JP7352461B2 - Semiconductor gas detection element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体式ガス検知素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor gas sensing element.
ガス検知器に用いられる半導体式ガス検知素子は、たとえば特許文献1に開示されているように、金属酸化物半導体を有するガス感応部を備えている。ガス感応部は、検知対象となるガス(以下、「検知対象ガス」という)が接触すると、検知対象ガスとの間で、酸化還元反応により電子の授受が行なわれて、電気抵抗値が変化する。ガス検知器は、半導体式ガス検知素子におけるこの電気抵抗値の変化を直接または間接的に検出することにより、検知対象ガスを検知することができる。
A semiconductor type gas sensing element used in a gas detector includes a gas sensitive part having a metal oxide semiconductor, as disclosed in
ガス感応部を構成する金属酸化物半導体の主成分としては、特許文献1に開示されるように、酸化スズが用いられることが多い。しかし、酸化スズを主成分とするガス感応部を用いて、検知対象ガスとしてアンモニアガスを検知する場合、アンモニアガスに対する検知感度は、ある程度得られるものの、長期間使用した際の長期安定性などが劣る。それに対して、金属酸化物半導体の主成分として酸化インジウムを用いることにより、長期安定性などの問題は軽減される。
As disclosed in
ところが、酸化インジウム単体で形成したガス感応部は、アンモニアガスよりも、水素ガスなどの干渉ガスの検知感度が高く、干渉ガスに対してアンモニアガスの十分な選択性を得ることが難しい。たとえば、干渉ガスに対する検知感度は、少なくともアンモニアガスに対する検知感度よりも低く抑えることが望ましい。しかし、これまでに、酸化インジウムを主成分とするガス感応部に関して、アンモニアガスの選択性を向上させるための検討がなされてきていないのが実情である。 However, a gas sensitive section formed of indium oxide alone has a higher detection sensitivity for interfering gases such as hydrogen gas than for ammonia gas, and it is difficult to obtain sufficient selectivity for ammonia gas relative to interfering gases. For example, it is desirable to keep the detection sensitivity for interference gas lower than at least the detection sensitivity for ammonia gas. However, the reality is that no study has been made to date to improve the selectivity of ammonia gas with respect to the gas sensing section whose main component is indium oxide.
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、アンモニアガスの選択性を向上させた半導体式ガス検知素子を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor gas detection element with improved selectivity for ammonia gas.
本発明の半導体式ガス検知素子は、アンモニアガス検知用の半導体式ガス検知素子であって、前記半導体式ガス検知素子が、酸化インジウムを主成分とする金属酸化物半導体を含むガス感応部を備え、前記ガス感応部に、バナジウムが添加されていることを特徴とする。 The semiconductor type gas detection element of the present invention is a semiconductor type gas detection element for detecting ammonia gas, wherein the semiconductor type gas detection element includes a gas sensitive part containing a metal oxide semiconductor containing indium oxide as a main component. , characterized in that vanadium is added to the gas sensitive section.
また、前記ガス感応部に、さらにアンチモンが添加されていることが好ましい。 Further, it is preferable that antimony is further added to the gas sensitive portion.
また、前記アンチモンの添加量が、前記酸化インジウム100重量部に対して0.05~2.50重量部であることが好ましい。 Further, it is preferable that the amount of antimony added is 0.05 to 2.50 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
また、前記バナジウムの添加量が、前記酸化インジウム100重量部に対して0.015~0.20重量部であることが好ましい。 Further, the amount of vanadium added is preferably 0.015 to 0.20 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
また、前記金属酸化物半導体が、酸化タングステンをさらに含み、前記酸化タングステンの含有量が、前記酸化インジウム100重量部に対して0.5~5.0重量部であることが好ましい。 Further, it is preferable that the metal oxide semiconductor further contains tungsten oxide, and the content of the tungsten oxide is 0.5 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
また、前記ガス感応部が、触媒活性保護層により被覆されており、前記触媒活性保護層が、金属酸化物半導体を含むことが好ましい。 Further, it is preferable that the gas sensitive part is covered with a catalytically active protective layer, and the catalytically active protective layer contains a metal oxide semiconductor.
本発明によれば、アンモニアガスの選択性を向上させた半導体式ガス検知素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor type gas detection element with improved selectivity for ammonia gas.
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体式ガス検知素子を説明する。ただし、以下に示す実施形態は一例であり、本発明の半導体式ガス検知素子は、以下の例に限定されることはない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A semiconductor gas detection element according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment shown below is an example, and the semiconductor gas sensing element of the present invention is not limited to the following example.
本実施形態の半導体式ガス検知素子は、たとえば大気などの環境雰囲気において、環境雰囲気に含まれるアンモニアガスを検知するためのアンモニアガス検知用として用いられる。半導体式ガス検知素子1は、図1に示されるように、金属酸化物半導体を含むガス感応部2を備える。半導体式ガス検知素子1は、ガス感応部2の表面に吸着した酸素と環境雰囲気中のアンモニアガスとの化学反応に伴ってガス感応部2の抵抗値(または電気伝導度)が変化することを利用して、アンモニアガスを検知する。半導体式ガス検知素子1は、図1に示されるように、任意で、ガス感応部2を被覆する触媒活性保護層3を備えていてもよい。
The semiconductor type gas detection element of this embodiment is used, for example, in an environment such as the atmosphere, for detecting ammonia gas contained in the environment. As shown in FIG. 1, the semiconductor
半導体式ガス検知素子1は、本実施形態では、貴金属製のコイル4をさらに備え、コイル4の周囲にガス感応部2が設けられたコイル型(または熱線型、2端子型)として構成される。コイル4は、本実施形態では、ガス感応部2(および触媒活性保護層3)をアンモニアガスの検知に適した温度に加熱するとともに、ガス感応部2の抵抗値の変化を検知するために用いられる。コイル4は、特に限定されることはなく、半導体式ガス検知素子において一般的に用いられる材質、線径、コイル径、コイル巻数のものが用いられる。半導体式ガス検知素子1は、コイル型とすることで、製造が容易であるとともに、広い濃度範囲のアンモニアガスを検知可能である。ただし、半導体式ガス検知素子は、ガス感応部(および任意で触媒活性保護層)を備えていれば、基板型などであってもよく、コイル型に限定されることはない。
In this embodiment, the semiconductor
半導体式ガス検知素子1は、たとえば、公知のブリッジ回路(図示せず)に組み込まれて、ガス感応部2の表面の吸着酸素と環境雰囲気中のアンモニアガスとの化学反応に伴う抵抗値の変化が検出される。半導体式ガス検知素子1は、ガス感応部2の抵抗値の変化を検出するために、コイル4を介してブリッジ回路に組み込まれる。ブリッジ回路は、半導体式ガス検知素子1における抵抗値の変化によって生じる回路内の電位差の変化を電位差計によって測定して、その電位差の変化をアンモニアガスの検知信号として出力する。ただし、半導体式ガス検知素子1は、ガス感応部2の表面の吸着酸素とアンモニアガスとの化学反応に伴って生じる抵抗値の変化を検出することができれば、ブリッジ回路に限定されることはなく、ブリッジ回路とは異なる回路に組み込まれて使用されてもよい。
The semiconductor
ガス感応部2は、金属酸化物半導体を含み、表面の吸着酸素とアンモニアガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化する部位である。ガス感応部2の金属酸化物半導体は、吸着酸素とアンモニアガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化するものであればよく、特に限定されることはない。本実施形態では、ガス感応部2の金属酸化物半導体は、酸化インジウムを主成分とする。ガス感応部2は、酸化インジウムを主成分とする金属酸化物半導体を含むことにより、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性を向上させることができる。
The gas
ガス感応部2の金属酸化物半導体は、電気抵抗を調整するために、ドナーとして金属元素が添加されていてもよい。添加される金属元素としては、金属酸化物半導体中にドナーとして添加可能であり、金属酸化物半導体の電気抵抗を調整することが可能であれば、特に限定されることはなく、公知のドナー用金属が用いられる。金属酸化物半導体中のドナー金属元素濃度は、要求される電気抵抗に応じて、適宜設定することができる。
A metal element may be added as a donor to the metal oxide semiconductor of the gas
ガス感応部2の金属酸化物半導体に含まれる酸化インジウムは、少なくともガス感応部2内に含まれていればよく、ガス感応部2内における含有形態は特に限定されることはない。ガス感応部2は、たとえば、酸化インジウムの微粉体の集合体として形成することができる。ガス感応部2は、たとえば、公知の方法で作製した酸化インジウムの微粉体を溶媒に混ぜてペースト状にしたものをコイル4の周りに塗布して乾燥することにより形成することができる。
Indium oxide contained in the metal oxide semiconductor of the gas
ガス感応部2の金属酸化物半導体は、酸化タングステンをさらに含んでいてもよい。ガス感応部2は、金属酸化物半導体が酸化タングステンをさらに含むことにより、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性を向上させることができる。酸化タングステンは、酸化インジウムとともにガス感応部2内に含まれていればよく、ガス感応部2内における含有形態は特に限定されることはない。たとえば、酸化インジウムおよび酸化タングステンは、それぞれが微粉体状に形成され、ガス感応部2の全体に亘って互いに混ざり合うように設けられる。ガス感応部2は、たとえば、酸化インジウムの微粉体と酸化タングステンの微粉体とを溶媒に混ぜてペースト状にしたものをコイル4の周りに塗布して乾燥することにより形成することができる。
The metal oxide semiconductor of the gas
ガス感応部2の金属酸化物半導体に含まれる酸化インジウムおよび酸化タングステンの配合比は、特に限定されることはないが、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性を向上させるという観点から、酸化タングステンの含有量は、酸化インジウム100重量部に対して0.5重量部以上であることが好ましく、1.0重量部以上であることがさらに好ましく、1.5重量部以上であることがよりさらに好ましく、2.0重量部以上であることが最も好ましい。また、酸化インジウムの微粉体と酸化タングステンの微粉体とを溶媒に混ぜてペースト状にしてコイル4の周りに塗布する際の塗布性の低下を抑制するという観点から、酸化タングステンの含有量は、酸化インジウム100重量部に対して5.0重量部以下であることが好ましく、4.5重量部以下であることがさらに好ましく、4.0重量部以下であることがよりさらに好ましく、3.5重量部以下であることが最も好ましい。
The blending ratio of indium oxide and tungsten oxide contained in the metal oxide semiconductor of the gas
ガス感応部2には、バナジウムが添加されている。ガス感応部2は、バナジウムが添加されることにより、アンモニアガスを検知する際の干渉ガス(水素ガスなど)に対する検知感度を相対的に低下させて、干渉ガスに対するアンモニアガスの選択性を向上させることができる。バナジウムは、ガス感応部2に添加されていれば、ガス感応部2中での配置は特に限定されることはなく、ガス感応部2の表面に添加されていてもよいし、ガス感応部2の内部に添加されていてもよい。
Vanadium is added to the gas
バナジウムの添加量は、特に限定されることはないが、干渉ガスに対するアンモニアガスの選択性をさらに向上させるという観点から、酸化インジウム100重量部に対して0.015重量部以上であることが好ましく、0.03重量部以上であることがさらに好ましく、0.045重量部以上であることがよりさらに好ましく、0.06重量部以上であることが最も好ましい。また、バナジウムの添加量は、アンモニアガスに対する検知感度の低下を抑制するという観点から、酸化インジウム100重量部に対して0.20重量部以下であることが好ましく、0.16重量部以下であることがさらに好ましく、0.12重量部以下であることがよりさらに好ましく、0.080重量部以下であることが最も好ましい。 The amount of vanadium added is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving the selectivity of ammonia gas to interference gas, it is preferably 0.015 parts by weight or more based on 100 parts by weight of indium oxide. , more preferably 0.03 parts by weight or more, even more preferably 0.045 parts by weight or more, and most preferably 0.06 parts by weight or more. Further, the amount of vanadium added is preferably 0.20 parts by weight or less, and 0.16 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of indium oxide, from the viewpoint of suppressing a decrease in detection sensitivity to ammonia gas. It is even more preferable that the amount is 0.12 parts by weight or less, even more preferably 0.080 parts by weight or less.
ガス感応部2へのバナジウムの添加方法は、ガス感応部2の表面および/または内部にバナジウムを添加することができればよく、特に限定されることはない。たとえば、すでに形成されたガス感応部2に対して、バナジウムを含む溶液を滴下することによって、バナジウムをガス感応部2に添加してもよいし、ガス感応部2を形成する前に、酸化インジウム(および任意で酸化タングステン)の微粉体を、バナジウムを含む溶液中に浸漬することで、バナジウムをガス感応部2に添加してもよい。バナジウムは、バナジウムを含む単体および/または化合物の形態でガス感応部2に添加される。
The method for adding vanadium to the gas
バナジウムを含む溶液としては、バナジウムをガス感応部2に添加することができれば、特に限定されることはなく、たとえばバナジン酸アンモニウム溶液や、クエン酸バナジウム水溶液などのバナジウム有機酸水溶液(バナジウム錯体溶液)などが例示される。
The solution containing vanadium is not particularly limited as long as vanadium can be added to the
ガス感応部2には、さらにアンチモンが添加されていてもよい。ガス感応部2は、さらにアンチモンが添加されることにより、アンモニアガスに対する検知感度を向上させることができるとともに、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性を向上させることができる。アンチモンは、ガス感応部2に添加されていれば、ガス感応部2中での配置は特に限定されることはなく、ガス感応部2の表面に添加されていてもよいし、ガス感応部2の内部に添加されていてもよい。
Antimony may be further added to the gas
アンチモンの添加量は、特に限定されることはないが、アンモニアガスに対する検知感度をさらに向上させ、さらには、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性をさらに向上させるという観点から、酸化インジウム100重量部に対して0.05重量部以上であることが好ましく、0.50重量部以上であることがさらに好ましく、0.80重量部以上であることがよりさらに好ましく、1.00重量部以上であることが最も好ましい。また、アンチモンの添加量は、特に限定されることはないが、ガス感応部2の表面性状を安定させるという観点から、酸化インジウム100重量部に対して2.50重量部以下であることが好ましく、2.00重量部以下であることがさらに好ましく、1.50重量部以下であることがよりさらに好ましく、1.30重量部以下であることが最も好ましい。
The amount of antimony added is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving the detection sensitivity to ammonia gas and further improving the long-term stability of the detection sensitivity to ammonia gas, 100 parts by weight of indium oxide is added. It is preferably 0.05 part by weight or more, more preferably 0.50 part by weight or more, even more preferably 0.80 part by weight or more, and even more preferably 1.00 part by weight. is most preferable. Further, the amount of antimony added is not particularly limited, but from the viewpoint of stabilizing the surface properties of the gas
ガス感応部2へのアンチモンの添加方法は、ガス感応部2の表面および/または内部にアンチモンを添加することができればよく、特に限定されることはない。たとえば、すでに形成されたガス感応部2に、アンチモンを含む溶液を滴下することによって、アンチモンをガス感応部2に添加してもよいし、ガス感応部2を形成する前に、酸化インジウム(および任意で酸化タングステン)の微粉体を、アンチモンを含む溶液中に浸漬することで、アンチモンをガス感応部2に添加してもよい。アンチモンは、アンチモンを含む単体および/または化合物の形態でガス感応部2に添加される。
The method for adding antimony to the gas
アンチモンを含む溶液としては、アンチモンをガス感応部2に添加することができれば、特に限定されることはなく、たとえば酒石酸アンチモン溶液や、クエン酸アンチモン水溶液などのアンチモン有機酸水溶液(アンチモン錯体溶液)などが例示される。
The solution containing antimony is not particularly limited as long as antimony can be added to the gas
図1を再び参照すると、本実施形態の半導体式ガス検知素子1では、上述したように、ガス感応部2が触媒活性保護層3により被覆されている。触媒活性保護層3は、水素ガスなど、アンモニアガス以外の干渉ガスの検知感度を相対的に低下させて、干渉ガスに対してアンモニアガスの選択性を向上させる。触媒活性保護層3は、本実施形態では、金属酸化物半導体を含んでいる。金属酸化物半導体を含む触媒活性保護層3でガス感応部2が少なくとも部分的に被覆されることによりアンモニアガスの選択性が向上するのは、金属酸化物半導体により水素ガスなどの干渉ガスが選択的に燃焼されるなどして、干渉ガスがガス感応部2に到達するのが抑制されて、干渉ガスの検知感度が相対的に低下するからであると考えられる。
Referring again to FIG. 1, in the semiconductor type
触媒活性保護層3には、金属酸化物半導体が、たとえば、微粉体状に形成されて単体として含まれてもよいし、他の金属酸化物の微粉体とともに複合体として含まれていてもよい。触媒活性保護層3は、たとえば、公知の方法で作製した金属酸化物半導体の微粉体を溶媒に混ぜてペースト状にしたものをガス感応部2の周りに塗布して乾燥することにより、あるいは、金属酸化物半導体の微粉体と他の金属酸化物の微粉体を溶媒に混ぜてペースト状にしたものをガス感応部2の周りに塗布して乾燥することにより形成することができる。
In the catalytically active
触媒活性保護層3に含まれる金属酸化物半導体としては、アンモニアガスの選択性を向上させることができる金属酸化物半導体であればよく、特に限定されることはないが、たとえば酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステンなどが例示される。その中でも、アンモニアガスの選択性をより向上させるという観点から、酸化スズが好適に採用される。また、触媒活性保護層3に含まれ得る金属酸化物としては、アルミナ系酸化物やシリカ系酸化物が例示されるが、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性を向上させるという観点から、アルミナが好適に採用される。
The metal oxide semiconductor contained in the catalytically active
金属酸化物半導体は、アンモニアガスの選択性をより向上させるという観点から、たとえば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムおよび白金のいずれか1種以上が添加されることが好ましく、その中でも、アンモニアガスの燃焼を抑える観点でロジウムが好適に採用される。金属酸化物半導体への上記金属の添加は、特に限定されることはなく、公知の方法により添加することができる。たとえば、金属酸化物半導体および添加金属として酸化スズおよびロジウムをそれぞれ採用する場合は、水酸化スズと塩化ロジウムとを反応させて焼成することで、ロジウムが添加された酸化スズの微粉体を形成することができる。 From the viewpoint of further improving the selectivity of ammonia gas, it is preferable that at least one of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum is added to the metal oxide semiconductor, and among these, ammonia gas Rhodium is preferably used from the viewpoint of suppressing gas combustion. Addition of the above-mentioned metal to the metal oxide semiconductor is not particularly limited, and can be added by a known method. For example, when tin oxide and rhodium are used as metal oxide semiconductors and additive metals, tin hydroxide and rhodium chloride are reacted and fired to form fine powder of tin oxide to which rhodium is added. be able to.
酸化スズにロジウムを添加する場合、酸化スズ中のロジウムの添加量は、特に限定されることはないが、アンモニアガスの選択性をより向上させるという観点から、酸化スズ中において0.01~0.4mol%であることが好ましく、0.1~0.3mol%であることがさらに好ましく、0.15~0.25mol%であることがよりさらに好ましく、0.18~0.22mol%であることが最も好ましい。 When adding rhodium to tin oxide, the amount of rhodium added to the tin oxide is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving the selectivity of ammonia gas, the amount of rhodium added in the tin oxide is 0.01 to 0. It is preferably .4 mol%, more preferably 0.1 to 0.3 mol%, even more preferably 0.15 to 0.25 mol%, and even more preferably 0.18 to 0.22 mol%. is most preferable.
触媒活性保護層3に含まれる他の金属酸化物としては、特に限定されることはないが、アルミナ、シリカ、シリカアルミナなどが例示され、アルミナが好適に採用される。アルミナの添加量は、たとえば、ロジウムを含む酸化スズに添加する場合、ロジウムを含む酸化スズ:アルミナが、90wt%:10wt%~99wt%:1wt%となるように選択される。その中でも、アルミナの添加量は、1.5~8wt%が好ましく、2~6wt%がさらに好ましく、2.5~4wt%がよりさらに好ましく、2.7~3.5wt%が最も好ましい。
Other metal oxides contained in the catalytically active
触媒活性保護層3の厚さは、特に限定されることはないが、20~100μmの範囲で適宜選択され、その中でも、30~90μmが好ましく、35~80μmがさらに好ましく、40~70μmがよりさらに好ましく、45~65μmが最も好ましい。
The thickness of the catalytically active
以下において、実施例をもとに本実施形態の半導体式ガス検知素子の優れた効果を説明する。ただし、本発明の半導体式ガス検知素子は、以下の実施例に限定されるものではない。 In the following, the excellent effects of the semiconductor gas sensing element of this embodiment will be explained based on Examples. However, the semiconductor gas sensing element of the present invention is not limited to the following examples.
(半導体式ガス検知素子)
半導体式ガス検知素子として、図1に示される半導体式ガス検知素子1で、触媒活性保護層3を備えるものと、触媒活性保護層3を備えないものを作製した。半導体式ガス検知素子1の各構成要素は、以下の要領で作製した。
(Semiconductor type gas detection element)
As a semiconductor type gas sensing element, two types of semiconductor type
ガス感応部2は、公知の方法で作製した酸化インジウムの微粉体を、または公知の方法で作製した酸化インジウムの微粉体および酸化タングステンの微粉体を、公知の溶媒に混ぜてペースト状にしたものをコイル4の周りに塗布して乾燥させた後、約650℃で焼成することにより略球形状に形成した。酸化タングステンの添加量は、酸化インジウム100重量部に対して、2.0重量部、3.0重量部、5.0重量部とした。ガス感応部2の粒径は、約480μmであった。
The
ガス感応部2は、バナジウムおよび/またはアンチモンを添加しないものと、添加したものを作製した。バナジウムの添加量は、酸化インジウム100重量部に対して、0.018重量部、0.071重量部、0.141重量部とした。アンチモンの添加量は、酸化インジウム100重量部に対して、0.08重量部、0.40重量部、0.81重量部、1.17重量部、2.43重量部とした。バナジウムおよびアンチモンのガス感応部2への添加はそれぞれ、上述した方法で作製したガス感応部2にバナジン酸アンモニウム溶液および酒石酸アンチモン溶液をそれぞれ滴下して乾燥させた後、約650℃で焼成することにより行なった。
The gas
触媒活性保護層3は、水酸化スズと塩化ロジウムとを反応させて焼成することでロジウム含有酸化スズの微粉体を作成し、アルミナの微粉体と混合し、公知の溶媒に混ぜてペースト状にしたものをガス感応部2上に塗布して乾燥させた後、約650℃で焼成することにより形成した。酸化スズに含まれるロジウムの添加量は、0.2mol%で、ロジウムを含む酸化スズに対するアルミナの添加量は、3wt%であった。触媒活性保護層3の膜厚は、約60μmであった。
The catalytically active
(半導体式ガス検知素子のセンサ出力の測定)
作製した半導体式ガス検知素子を公知のブリッジ回路に組み込んで、アンモニアガスおよび水素ガスが含まれない大気環境において、または、所定濃度のアンモニアガスもしくは水素ガスが含まれる大気環境において、半導体式ガス検知素子から出力されるセンサ出力(ブリッジ回路内で生じる電位差)を測定した。アンモニアガスのガス濃度は、10ppm、25ppm、50ppm、100ppmとし、水素ガスのガス濃度は、50ppm、100ppmとした。測定時の半導体式ガス検知素子の温度は、約500℃とした。
(Measurement of sensor output of semiconductor gas detection element)
By incorporating the fabricated semiconductor gas detection element into a known bridge circuit, semiconductor gas detection can be performed in an atmospheric environment that does not contain ammonia gas or hydrogen gas, or in an atmospheric environment that contains ammonia gas or hydrogen gas at a predetermined concentration. The sensor output (potential difference generated within the bridge circuit) output from the element was measured. The gas concentrations of ammonia gas were 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, and 100 ppm, and the gas concentrations of hydrogen gas were 50 ppm and 100 ppm. The temperature of the semiconductor gas sensing element during measurement was approximately 500°C.
(アンモニアガスの選択性)
図2A~図2Cは、触媒活性保護層が設けられていない半導体式ガス検知素子について、ガス感応部に添加されるバナジウムの添加量に応じて、アンモニアガス(25ppm、100ppm)から得られるセンサ出力に対する水素ガス(100ppm)から得られるセンサ出力の比(水素ガス/アンモニアガス)がどのように変化するかを示している。図2A、図2Bおよび図2Cはそれぞれ、酸化インジウム100重量部に対する酸化タングステンの添加量が0重量部、3.0重量部および5.0重量部の場合を示し、各図中の左から順に、酸化インジウム100重量部に対するアンチモンの添加量が0重量部、0.08重量部、1.17重量部、2.43重量部の場合を示している。
(Selectivity of ammonia gas)
FIGS. 2A to 2C show sensor outputs obtained from ammonia gas (25 ppm, 100 ppm) depending on the amount of vanadium added to the gas sensitive part for a semiconductor gas sensing element that is not provided with a catalytically active protective layer. It shows how the ratio of sensor output obtained from hydrogen gas (100 ppm) to hydrogen gas (hydrogen gas/ammonia gas) changes. 2A, FIG. 2B, and FIG. 2C show cases where the amount of tungsten oxide added to 100 parts by weight of indium oxide is 0 parts by weight, 3.0 parts by weight, and 5.0 parts by weight, respectively. , cases in which the amount of antimony added to 100 parts by weight of indium oxide are 0 parts by weight, 0.08 parts by weight, 1.17 parts by weight, and 2.43 parts by weight are shown.
図2A~図2Cを参照すると、アンチモンおよび酸化タングステンがいずれの添加量であっても、感応部にバナジウムを添加することで、アンモニアガスから得られるセンサ出力に対する水素ガスから得られるセンサ出力の比が低下している。このことから、ガス感応部にバナジウムを添加することにより、水素ガスに対してアンモニアガスの選択性が向上することが分かる。 Referring to FIGS. 2A to 2C, no matter what amount of antimony or tungsten oxide is added, by adding vanadium to the sensitive part, the ratio of the sensor output obtained from hydrogen gas to the sensor output obtained from ammonia gas is is decreasing. From this, it can be seen that by adding vanadium to the gas sensitive part, the selectivity of ammonia gas with respect to hydrogen gas is improved.
(アンモニアガスに対する検知感度)
図3A~図3Cは、触媒活性保護層が設けられていない半導体式ガス検知素子について、ガス感応部に添加されるアンチモンの添加量に応じて、アンモニアガス(25ppm、100ppm)から得られる半導体式ガス検知素子のセンサ出力がどのように変化するかを示している。図3A、図3Bおよび図3Cはそれぞれ、酸化インジウム100重量部に対する酸化タングステンの添加量が0重量部、3.0重量部および5.0重量部の場合を示し、各図中の左から順に、酸化インジウム100重量部に対するバナジウムの添加量が0重量部、0.018重量部、0.071重量部、0.141重量部の場合を示している。
(Detection sensitivity for ammonia gas)
FIGS. 3A to 3C show semiconductor gas detection elements obtained from ammonia gas (25 ppm, 100 ppm) depending on the amount of antimony added to the gas sensitive part for semiconductor gas sensing elements that are not provided with a catalytically active protective layer. It shows how the sensor output of the gas detection element changes. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C show cases where the amount of tungsten oxide added to 100 parts by weight of indium oxide is 0 parts by weight, 3.0 parts by weight, and 5.0 parts by weight, respectively. , cases in which the amount of vanadium added to 100 parts by weight of indium oxide are 0 parts by weight, 0.018 parts by weight, 0.071 parts by weight, and 0.141 parts by weight are shown.
図3A~図3Cを参照すると、バナジウムおよび酸化タングステンがいずれの添加量であっても、感応部にアンチモンを添加することで、アンモニアガスから得られるセンサ出力が増加している。このことから、ガス感応部にアンチモンを添加することにより、アンモニアガスに対する検知感度が向上することが分かる。そして、少なくともバナジウムがガス感応部に添加されている場合には、バナジウムおよび酸化タングステンがいずれの添加量であっても、アンチモンの添加量が増加するに従って、アンモニアガスから得られるセンサ出力が増加している。このことから、アンモニアガスに対する検知感度をさらに向上させるという観点から、アンチモンの添加量が多い方が好ましいことが分かる。 Referring to FIGS. 3A to 3C, regardless of the amount of vanadium or tungsten oxide added, adding antimony to the sensitive portion increases the sensor output obtained from ammonia gas. From this, it can be seen that the detection sensitivity to ammonia gas is improved by adding antimony to the gas sensitive part. At least when vanadium is added to the gas sensitive part, the sensor output obtained from ammonia gas increases as the amount of antimony increases, regardless of the amount of vanadium or tungsten oxide added. ing. From this, it can be seen that from the viewpoint of further improving the detection sensitivity to ammonia gas, it is preferable to add a large amount of antimony.
図4A~図4Cは、触媒活性保護層が設けられていない半導体式ガス検知素子について、ガス感応部に添加されるバナジウムの添加量に応じて、アンモニアガス(25ppm、100ppm)から得られる半導体式ガス検知素子のセンサ出力がどのように変化するかを示している。図4A、図4Bおよび図4Cはそれぞれ、酸化インジウム100重量部に対する酸化タングステンの量が0重量部、3.0重量部および5.0重量部の場合を示し、各図中の左から順に、酸化インジウム100重量部に対するアンチモンの添加量が0重量部、0.08重量部、1.17重量部、2.43重量部の場合を示している。 FIGS. 4A to 4C show semiconductor gas sensing elements obtained from ammonia gas (25 ppm, 100 ppm) depending on the amount of vanadium added to the gas sensitive part for semiconductor gas sensing elements that are not provided with a catalytically active protective layer. It shows how the sensor output of the gas detection element changes. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C respectively show cases where the amount of tungsten oxide is 0 parts by weight, 3.0 parts by weight, and 5.0 parts by weight with respect to 100 parts by weight of indium oxide, and in order from the left in each figure, The cases in which the amounts of antimony added to 100 parts by weight of indium oxide are 0 parts by weight, 0.08 parts by weight, 1.17 parts by weight, and 2.43 parts by weight are shown.
図4Aを参照すると、感応部に酸化タングステンが添加されていない場合には、アンチモンがいずれの添加量であっても、バナジウムの添加によって、アンモニアガスから得られるセンサ出力が増加するものの、バナジウムの添加量が少ない方が、アンモニアガスから得られるセンサ出力が高い。同様の傾向が、図4B(酸化タングステン:3.0重量部)および図4C(酸化タングステン:5.0重量部)におけるアンチモン添加量が1.17重量部および2.43重量部の結果においても見られている。その一方で、図4B(酸化タングステン:3.0重量部)および図4C(酸化タングステン:5.0重量部)におけるアンチモン添加量が0重量部および0.08重量部の結果を参照すると、バナジウムの添加量の全範囲に亘って、バナジウムの添加量が少ない方が、アンモニアガスから得られるセンサ出力が高い。このことから、アンモニアガスに対する検知感度の低下を抑制するという観点から、バナジウムの添加量が少ない方が好ましいことが分かる。 Referring to FIG. 4A, when tungsten oxide is not added to the sensitive part, the addition of vanadium increases the sensor output obtained from ammonia gas, regardless of the amount of antimony added. The smaller the amount added, the higher the sensor output obtained from ammonia gas. A similar tendency was observed in the results when the amount of antimony added was 1.17 parts by weight and 2.43 parts by weight in Figure 4B (tungsten oxide: 3.0 parts by weight) and Figure 4C (tungsten oxide: 5.0 parts by weight). It has been seen. On the other hand, referring to the results when the amount of antimony added is 0 part by weight and 0.08 part by weight in FIG. 4B (tungsten oxide: 3.0 parts by weight) and FIG. 4C (tungsten oxide: 5.0 parts by weight), vanadium Over the entire range of the amount of vanadium added, the smaller the amount of vanadium added, the higher the sensor output obtained from the ammonia gas. From this, it can be seen that from the viewpoint of suppressing a decrease in detection sensitivity to ammonia gas, it is preferable to add a small amount of vanadium.
(アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性)
図5は、触媒活性保護層が設けられていない半導体式ガス検知素子について、所定の環境下におけるセンサ出力の経時変化を調べた結果を示している。このときの経時環境は、アンモニアガスおよび水素ガスが含まれない大気環境、25ppm、50ppmおよび100ppmのそれぞれの濃度のアンモニアガスが含まれる大気環境、ならびに100ppmの濃度の水素ガスが含まれる大気環境とした。また、半導体式ガス検知器は、各環境下において通電状態(約500℃)で放置した。図5の上段および下段はそれぞれ、酸化インジウム100重量部に対する酸化タングステンの添加量が0重量部および2.0重量部の場合を示し、図5の左列および右列はそれぞれ、酸化インジウム100重量部に対するアンチモンの添加量が0.40重量部、0.81重量部の場合を示している。バナジウムの添加量は、いずれも、酸化インジウム100重量部に対して0.071重量部とした。
(Long-term stability of detection sensitivity for ammonia gas)
FIG. 5 shows the results of examining changes in sensor output over time under a predetermined environment for a semiconductor gas sensing element that is not provided with a catalytically active protective layer. The temporal environments at this time include an atmospheric environment that does not contain ammonia gas and hydrogen gas, an atmospheric environment that contains ammonia gas at concentrations of 25 ppm, 50 ppm, and 100 ppm, and an atmospheric environment that contains hydrogen gas at a concentration of 100 ppm. did. Further, the semiconductor type gas detector was left in an energized state (approximately 500° C.) under each environment. The upper and lower rows of FIG. 5 show cases where the amount of tungsten oxide added to 100 parts by weight of indium oxide is 0 parts by weight and 2.0 parts by weight, respectively, and the left and right columns of FIG. The case where the amount of antimony added per part is 0.40 part by weight and 0.81 part by weight. The amount of vanadium added was 0.071 parts by weight based on 100 parts by weight of indium oxide.
図5の上段の左側のグラフ(酸化タングステン:0重量部、アンチモン:0.40重量部)を参照すると、いずれの環境下においても、日数が経過するにしたがってセンサ出力がわずかに低下している。それに対して、図5の上段の右側のグラフ(酸化タングステン:0重量部、アンチモン:0.81重量部)では、経過日数に対するセンサ出力の変化の傾きが小さくなっている。このことから、ガス感応部に添加するアンチモンの添加量を増やすことによって、センサ出力の経時変化が小さくなって、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性が向上することが分かる。この傾向は、図5の下段(酸化タングステン:2.0重量部)においても見られている。 Referring to the graph on the left side of the upper row of Figure 5 (tungsten oxide: 0 parts by weight, antimony: 0.40 parts by weight), the sensor output decreases slightly as the number of days passes under any environment. . On the other hand, in the upper right graph of FIG. 5 (tungsten oxide: 0 part by weight, antimony: 0.81 part by weight), the slope of the change in sensor output with respect to the number of days that has passed is small. From this, it can be seen that by increasing the amount of antimony added to the gas sensitive part, the change over time in the sensor output is reduced, and the long-term stability of the detection sensitivity to ammonia gas is improved. This tendency is also seen in the lower row of FIG. 5 (tungsten oxide: 2.0 parts by weight).
また、図5の上段のグラフ(酸化タングステン:0重量部)と下段のグラフ(酸化タングステン:2.0重量部)とを比較すると、上段のグラフよりも下段のグラフの方が、経過日数に対するセンサ出力の変化の傾きが小さくなっている。このことから、ガス感応部に酸化タングステンを添加することによって、センサ出力の経時変化が小さくなって、アンモニアガスに対する検知感度の長期安定性が向上することが分かる。 Furthermore, when comparing the upper graph (tungsten oxide: 0 parts by weight) and the lower graph (tungsten oxide: 2.0 parts by weight) in Figure 5, the lower graph shows a better relationship to the number of elapsed days than the upper graph. The slope of the change in sensor output has become smaller. From this, it can be seen that by adding tungsten oxide to the gas sensitive part, the change in sensor output over time is reduced, and the long-term stability of detection sensitivity to ammonia gas is improved.
(ガス感応部への触媒活性保護層の被覆効果)
図6は、触媒活性保護層の有無の違いによる、アンモニアガスおよび水素ガスのそれぞれに対する半導体式ガス検知素子のセンサ出力の違いを示している。このとき使用した半導体式ガス検知器におけるガス感応部は、酸化タングステンの添加量が、酸化インジウム100重量部に対して3.0重量部で、アンチモンの添加量が、酸化インジウム100重量部に対して1.17重量部で、バナジウムの添加量が、酸化インジウム100重量部に対して0.071重量部であった。図6を参照すると、触媒活性保護層が無い場合(図6(a))と比べて、触媒活性保護層がある場合(図6(b))では、アンモニアガスに対するセンサ出力はほぼ同じであるのに対して、水素ガスに対するセンサ出力は大きく低下している。このことから、ガス感応部を触媒活性保護層で被覆することにより、干渉ガスである水素ガスに対する検知感度が低下して、干渉ガスに対するアンモニアガスの選択性が向上することが分かる。
(Covering effect of catalytically active protective layer on gas sensitive part)
FIG. 6 shows the difference in sensor output of the semiconductor gas detection element for ammonia gas and hydrogen gas, depending on the presence or absence of the catalytically active protective layer. In the gas sensitive part of the semiconductor gas detector used at this time, the amount of tungsten oxide added was 3.0 parts by weight per 100 parts by weight of indium oxide, and the amount of antimony added was 3.0 parts by weight per 100 parts by weight of indium oxide. The amount of vanadium added was 1.17 parts by weight, and the amount of vanadium added was 0.071 parts by weight based on 100 parts by weight of indium oxide. Referring to FIG. 6, the sensor output for ammonia gas is almost the same when there is a catalytically active protective layer (FIG. 6(b)) compared to when there is no catalytically active protective layer (FIG. 6(a)). On the other hand, the sensor output for hydrogen gas has decreased significantly. This shows that by covering the gas sensitive portion with the catalytically active protective layer, the detection sensitivity to hydrogen gas, which is an interfering gas, is reduced, and the selectivity of ammonia gas to the interfering gas is improved.
1 半導体式ガス検知素子
2 ガス感応部
3 触媒活性保護層
4 コイル
1 Semiconductor type
Claims (7)
前記半導体式ガス検知素子が、酸化インジウムを主成分とする金属酸化物半導体を含むガス感応部を備え、
前記ガス感応部に、前記金属酸化物半導体に添加され得るドナー用金属とは別に、バナジウムおよびアンチモンが添加されている、
半導体式ガス検知素子。 A semiconductor gas detection element for detecting ammonia gas,
The semiconductor type gas sensing element includes a gas sensitive part containing a metal oxide semiconductor containing indium oxide as a main component,
Vanadium and antimony are added to the gas sensitive portion in addition to the donor metal that may be added to the metal oxide semiconductor .
Semiconductor type gas detection element.
前記半導体式ガス検知素子が、酸化インジウムを主成分とする金属酸化物半導体を含むガス感応部を備え、The semiconductor type gas sensing element includes a gas sensitive part containing a metal oxide semiconductor containing indium oxide as a main component,
前記ガス感応部に、バナジウムが添加され、Vanadium is added to the gas sensitive part,
前記ガス感応部が、前記金属酸化物半導体として、酸化インジウムとは別に、酸化タングステンを含む、The gas sensitive portion includes tungsten oxide in addition to indium oxide as the metal oxide semiconductor.
半導体式ガス検知素子。Semiconductor type gas detection element.
請求項2に記載の半導体式ガス検知素子。 Antimony is further added to the gas sensitive part.
The semiconductor gas sensing element according to claim 2 .
請求項1または3に記載の半導体式ガス検知素子。 The amount of antimony added is 0.05 to 2.50 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
The semiconductor gas sensing element according to claim 1 or 3 .
請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体式ガス検知素子。 The amount of vanadium added is 0.015 to 0.20 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
The semiconductor gas sensing element according to any one of claims 1 to 4 .
前記酸化タングステンの含有量が、前記酸化インジウム100重量部に対して0.5~5.0重量部である、
請求項1に記載の半導体式ガス検知素子。 the metal oxide semiconductor further includes tungsten oxide,
The content of the tungsten oxide is 0.5 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the indium oxide.
The semiconductor gas sensing element according to claim 1 .
前記触媒活性保護層が、金属酸化物半導体を含む、
請求項1~6のいずれか1項に記載の半導体式ガス検知素子。 the gas sensitive part is covered with a catalytically active protective layer,
the catalytically active protective layer comprises a metal oxide semiconductor;
The semiconductor gas sensing element according to any one of claims 1 to 6 .
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