成するためは、外面4の表面面積は、本発明によるセンサの内面7における少なくとも1つの水素原子吸着表面部8全体の全表面面積より少なくとも100%大きくなければならない。したがって、本発明による水素ガス感知半導体センサにおいて、外面4の表面面積は、内面7における少なくとも1つの水素原子吸着表面部8全体の全表面面積より少なくとも100%大きい。
It is according to the invention that the ratio of the surface area of the
さらに、増加が大きければ、それだけ初期感度が高い。しかしながら、増加が増えれば、典型的には製造コストが増加する。そして、少なくとも1つの水素原子吸着表面部8全体の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率を選択する場合には、初期感度の向上の利点および製造コストの増加を、互いに比較検討しなければならない。用途によっては、ガスサンプルにおける水素ガス分子の非常に低い濃度を測定できるようにするために、非常に高い初期感度をセンサに付与することが好ましいかまたは必要である。もしそうなら、たとえば、外面4の表面面積は、内面7の少なくとも1つの水素原子吸着表面部8全体の全表面面積より少なくとも500%大きいことが好ましくなり得る。他の用途にとっては、ガスサンプルにおける水素ガス分子の極度に低い濃度を測定できるようにするために、極度に高い初期感度をセンサに付与することが好ましいかまたは必要である。もしそうなら、たとえば、外面4の表面面積は、内面7の少なくとも1つの水素原子吸着表面部8全体の全表面面積より少なくとも5000%大きいことが好ましくなり得る。
Furthermore, the greater the increase, the higher the initial sensitivity. However, as the increase increases, manufacturing costs typically increase. When the ratio of the surface area of the
図3は、本発明によるセンサの第1の実施形態における基本構造の概略断面図を示す。第1の実施形態において、内面7には、1つの水素原子吸着表面部8が含まれ、この表面部8は、絶縁層3にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間に、さらなる構成要素はない。上述のように、本明細書において、用語「水素原子吸着表面部」は、絶縁層3にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着表面部8で吸着され得る。またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着表面部8と絶縁層3との間の界面における水素原子の吸着箇所で吸着され得る。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the basic structure in the first embodiment of the sensor according to the present invention. In the first embodiment, the
さらに、表面拡張構造10が、第1の実施形態の上面5に付与されるが、その構造10は、内面7における水素原子吸着表面部8の表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように構成される。より具体的には、付与される表面拡張構造10は、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも100%大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、付与される表面拡張構造10は、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも500%大きいことを、意味するように調整され、他の用途に対しては、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも5000%大きいように調整される。
Furthermore, the
図3に示す表面拡張構造10の特定の構造は、外面4を幾何学的に拡張するために上面5に付与できる表面拡張構造10の可能な構造の単なる一例である。したがって、第1の実施形態の変形では、表面拡張構造10は別の特定の構造を有し、そして、図3に示す構造とは別の構造が、上面5に付与される。たとえば、表面拡張構造10は、波形であってもよい。表面拡張構造10はまた、不規則であってもよい。
The particular structure of the
表面拡張構造10は、たとえばフォトリソグラフィ法によって上面5に付与してもよく、それにより、パターンが、最初に写真技術によって画定され、その後、エッチング法またはスパッタリング/ブラスティング法によって作製される。
The
表面拡張構造10を上面5に付与する別の方法(図示せず)は、触媒金属層1が最上部の部分層(単複)で多孔性であるようにセンサを設計することであるが、それにより用語「最上部」は、本発明によるセンサの基本構造が図3に示す向きを有する場合に、触媒金属層1における言及した部分層(単複)の位置を示すために用いられる。次に、最上部の部分層(単複)の多孔性は、上面5が表面拡張構造10を付与されていることを意味する。最上部の部分層(単複)の多孔性は、たとえば、エッチング、めっきまたは蒸着によって実現可能である。
Another way (not shown) for applying the
先行技術のセンサおよび本発明の第1の実施形態によるセンサは、本発明の第1の実施形態によるセンサの外面4の表面面積が、表面拡張構造10ゆえに、先行技術のセンサの外面4の表面面積より実質的に大きい点において異なるだけであるが、これらのセンサを比較すると、本発明の第1の実施形態によるセンサは、先行技術のセンサと比較して水素ガス分子の吸着および解離のために構成された箇所を実質的により多く有する。それにより、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度において、初期使用における、先行技術のセンサよりも本発明の第1の実施形態によるセンサによって、実質的により多くの数の水素ガス分子が吸着され解離され得る。これは、次のことを意味する。すなわち、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度において、初期使用における、先行技術のセンサよりも本発明の第1の実施形態によるセンサにおいて、実質的により多くの数の水素原子が、水素原子吸着表面部8の単位面積ごとに吸着され得るということである。その結果として、本発明の第1の実施形態によるセンサの初期感度は、先行技術のセンサの初期感度より実質的に高い。次に、上述により、本発明の第1の実施形態によるセンサの寿命はまた、先行技術のセンサの寿命より実質的に長い。さらに、本発明の第1の実施形態によるセンサは、初期に先行技術のセンサより実質的に高い感度を有するだけではない。先行技術のセンサおよび本発明の第1の実施形態によるセンサが、ある使用期間後であるがしかしセンサがもはや使用可能ではない程度にセンサのいずれかの感度が酸素および他の汚染物質によって低下される前に、比較された場合に、本発明の第1の実施形態によるセンサは、やはり、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
The sensor according to the first embodiment of the invention and the sensor according to the first embodiment of the present invention has a surface area of the
図4aおよび4bは、本発明によるセンサの第2の実施形態における基本構造の概略断面図および概略斜視図をそれぞれ示す。第2の実施形態において、上面5には、第1の実施形態の上面5のようには表面拡張構造10が含まれない。さらに、内面7および外面4の表面面積は、実質的に等しい。第2の実施形態では、内面7には、絶縁層3にもたれるかまたは隣接して配置された1つの水素原子吸着表面部8が含まれる。さらに、内面7には、絶縁層3にもたれるようにも隣接するようにも配置されていない水素原子吸着抑制表面部9が含まれる。
4a and 4b show a schematic cross-sectional view and a schematic perspective view, respectively, of the basic structure in a second embodiment of the sensor according to the invention. In the second embodiment, the upper surface 5 does not include the
本明細書において、用語「水素原子吸着抑制表面部」は、絶縁層3にもたれるようにも隣接するようにも配置されていない表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着抑制表面部9において吸着されないか、または少なくとも実質的に吸着され得ない。水素原子吸着抑制表面部9の全体が、水素原子吸着抑制材料層11にもたれるかまたは隣接して配置されるように、水素原子吸着抑制材料層11が、水素原子吸着抑制表面部9と絶縁層3との間に挟まれる。本明細書において、用語「水素原子吸着抑制材料」は、水素原子の吸着のための箇所を少しもまたはほんのわずかしか含まない材料を指す。水素原子吸着抑制材料層11は、水素原子吸着抑制表面部9における水素原子の吸着を実質的に抑制するか、またはより具体的には、水素原子吸着抑制表面部9と水素原子吸着抑制材料層11との間の界面において、水素原子が吸着されることを実質的に抑制する。したがって、水素原子は、水素原子吸着抑制表面部9において、少しももしくは実質的に少しも吸着され得ないか、またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着抑制表面部9と水素原子吸着抑制材料層11との間の界面において、少しももしくは実質的に少しも吸着され得ない。たとえ水素原子吸着抑制表面部9における水素原子の吸着が完全には抑制されない場合、すなわち実質的にのみ抑制され、そして、少数の水素原子が、水素原子吸着抑制表面部9において吸着可能な場合であっても、それは、水素原子吸着表面部8における水素原子の吸着と比較して、抑制される。それにより、たとえ、少数の水素原子が、水素原子吸着抑制表面部9において吸着可能であっても、それは、本明細書において、水素原子の吸着が抑制されているものとして示される。
In the present specification, the term “hydrogen atom adsorption-suppressing surface portion” refers to a surface portion that is not disposed so as to lean against or be adjacent to the insulating
水素原子吸着抑制材料は、非触媒金属または非触媒合金が好ましい。たとえば、水素原子吸着抑制材料は、アルミニウム、アルミニウム合金またはクロムである。水素原子吸着抑制材料層11の厚さは、0.001〜0.3μmである。
The hydrogen atom adsorption suppressing material is preferably a non-catalytic metal or a non-catalytic alloy. For example, the hydrogen atom adsorption suppressing material is aluminum, an aluminum alloy, or chromium. The thickness of the hydrogen atom adsorption suppressing
本発明によるセンサの第2の実施形態における水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、水素原子吸着表面部8の表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも100%大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それは、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも500%大きくなるように調整され、他の用途に対しては、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも5000%大きくなるように調整される。水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、水素原子吸着抑制表面部9がもたれるかまたは隣接して配置されている水素原子吸着抑制材料層11の表面面積を調整することによって、調整される。
The surface area of the hydrogen atom adsorption suppressing
先行技術のセンサおよび本発明の第2の実施形態によるセンサは、本発明によるセンサの内面7には水素原子吸着抑制表面部9が含まれる点においてのみ異なるが(すなわち、各センサは1つの水素原子吸着表面部8を有し、またこれらのセンサは、たとえば、内面7の等しい表面面積と、外面4の等しい表面面積と、接触フレーム等に隣接して配置された内面7の等しいパーセンテージとを有する)、これらのセンサを比較すると、本発明の第2の実施形態によるセンサの水素原子吸着表面部8は、先行技術のセンサの水素原子吸着表面部8より実質的に小さい。したがって、本発明の第2の実施形態によるセンサは、先行技術のセンサよりも実質的に小さな、内面7の表面面積に、水素原子を吸着するための箇所を有する。そして、たとえ先行技術のセンサおよび本発明の第2の実施形態によるセンサが、外面4の等しい表面面積、およびしたがって、水素ガス分子の吸着および解離のために構成された等しい数の箇所を有しても、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、先行技術のセンサよりも本発明の第2の実施形態によるセンサにおいて、水素双極子の実質的に高い密度を達成できる。その結果として、本発明の第2の実施形態によるセンサの初期感度は、先行技術のセンサの初期感度より実質的に高い。上記によれば、さらにまた、本発明の第2の実施形態によるセンサの寿命は、先行技術センサの寿命より実質的に長い。さらに、本発明の第2の実施形態によるセンサは、初期に、先行技術センサよりも実質的に高い感度を有するだけではない。先行技術のセンサおよび本発明の第1の実施形態によるセンサが、ある使用期間後であるがしかしセンサがもはや使用可能ではない程度にセンサのいずれかの感度が酸素および他の汚染物質によって低下される前に比較された場合に、本発明の第2の実施形態によるセンサは、やはり、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
The prior art sensor and the sensor according to the second embodiment of the present invention differ only in that the
本発明によるセンサの第1および第2の実施形態において、内面7には、1つの水素原子吸着表面部8が含まれる。しかしながら、他の実施形態では、上述のように、内面7には、1を超える水素原子吸着表面部を含んでもよい。
In the first and second embodiments of the sensor according to the present invention, the
図5は、本発明によるセンサの第3の実施形態における基本構造の概略透視図を示すが、この場合、内面7には、絶縁層3にもたれるかまたは隣接して配置された3つの水素原子吸着表面部8と、水素原子吸着抑制材料層11にもたれるかまたは隣接して配置された1つの水素原子吸着抑制表面部9とが含まれる。第3の実施形態において、上面5には、表面拡張構造10が含まれない。さらに、内面7および外面4の表面面積は、実質的に等しい。
FIG. 5 shows a schematic perspective view of the basic structure in a third embodiment of the sensor according to the invention, in which the
第3の実施形態において、水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、全ての水素原子吸着表面部8つまり3つの水素原子吸着表面部8の全表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、外面4の表面面積が内面7の3つの水素原子吸着表面部8の全表面面積より少なくとも100%大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それは、外面4の表面面積が内面7の3つの水素原子吸着表面部8の全表面面積より少なくとも500%大きいように調整され、他の用途に対しては、それは、外面4の表面面積が、内面7の3つの水素原子吸着表面部8の全表面面積より少なくとも5000%大きいように調整される。水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、水素原子吸着抑制表面部9がもたれるかまたは隣接して配置されている水素原子吸着抑制材料層11の表面面積を調整することによって、調整される。
In the third embodiment, the surface area of the hydrogen atom adsorption suppressing
第3の実施形態の変形(図示せず)では、内面7には、第3の実施形態とは別の数の水素原子吸着表面部8が含まれる。内面7は、かかる変形において、任意の適切な数の水素原子吸着表面部8を含んでもよい。
In a modification (not shown) of the third embodiment, the
図6は、本発明によるセンサの第4の実施形態における基本構造の概略断面図を示すが、それは、第1および第2の実施形態の組み合わせである。第4の実施形態において、センサの内面7には、絶縁層3にもたれるかまたは隣接して配置された1つの水素原子吸着表面部8と、水素原子吸着抑制材料層11にもたれるかまたは隣接して配置された1つの水素原子吸着抑制表面部9が含まれる。さらに、上面5は、表面拡張構造10を付与されている。
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a basic structure in a fourth embodiment of a sensor according to the invention, which is a combination of the first and second embodiments. In the fourth embodiment, the
付与された表面拡張構造10、および水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それらは、水素原子吸着表面部8の表面面積に対する、外面4の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、付与された表面拡張構造10、および水素原子吸着抑制表面部9の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それらは、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも100%大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それらは、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも500%大きいように調整され、他の用途に対しては、それらは、外面4の表面面積が内面7の水素原子吸着表面部8の表面面積より少なくとも5000%大きいように調整される。
The
第4の実施形態の変形(図示せず)では、内面7には、第4の実施形態とは別の数の水素原子吸着表面部8が含まれる。かかる変形において、内面7には、任意の適切な数の水素原子吸着表面部8を含んでもよい。
In a modification (not shown) of the fourth embodiment, the
さらに、第2、第3および第4の実施形態において、内面7には1つの水素原子吸着抑制表面部9が含まれる。しかしながら、他の実施形態(図示せず)において、内面7には、1を超える水素原子吸着抑制表面部9を含んでもよい。次に、水素原子吸着抑制材料層11が、各水素原子吸着抑制表面部9と絶縁層3との間に挟まれている。各水素原子吸着抑制表面部9は、水素原子吸着抑制材料層11に隣接して配置されている。内面7に少なくとも2つの水素原子吸着抑制表面部9が含まれ、そして、少なくとも2つの水素原子吸着抑制材料層11が、触媒金属層1と絶縁層3との間に配置されている場合には、少なくとも2つの水素原子吸着抑制材料層11の全ては、同じ水素原子吸着抑制材料か、または水素原子吸着抑制材料層11の少なくとも2つは、異なる水素原子吸着抑制材料であってもよい。さらに、1を超える水素原子吸着抑制表面部9を有する実施形態において、上面5には、表面拡張構造10を付与してもよい。しかしながら、1を超える水素原子吸着抑制表面部9を有するいくつかの実施形態において、上面5は、表面拡張構造10を付与されない。さらに、1を超える水素原子吸着抑制表面部9を有する実施形態は、任意の適切な数の水素原子吸着表面部8を含んでもよい。しかしながら、本発明によるセンサには、もちろん、少なくとも1つの水素原子吸着表面部8が含まれる。
Furthermore, in the second, third, and fourth embodiments, the
したがって、本発明によるセンサには、任意の適切な数の水素原子吸着表面部8および任意の適切な数の水素原子吸着抑制表面部9を含んでもよい。しかしながら、このセンサには、もちろん、少なくとも1つの水素原子吸着表面部8が含まれるのに対して、このセンサには、水素原子吸着抑制表面部9を全く含まないか、または1つまたは複数の水素原子吸着抑制表面部9を含んでもよい。さらに、本発明によるセンサには、表面拡張構造10を付与された上面5と組み合わせて、または表面拡張構造10を付与されない上面5と組み合わせて、任意の適切な数の水素原子吸着表面部8および任意の適切な数の水素原子吸着抑制表面部9を含んでもよい。
Therefore, the sensor according to the present invention may include any appropriate number of hydrogen atom
本発明による水素ガス感知半導体センサは、センサを囲む雰囲気における水素ガスの検出のために利用できる。すなわち、それは、ガスサンプルまたはガスのボリュームサンプルにおける水素ガスの検出のために利用できる。より具体的には、本発明による水素ガス感知半導体センサは、ガスサンプルにおける水素ガス分子の存在の検出および/またはガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の測定のために利用できる。 The hydrogen gas sensing semiconductor sensor according to the present invention can be used for the detection of hydrogen gas in the atmosphere surrounding the sensor. That is, it can be used for the detection of hydrogen gas in a gas sample or gas volume sample. More specifically, the hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention can be used for detecting the presence of hydrogen gas molecules in a gas sample and / or measuring the concentration of hydrogen gas molecules in a gas sample.
本発明による水素ガス感知半導体センサは、たとえば、金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして実現できる。本発明による水素ガス感知半導体センサのいずれの実施形態も、金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして実現できる。金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして、本発明による水素ガス感知半導体センサを実現することは、当業者には明らかなはずである。たとえば、本発明による水素ガス感知半導体センサは、電界効果トランジスタとして実現できる。図7および8は、電界効果トランジスタとして本発明によるセンサのインプリメンテーションの2つの例を示すが、これら2つの例には、本発明によるセンサの異なる実施形態が含まれる。しかしながら、上述によれば、図7および8に示すものとは別の、本発明によるセンサの任意の実施形態を、電界効果トランジスタに含んでもよい。 The hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention can be realized, for example, as a metal-insulator-semiconductor field effect device or a Schottky barrier device. Any embodiment of the hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention can be realized as a metal-insulator-semiconductor field effect device or a Schottky barrier device. It should be apparent to those skilled in the art to realize the hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention as a metal-insulator-semiconductor field effect device or Schottky barrier device. For example, the hydrogen gas sensing semiconductor sensor according to the present invention can be realized as a field effect transistor. FIGS. 7 and 8 show two examples of sensor implementations according to the invention as field effect transistors, but these two examples include different embodiments of sensors according to the invention. However, according to the foregoing, any embodiment of the sensor according to the present invention other than that shown in FIGS. 7 and 8 may be included in the field effect transistor.
図7は、本発明によるセンサの第1の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。トランジスタは、たとえば、p型シリコン半導体12で作製され、そこにn型の2つのシリコン層13を一体化している。絶縁層3は、半導体層12、13に接している。トランジスタには、さらに、ソース電極14、ドレーン電極15およびチャネル16が含まれる。触媒金属層1は、ゲートを構成する。図7に示す基本構造を有するトランジスタが、ガスサンプルにおける水素ガスの検出のために利用される場合には、水素原子は、水素原子吸着表面部8全体で吸着され得るが、実質的にチャネル16の上の水素原子吸着表面部8の部分で吸着された水素原子だけが、センサの特性における電圧シフトに影響する。これは、当業者には明らかなはずであり、ここでさらに説明はしない。「実質的にチャネルの上の水素原子吸着表面部の部分」なる語句における用語「上」は、トランジスタの基本構造が図7に示す向きを有する場合に、水素原子吸着表面部8における部分の位置を示すために用いられる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a basic structure of a field effect transistor including the basic structure in the first embodiment of the sensor according to the present invention. The transistor is made of, for example, a p-
図8は、本発明によるセンサの第4の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。図8に示す基本構造は、内面7に水素原子吸着抑制表面部9がさらに含まれる点で、図7に示す基本構造と異なる。水素原子吸着抑制材料層11が、水素原子吸着抑制表面部9と絶縁層3との間に挟まれている。実質的に2つのシリコン層13の上の、内面7の表面部の主要部分は、水素原子吸着抑制表面部9に含まれる。実質的にチャネル16の上の、内面7の表面部は、水素原子吸着表面部8に含まれる。そして、水素原子は、実質的に2つのシリコン層13の上の、内面7の表面部の主要部分において、吸着されるのを実質的に抑制されるが、しかし実質的にチャネル16の上の、内面7の表面部において吸着され得る。したがって、水素原子は、実質的にチャネル16の上の、内面7の表面部において吸着され得るだけであり、そこでは、吸着された水素原子は、センサの特性における電圧シフトに影響することができる。さらに、実質的に2つのシリコン層13の上の、内面7の表面部の主要部分では、水素原子は実質的に吸着され得ず、そこでは、吸着された水素原子が、センサの特性における電圧シフトに影響することはできない。そして、水素原子がセンサの特性における電圧シフトに影響することができない、内面7の表面部では、水素原子は、少しも「浪費」されない。これは、当業者には明らかなはずであり、ここでさらに説明はしない。用語「上」は、トランジスタの基本構造が図8に示す向きを有する場合に、内面7における部分の位置を示すために用いられる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the basic structure of a field effect transistor including the basic structure in the fourth embodiment of the sensor according to the present invention. The basic structure shown in FIG. 8 is different from the basic structure shown in FIG. 7 in that the
水素ガス感知半導体センサは、水素ガスを用いるシステムにおける漏れ検出器として、テストのためのおよび/または漏れを突き止めるためのトレーサガスとして水素ガスを用いるシステムならびに方法における漏れ検出器として、またはたとえば、水素ガスもしくは水素ガス含有混合物を用いる産業(石油化学工業、電気化学工業、ガス工場など)内で、爆発を防ぐ目的で、水素ガスの存在を示すアラーム検出器として、利用できる。 Hydrogen gas sensitive semiconductor sensors are used as leak detectors in systems that use hydrogen gas, as leak detectors in systems and methods that use hydrogen gas as a tracer gas for testing and / or to locate leaks, or for example, hydrogen In the industry (petrochemical industry, electrochemical industry, gas factory, etc.) using gas or a mixture containing hydrogen gas, it can be used as an alarm detector for indicating the presence of hydrogen gas for the purpose of preventing explosion.
たとえば、本発明による水素ガス感知半導体センサは、プローブ、すなわち、センサにおける触媒金属層の外面と、水素ガス分子の存在または濃度が測定されることになるガスサンプルとの間に接触をもたらすように構成された装置に、含んでもよい。この装置は、センサにおける触媒金属層の外面をガスサンプルと接触させるか、またはガスサンプルをセンサにおける触媒金属層の外面と接触させるように構成できる。たとえば、プローブは、サンプリングユニットであってもよい。本発明による水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出用プローブもまた、本発明の範囲内にある。 For example, a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention provides contact between a probe, ie, the outer surface of a catalytic metal layer in the sensor, and a gas sample in which the presence or concentration of hydrogen gas molecules is to be measured. It may be included in the configured device. The apparatus can be configured to contact the outer surface of the catalytic metal layer in the sensor with the gas sample, or to contact the gas sample with the outer surface of the catalytic metal layer in the sensor. For example, the probe may be a sampling unit. A hydrogen gas detection probe comprising a hydrogen gas sensitive semiconductor sensor according to the present invention is also within the scope of the present invention.
さらに、プローブ(このプローブには本発明によるセンサが含まれる)および測定ユニットを含む水素ガス検出システムもまた、本発明の範囲内にある。次に、水素ガス分子は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいた、プローブにおけるセンサによって感知され、水素ガス分子の検出によるセンサからの信号が、測定ユニットで測定および分析される。測定ユニットは、典型的には検出器と呼ばれ、任意の適切なタイプであってもよい。 Furthermore, a hydrogen gas detection system comprising a probe (which comprises a sensor according to the invention) and a measurement unit is also within the scope of the invention. The hydrogen gas molecules are then sensed by a sensor at the probe based on the hydrogen dipole transducer principle, and the signal from the sensor due to the detection of hydrogen gas molecules is measured and analyzed in a measurement unit. The measurement unit is typically referred to as a detector and may be of any suitable type.
さらに、本発明による水素ガス検出システムにはまた、プローブ(このプローブには本発明によるセンサが含まれる)および測定ユニットに加えて、水素ガス源、ガスコントローラ、ガス圧力調整器、テスト対象用取付具および取付具コントローラの群における装置の少なくとも1つが含まれる。かかるシステムは、トレーサガスとして水素ガスを利用することに基づいて、漏れテストおよび/または漏れ位置特定のために用いてもよい。水素ガス源は、トレーサガス源となるように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。ガスコントローラは、水素ガス源から、テストされる対象への、またはテストされる対象を囲む取付具などの筺体への水素ガスの充填を管理するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。ガス圧力調整器は、ガス源からの出力圧力を制御するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。テスト対象用取付具は、ガスの充填および除去のためにテスト対象に接続されるのと同様に、漏れ口を構成しない他のどの開口部も密閉するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。取付具コントローラは、取付具の接続部および封止部をうまく扱うように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。 Furthermore, the hydrogen gas detection system according to the present invention also includes a probe (which includes the sensor according to the present invention) and a measurement unit, as well as a hydrogen gas source, a gas controller, a gas pressure regulator, and a test object mounting. At least one of the devices in the group of fixtures and fixture controllers is included. Such a system may be used for leak testing and / or leak location based on utilizing hydrogen gas as a tracer gas. The hydrogen gas source is configured to be a tracer gas source and may be of any suitable type. The gas controller is configured to manage the filling of hydrogen gas from a hydrogen gas source into a subject to be tested or into a housing such as a fixture surrounding the subject to be tested, and of any suitable type. May be. The gas pressure regulator is configured to control the output pressure from the gas source and may be of any suitable type. The fixture to be tested is configured to seal any other opening that does not constitute a leak, as well as to any suitable type as it is connected to the test subject for gas filling and removal. It may be. The fixture controller is configured to successfully handle fixture connections and seals and may be of any suitable type.
たとえば、プローブ(このプローブには本発明によるセンサが含まれる)、測定ユニット、水素ガス源、ガスコントローラ、ガス圧力調整器、テスト対象用取付具、および取付具コントローラを含む本発明によるシステムが、漏れ検出のために利用される場合には、漏れテストを受ける対象は、取付具に接続される。取付具コントローラを利用して、取付具の接続部をうまく扱う。続いて、追跡可能な量の水素を含むガスまたはガス混合物が、ガスコントローラによって、ガス源からテスト下のテスト対象の中へ運ばれる。ガス圧力調整器を利用して、ガス源からの出力圧力を制御する。続いて、センサを含むプローブを用い、水素の存在の増加に対して、テスト下の対象を囲む空気を分析する。水素濃度のどんな測定可能な増加も、測定ユニットによって提示され、テストされる対象に存在する漏れの証拠となる。アナログ的な方法では、テスト下の対象の外側で追跡可能なガスまたはガス混合物を管理し、かつ水素の存在の増加に対してテストされる対象の内部で空気を分析することによって、漏出を検出することがまた可能である。 For example, a system according to the present invention comprising a probe (which includes a sensor according to the present invention), a measurement unit, a hydrogen gas source, a gas controller, a gas pressure regulator, a fixture to be tested, and a fixture controller. When used for leak detection, an object undergoing a leak test is connected to a fixture. Use fixture controllers to handle fixture connections well. Subsequently, a gas or gas mixture containing a traceable amount of hydrogen is carried by the gas controller from the gas source into the test object under test. A gas pressure regulator is used to control the output pressure from the gas source. Subsequently, the probe surrounding the sensor is used to analyze the air surrounding the object under test for an increase in the presence of hydrogen. Any measurable increase in hydrogen concentration is presented by the measurement unit and is evidence of a leak present in the object being tested. Analogue methods detect leaks by managing a traceable gas or gas mixture outside the object under test and analyzing the air inside the object being tested for increased presence of hydrogen It is also possible to do.
このように、本発明の基本的で新規な特徴を、本発明の好ましい実施形態に適用して図示し、説明し、指摘したが、図示した装置の形状および詳細ならびにそれらの動作における様々な省略、置き換えおよび変更が、本発明の趣旨から逸脱せずに、当業者によってなされ得ることが理解されよう。たとえば、実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行して同じ結果を達成する要素の全ての組み合わせは、本発明の範囲内であるように、明白に意図されている。さらに、本発明の任意のいずれかの開示された形状または実施形態に関連して図示および/または説明された構造ならびに/または要素が、設計選択の一般的な問題として、任意の他の開示、説明もしくは提案された形状または実施形態に組み込みできることを理解されたい。したがって、本明細書に添付された特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されるように意図されている。 Thus, while the basic and novel features of the present invention have been illustrated, described and pointed out as applied to preferred embodiments of the present invention, the shapes and details of the depicted apparatus and various omissions in their operation have been shown. It will be understood that substitutions and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. For example, all combinations of elements that perform substantially the same function in substantially the same way to achieve the same result are expressly intended to be within the scope of the invention. Further, the structures and / or elements illustrated and / or described in connection with any of the disclosed shapes or embodiments of the present invention are subject to any other disclosure, as a general matter of design choice, It should be understood that it can be incorporated into the description or proposed shape or embodiment. Accordingly, it is intended to be limited only as indicated by the claims appended hereto.
1 触媒金属層
2 半導体層
3 絶縁層
4 外面
5 上面
6 側面
7 内面
8 水素原子吸着表面部
9 水素原子吸着抑制表面部
10 表面拡張構造
11 水素原子吸着抑制材料層
12 p型シリコン半導体
13 n型シリコン層
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 チャネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Catalytic metal layer 2
Claims (20)
前記内面(7)が少なくとも1つの水素原子吸着抑制表面部(9)をさらに含み、そして水素原子吸着抑制材料層(11)が、各水素原子吸着抑制表面部(9)と前記絶縁層(3)との間に挟まれ、そして各水素原子吸着抑制表面部(9)が、水素原子吸着抑制材料層(11)に隣接して配置され、そして前記水素原子吸着抑制材料層(11)の厚さが、0.001〜0.3μmであること、及び
前記外面(4)の表面面積が、前記内面(7)の前記少なくとも1つの水素原子吸着表面部(8)全ての全表面面積より少なくとも100%大きいこと、
を特徴とする水素ガス感知半導体センサ。 A catalyst metal layer (1); a semiconductor layer (2); and an insulating layer (3) disposed between the catalyst metal layer (1) and the semiconductor layer (2). (1) has an outer surface (4) and an inner surface (7), and the outer surface (4) is configured to freely communicate with the surrounding atmosphere , wherein the inner surface (7) is at least one hydrogen atom adsorption surface A hydrogen gas sensing semiconductor sensor comprising a portion (8) and wherein each hydrogen atom adsorption surface portion (8) is disposed adjacent to the insulating layer (3) ,
The inner surface (7) further includes at least one hydrogen atom adsorption suppressing surface portion (9), and the hydrogen atom adsorption suppressing material layer (11) includes each hydrogen atom adsorption suppressing surface portion (9) and the insulating layer (3). And each hydrogen atom adsorption inhibiting surface portion (9) is disposed adjacent to the hydrogen atom adsorption inhibiting material layer (11), and the thickness of the hydrogen atom adsorption inhibiting material layer (11) is Is 0.001 to 0.3 μm, and the surface area of the outer surface (4) is at least more than the total surface area of all the at least one hydrogen atom adsorption surface portion (8) of the inner surface (7). 100% bigger ,
A hydrogen gas sensing semiconductor sensor.
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