JPH07198651A - Thin film type gas sensor - Google Patents

Thin film type gas sensor

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Publication number
JPH07198651A
JPH07198651A JP35111993A JP35111993A JPH07198651A JP H07198651 A JPH07198651 A JP H07198651A JP 35111993 A JP35111993 A JP 35111993A JP 35111993 A JP35111993 A JP 35111993A JP H07198651 A JPH07198651 A JP H07198651A
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JP
Japan
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gas
thin film
gas sensor
sensor
sno
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Application number
JP35111993A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Kunimoto
晃 国元
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Publication of JPH07198651A publication Critical patent/JPH07198651A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a thin film type gas sensor which can be easily manufactured, having an uniform quality, and which has not only an enhanced alcohol sensitivity but also an enhanced hydrogen sensitivity. CONSTITUTION:A thin film type gas sensor comprises an electrically insulative substrate 1, a pair of electrodes 2a, 2b formed on one surface of the substrate 1, a gas sensing SnO2 film 3 with which the electrodes 2a, 2b are covered, a heater 4 electrically insulated from the electrodes and the gas sensing film on the substrate 1, and more than one element of Sc, Y, La and Al and more than one element of Pt, Pd, Rh, Ir, Au and Ag, which are substantially uniformly dispersed in the gas sensing film.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は薄膜ガスセンサーに関
し、特にアルコールと水素に対する感応性がともに良好
な薄膜ガスセンサーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film gas sensor, and more particularly to a thin film gas sensor which has good sensitivity to alcohol and hydrogen.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】n型酸
化物半導体であるSnO2 を主成分とする金属酸化物
は、還元性ガス検知用センサー材料として広く用いられ
る。SnO2 単体では一般的な還元性ガスに対してほぼ
すべて感度を有しているため、従来より貴金属触媒の添
加や表面修飾などによる選択性改善の努力がなされてき
た。従来、その選択性改善の主な改善対象はアルコール
ガスであり、いかにアルコールに不感なセンサーを作る
かに注力されてきた。
2. Description of the Related Art Metal oxides containing SnO 2 which is an n-type oxide semiconductor as a main component are widely used as sensor materials for detecting reducing gas. Since SnO 2 simple substance has almost all sensitivity to a general reducing gas, efforts have been made to improve the selectivity by adding a noble metal catalyst or surface modification. Conventionally, the main target of improvement in the selectivity is alcohol gas, and the focus has been on how to make a sensor that is insensitive to alcohol.

【0003】アルコールガスは、一般環境のなかで最も
多くの存在場面があり、また、人間、植物自体からも発
散しており、バックグランドガスとして常に存在し得
る。しかし、最近空調分野において空気の汚れに対する
意識が高まってきており、居室空間でのアルコールガス
検知は空気の汚れの指標として見直されてきた。人間自
体の生態活動において発散するアルコール量が、空気よ
ごれ、特に人間の発する炭酸ガス量と強い相関を有する
ことがわかってきたからである。その意味でのアルコー
ルセンサー(アルコールにだけ高い感度を有する)は、
有力な空調センサーの一つと考えられる。
Alcohol gas is most often present in the general environment, is also emitted from humans and plants themselves, and can always be present as background gas. However, in recent years, awareness of air pollution has increased in the air conditioning field, and the detection of alcohol gas in a living room has been reviewed as an index of air pollution. This is because it has been found that the amount of alcohol emitted during human ecological activity has a strong correlation with the amount of air pollution, particularly the amount of carbon dioxide emitted by humans. In that sense, an alcohol sensor (having high sensitivity only to alcohol)
It is considered to be one of the leading air conditioning sensors.

【0004】居室空間でもう一つ大きな空気汚れとなる
のがタバコである。タバコを吸うときに発生する煙の主
成分は、水素と二酸化炭素であることから、タバコの検
知センサーとして、水素センサーを用いることができ
る。従って、空気汚れを検知するには、水素センサーに
よるタバコ検知及びアルコールセンサーによる間接的な
炭酸ガス(人の存在自体による空気汚れ)検知が要求さ
れる。
Cigarettes are another major source of air pollution in the living space. Since hydrogen and carbon dioxide are the main components of smoke generated when smoking a cigarette, a hydrogen sensor can be used as a cigarette detection sensor. Therefore, in order to detect air pollution, it is necessary to detect tobacco by a hydrogen sensor and indirectly detect carbon dioxide gas (air pollution due to the presence of a person) by an alcohol sensor.

【0005】一方、他のガスセンサー、例えば、一酸化
炭素、メタンセンサー警報器を使用する場合、通常アル
コール、水素の干渉を受けるため、バックグランドとし
ての水素、アルコールを高感度に検知する必要がある。
つまり、アルコール、水素を同時に高感度で検知するセ
ンサーがあれば、空気汚れを検知することができ、ま
た、他のガスの警報器の誤動作防止用のバックグランド
検知を行うことが可能となる。
On the other hand, when another gas sensor, for example, a carbon monoxide or methane sensor alarm is used, it is usually affected by alcohol and hydrogen, so that it is necessary to detect hydrogen and alcohol as background with high sensitivity. is there.
In other words, if there is a sensor that can detect alcohol and hydrogen at the same time with high sensitivity, it is possible to detect air pollution and also to perform background detection for preventing malfunction of an alarm device for another gas.

【0006】従来から、アルコール感度を高めたアルコ
ールセンサーの開発が行われてきた。その中でSnO2
にPt、Pd等の貴金属触媒を添加したものが報告されてい
る。この製法では、粉末SnO2 と有機あるいは無機バ
インダーを混ぜ、ペースト状にしたものを焼き固めたい
わゆるバルク型センサーを作成し、これを塩化白金酸
(H2 PtCl6 )等の水溶液に浸し、あるいはペース
と状態で混入させ、焼成したものが一般的である。
Alcohol sensors having enhanced alcohol sensitivity have been developed so far. Among them, SnO 2
It has been reported that a noble metal catalyst such as Pt or Pd is added to. In this manufacturing method, powder SnO 2 and an organic or inorganic binder are mixed, and a so-called bulk type sensor is prepared by baking and solidifying the paste, which is immersed in an aqueous solution of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) or the like, or It is generally mixed and baked at a pace and in a state.

【0007】一方、La2 3 、CaO等の塩基性酸化
物をSnO2 に添加してエタノールの感度を改善する方
法も提案されている。エタノールの分解反応において、
脱水素反応が塩基性物質により促進され、逆に脱水反応
は酸性酸化物により促進されると言われている。より大
きな感度をSnO2 センサーに与えるのは、脱水素反応
の生成物であることから、La2 3 、CaO等の塩基
性酸化物の添加がアルコール感度の増大に効果的とされ
ている。一般的には、これらの塩基性酸化物はLa2
3 、CaO等の酸化物状態でSnO2 粉末上に担持され
なければならない。また、上記Pt、Pd等の貴金属触媒あ
るいはLa2 3 、CaO等の塩基性酸化物触媒の添加
によるアルコール感度の改善は、粉末SnO2 材料を使
用することを前提となる。
On the other hand, a method has also been proposed in which a basic oxide such as La 2 O 3 or CaO is added to SnO 2 to improve the sensitivity of ethanol. In the decomposition reaction of ethanol,
It is said that the dehydrogenation reaction is promoted by the basic substance, while the dehydration reaction is accelerated by the acidic oxide. Since it is the product of the dehydrogenation reaction that gives greater sensitivity to the SnO 2 sensor, the addition of basic oxides such as La 2 O 3 and CaO is said to be effective in increasing the alcohol sensitivity. Generally, these basic oxides are La 2 O.
3 , Oxide such as CaO must be supported on the SnO 2 powder. Further, the improvement of the alcohol sensitivity by the addition of the noble metal catalyst such as Pt and Pd or the basic oxide catalyst such as La 2 O 3 and CaO is premised on the use of powder SnO 2 material.

【0008】近年ガスセンサーの感ガス体(SnO2
自体の薄膜化が盛んに研究、開発されてきている。これ
は薄膜化によって素子の小型化、量産化向上、ばらつき
歩留まりの向上、ガス感度、応答性の向上が見込まれる
からである。しかし、前述したようなアルコール感度向
上策は、原理上センサーの薄膜化を困難にする。
In recent years, the gas-sensitive body (SnO 2 ) of gas sensors
Research and development of thinning itself has been actively conducted. This is because the thinning of the device is expected to reduce the size of the device, improve mass production, improve the variation yield, improve gas sensitivity, and improve responsiveness. However, the above-described measures for improving the alcohol sensitivity make it difficult in principle to make the sensor thin.

【0009】すなわち、気相成膜法において、貴金属元
素、あるいは、塩基性酸化物をSnO2 粒子表面に担持
するには、SnO2 膜上に貴金属元素、あるいは塩基性
酸化物を積層しなければならない。図6に触媒層をガス
感応膜上に積層した構造の薄膜ガスセンサーの断面構造
を示す。また、図7には、同様な構造であって、触媒層
が島状にガス感応膜上に分散担持されている構造を示
す。このような触媒添加方法は、従来より数多く提案さ
れてきている。しかし、この積層構造は単に積層してや
ればよいということでなく、数10オングストロームの精
度で極薄に形成してやらなければ、触媒効果の制御が困
難になる。また、これを成膜装置上で制御するには相当
な困難が伴い、もし可能だとしても製品の歩留りが大幅
に低下してしまう。また、単にSnO2 表面上に触媒元
素を担持しても、担持状態が不安定であり、触媒作用の
長期安定性を確保しがたい。
That is, in the vapor phase film forming method, in order to support the noble metal element or the basic oxide on the surface of the SnO 2 particle, the noble metal element or the basic oxide must be laminated on the SnO 2 film. I won't. FIG. 6 shows a cross-sectional structure of a thin film gas sensor having a structure in which a catalyst layer is laminated on a gas sensitive film. Further, FIG. 7 shows a similar structure, in which the catalyst layers are dispersed and carried in the form of islands on the gas sensitive membrane. Many such catalyst addition methods have been proposed in the past. However, this laminated structure does not mean that it is only necessary to stack the layers, and it is difficult to control the catalytic effect unless it is formed extremely thin with an accuracy of several tens of angstroms. Further, it is considerably difficult to control this on the film forming apparatus, and even if it is possible, the yield of the product is significantly reduced. Further, even if the catalytic element is simply supported on the SnO 2 surface, the supported state is unstable, and it is difficult to secure the long-term stability of the catalytic action.

【0010】本願の発明者は、すでに薄膜化できる水素
センサを提案し、貴金属元素をガス感応膜中に添加する
ことによって水素に対する感度を増加できることを見い
だした(特願平4−136270)。しかし、アルコー
ルに対する感度を同時に高くしたセンサーの例はまだ開
示されていない。
The inventor of the present application has already proposed a hydrogen sensor that can be made into a thin film and found that the sensitivity to hydrogen can be increased by adding a noble metal element to the gas sensitive film (Japanese Patent Application No. 4-136270). However, an example of a sensor that simultaneously increases the sensitivity to alcohol has not been disclosed yet.

【0011】従って、本発明の目的は、このような問題
を解消したガスセンサーを提供することであり、特に製
造が容易で、かつ製品特性のばらつきが少なく、また、
単にアルコール感度のみでなく、同時に水素感度をも維
持、向上させた薄膜ガスセンサーを提供することであ
る。
Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor that solves such a problem, and is particularly easy to manufacture and has less variation in product characteristics.
It is an object of the present invention to provide a thin-film gas sensor that maintains and improves not only the alcohol sensitivity but also the hydrogen sensitivity.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、以下のことを発見した。
As a result of earnest research in view of the above object, the present inventor has found out the following.

【0013】(1) 触媒元素として貴金属元素を用いるこ
とにより、水素感度を増大できる。その中で、Pd触媒
を用いたセンサーの場合、アルコール感度は若干低下す
るが、硫化水素による被毒がなくなり、出力の安定した
ガスセンサーが得られる。
(1) Hydrogen sensitivity can be increased by using a noble metal element as a catalyst element. Among them, in the case of a sensor using a Pd catalyst, alcohol sensitivity is slightly lowered, but poisoning by hydrogen sulfide is eliminated, and a gas sensor with stable output can be obtained.

【0014】(2) 第3族元素であるSc、Y、La、A
lをSnO2 に添加することによって、センサーの感応
膜の抵抗を高くし、センサー自体の感度を挙げることに
より、アルコール感度の高いガスセンサーが得られる。
(2) Group 3, Sc, Y, La, A elements
By adding 1 to SnO 2 , the resistance of the sensitive film of the sensor is increased, and by raising the sensitivity of the sensor itself, a gas sensor with high alcohol sensitivity can be obtained.

【0015】(3) 上記2種類の元素とSnO2 とからな
る混合焼結体をターゲットとして用い、スパッタリング
法によってガスセンサー基板上にガス感応膜を形成する
ことにより、水素、アルコールの両方に高い感度を持つ
薄膜ガスセンサーが得られる。本発明は以上の発見に基
づき想到したものである。
(3) By using a mixed sintered body composed of the above-mentioned two kinds of elements and SnO 2 as a target and forming a gas sensitive film on a gas sensor substrate by a sputtering method, it is possible to improve both hydrogen and alcohol. A sensitive thin film gas sensor is obtained. The present invention has been made based on the above findings.

【0016】すなわち、本発明の薄膜ガスセンサーは、
電気絶縁性基板と、前記基板の一方の面上に設けられた
一対の電極と、前記電極を覆うように形成されたSnO
2 ガス感応膜と、前記基板上に電極及びガス感応膜と電
気的に絶縁されて設けられたヒーターとを有し、前記S
nO2 ガス感応膜中に、(a)Sc、Y、La、Alの
いずれか一種類以上の元素と、(b)Pt、Pd、R
h、Ir、Au、Agのいずれか一種類以上の元素と
が、実質的に均一に分散添加されていることを特徴とす
る。
That is, the thin film gas sensor of the present invention is
An electrically insulating substrate, a pair of electrodes provided on one surface of the substrate, and SnO formed so as to cover the electrodes.
2 a gas sensitive film, a heater provided on the substrate and electrically insulated from the electrode and the gas sensitive film,
In the nO 2 gas sensitive film, (a) at least one element of Sc, Y, La and Al, and (b) Pt, Pd, R
It is characterized in that at least one element selected from h, Ir, Au and Ag is added in a substantially uniformly dispersed manner.

【0017】また、電極を有する基板上に、スパッタリ
ング法によってSnO2 ガス感応膜を形成する本発明の
薄膜ガスセンサーの製造方法は、SnO2 と、(a)S
c、Y、La、Alのいずれか一種類以上の元素と、
(b)Pt、Pd、Rh、Ir、Au、Agのいずれか
一種類以上の元素とからなる混合焼結体をターゲットと
して用い、前記各成分を同時に蒸発させて前記基板に堆
積させるにより、前記SnO2 ガス感応膜を形成するこ
とを特徴とする。
Further, a method of manufacturing a thin film gas sensor of the present invention in which a SnO 2 gas sensitive film is formed on a substrate having electrodes by a sputtering method is SnO 2 and (a) S.
at least one element of c, Y, La, and Al,
(B) By using a mixed sintered body containing any one or more kinds of elements of Pt, Pd, Rh, Ir, Au, and Ag as a target, and vaporizing the respective components at the same time to deposit them on the substrate, It is characterized in that a SnO 2 gas sensitive film is formed.

【0018】[0018]

【実施例及び作用】本発明の薄膜ガスセンサーの一例を
図1に示す。本発明の薄膜ガスセンサーは、絶縁性基板
1と、基板1の一方の面上に形成された対向する一対の
電極2a、2bと、電極2a、2bをカバーするように
形成されたガス感応膜3と、基板1の反対側の面上に形
成されたヒータ4とを有する。
EXAMPLE AND FUNCTION FIG. 1 shows an example of the thin film gas sensor of the present invention. The thin film gas sensor of the present invention comprises an insulating substrate 1, a pair of opposing electrodes 2a and 2b formed on one surface of the substrate 1, and a gas sensitive film formed to cover the electrodes 2a and 2b. 3 and a heater 4 formed on the opposite surface of the substrate 1.

【0019】基板1は、電気絶縁性を有するものであれ
ばいかなる材質でもよいが、耐熱性及び耐久性の観点か
らセラミックス製とするのが好ましい。特に好ましいセ
ラミックスとしては、Al2 3 、SiO2 あるいはそ
れらの混合材等が挙げられる。また、そのほかの耐熱
性、強度、安定性、絶縁性等に問題がなければ、使用で
きる。基板1の厚さは0.1〜0.6mmであるのが好
ましい。0.1mmより薄いとセンサーの機械的強度が
不十分であり、また0.6mmより厚いとヒータ4によ
る加熱効果が不十分となる。
The substrate 1 may be made of any material as long as it has electrical insulation, but it is preferably made of ceramics from the viewpoint of heat resistance and durability. Particularly preferable ceramics include Al 2 O 3 , SiO 2 and mixed materials thereof. If there is no problem with other heat resistance, strength, stability, insulation, etc., it can be used. The thickness of the substrate 1 is preferably 0.1 to 0.6 mm. If it is thinner than 0.1 mm, the mechanical strength of the sensor is insufficient, and if it is thicker than 0.6 mm, the heating effect of the heater 4 is insufficient.

【0020】基板1の一方の面上に対向する一対の電極
2a、2bを形成する。薄膜ガスセンサーの構造で、対
向電極式と熱線型との2種類があるが、本発明の薄膜ガ
スセンサーでは、ガス感応膜の抵抗を高くしているた
め、検知出力特性上対向電極式が適している。電極の構
成として、薄膜素子の小型化、量産性等を考えると、薄
膜電極が望ましい。また、スクリーン印刷等の電極も可
能である。電極材料として、Pt、Pd、Au、Ir、
Rh、Ag等の貴金属、あるいはこれらの合金材が用い
られる。電極の形成方法は、密着性、膜厚均一性の観点
から、スパッタリング法は適している。しかしながら、
他の成膜方法も可能である。基板上に貴金属膜を形成し
たあと、レジスト材により電極パターンを形成し、プラ
ズマエチングにより電極パターン以外の貴金属膜を除去
し、レジスト膜を外せば、薄膜電極が得られる。これを
熱処理すれば、電極内の歪みがとれ、安定な電極が得ら
れる。基板1の反対側の面上に形成されるヒータ4も同
じ方法で行う。
A pair of electrodes 2a and 2b facing each other is formed on one surface of the substrate 1. There are two types of thin-film gas sensor structures, a counter electrode type and a hot wire type, but in the thin-film gas sensor of the present invention, the resistance of the gas sensitive film is high, so the counter electrode type is suitable for detection output characteristics. ing. A thin film electrode is desirable as the structure of the electrode in consideration of downsizing of a thin film element and mass productivity. Further, electrodes such as screen printing are also possible. As the electrode material, Pt, Pd, Au, Ir,
Noble metals such as Rh and Ag, or alloy materials thereof are used. The sputtering method is suitable for forming the electrode from the viewpoints of adhesion and film thickness uniformity. However,
Other film forming methods are possible. After forming a noble metal film on the substrate, an electrode pattern is formed with a resist material, the noble metal film other than the electrode pattern is removed by plasma etching, and the resist film is removed to obtain a thin film electrode. When this is heat-treated, the strain in the electrode is removed and a stable electrode can be obtained. The heater 4 formed on the opposite surface of the substrate 1 is also subjected to the same method.

【0021】対向する一対の電極2a、2b間に形成さ
れるガス感応膜3は、(a)第3族元素であるSc、
Y、La、Alのいずれか一種類以上の元素と、(b)
貴金属であるPt、Pd、Rh、Ir、Au、Agのい
ずれか一種類以上の元素とが均一に分散したSnO2
らなる。貴金属元素を添加すると、水素ガスに対する感
度が高くなる。一方、第3族元素を固溶添加することに
より、感応膜の被抵抗を増大させて、アルコールガスに
対する感度が増加する。両者を同時に添加することによ
って、アルコールと水素の両方に対してともに高い感度
を得ることができる。
The gas sensitive film 3 formed between the pair of electrodes 2a and 2b facing each other is (a) a Group 3 element Sc,
At least one element selected from Y, La, and Al, and (b)
It is made of SnO 2 in which at least one element selected from Pt, Pd, Rh, Ir, Au, and Ag, which is a noble metal, is uniformly dispersed. Addition of the noble metal element increases the sensitivity to hydrogen gas. On the other hand, by adding the Group 3 element as a solid solution, the resistance of the sensitive film is increased and the sensitivity to alcohol gas is increased. By adding both at the same time, high sensitivity can be obtained for both alcohol and hydrogen.

【0022】また、測定ガスに硫化水素が含まれている
場合では、上記貴金属のうち元素Pdを用いるほうが好
ましい。元素Pd以外の貴金属元素を用いると、硫化水
素による被毒により、センサーの水素ガスに対する感度
が低下する。
When the measurement gas contains hydrogen sulfide, it is preferable to use the element Pd among the above precious metals. When a noble metal element other than the element Pd is used, the sensitivity of the sensor to hydrogen gas decreases due to poisoning by hydrogen sulfide.

【0023】SnO2 ガス感応膜中に第3族元素(a)
を総量で0.5重量%〜10重量%になるよう分散添加
し、貴金属元素(b)を総量で 0.5重量%〜30重量%に
なるよう分散添加する。第3族元素の総量が0.5重量
%未満であると、アルコールガスに対する感度が不十分
である。一方、第3族元素の総量が10重量%を超える
と、第3族元素の析出が発生する。特に好ましい第3族
元素の総量は0.5〜5重量%である。貴金属元素の総
量が 0.5重量%未満であると、水素ガスに対する感度が
不十分である。一方、貴金属元素の総量が30重量%を
超えるとSnO2 膜の半導体としての性質が失われ、ま
た膜インピーダンスが大きくなりすぎて、水素ガスセン
サーとして機能しなくなる。特に好ましい貴金属元素の
総量は2〜30重量%である。
The Group 3 element (a) is contained in the SnO 2 gas sensitive film.
Is dispersed and added so that the total amount is 0.5% to 10% by weight, and the noble metal element (b) is dispersed and added so that the total amount is 0.5% to 30% by weight. If the total amount of Group 3 elements is less than 0.5% by weight, the sensitivity to alcohol gas is insufficient. On the other hand, when the total amount of Group 3 elements exceeds 10% by weight, Group 3 elements are precipitated. A particularly preferable total amount of the Group 3 element is 0.5 to 5% by weight. If the total amount of noble metal elements is less than 0.5% by weight, the sensitivity to hydrogen gas is insufficient. On the other hand, when the total amount of noble metal elements exceeds 30% by weight, the properties of the SnO 2 film as a semiconductor are lost, and the film impedance becomes too large to function as a hydrogen gas sensor. A particularly preferable total amount of noble metal elements is 2 to 30% by weight.

【0024】ガス感応膜3は5000オングストローム
以下の厚さに形成する必要がある。ガス感応膜3の膜厚
が5000オングストロームを超えると、ガス感度が低
下し、応答時間が長くなる。好ましいガス感応膜3の膜
厚は500〜5000オングストロームである。
The gas sensitive film 3 must be formed to a thickness of 5000 angstroms or less. When the film thickness of the gas sensitive film 3 exceeds 5000 angstroms, the gas sensitivity decreases and the response time becomes long. The preferable film thickness of the gas sensitive film 3 is 500 to 5000 angstroms.

【0025】本発明の薄膜ガスセンサーは、300〜4
50℃の作動温度において、良好な検出感度を示す。こ
の温度範囲になるように、ヒータ4に通電する。
The thin-film gas sensor of the present invention is 300 to 4
It exhibits good detection sensitivity at an operating temperature of 50 ° C. The heater 4 is energized so as to fall within this temperature range.

【0026】次に、薄膜ガスセンサーを製造する本発明
の方法を説明する。触媒元素を均一に分散したガス感応
膜3は、触媒金属が実質的に均一に分散したSnO2
合焼結体を用いて、スパッタリング法により絶縁性セラ
ミックス基板1の上に直接形成する。
Next, the method of the present invention for manufacturing a thin film gas sensor will be described. The gas sensitive film 3 in which the catalyst element is uniformly dispersed is directly formed on the insulating ceramic substrate 1 by a sputtering method using a SnO 2 mixed sintered body in which the catalyst metal is substantially uniformly dispersed.

【0027】スパッタリング法のターゲットとして用い
る混合焼結体は、SnO2 粉末に、(a)第3族元素で
あるSc、Y、La、Alのいずれか一種類以上の元素
と、(b)貴金属であるPt、Pd、Rh、Ir、A
u、Agのいずれか一種類以上の元素とを均一に混合
し、焼結したものを用いる。
The mixed sintered body used as a target for the sputtering method is SnO 2 powder, and (a) at least one element selected from the group III elements Sc, Y, La and Al, and (b) a noble metal. Pt, Pd, Rh, Ir, A
One obtained by uniformly mixing one or more elements of u and Ag and sintering the mixture is used.

【0028】スパッタリングにおける雰囲気ガスは、ア
ルゴン又はアルゴン+酸素の混合ガスとするのが好まし
い。また、スパッタリング温度は室温〜400℃とする
のが好ましい。スパッタリング時間はガス感応膜の膜厚
に応じて適宜決めることができる。
The atmosphere gas in sputtering is preferably argon or a mixed gas of argon and oxygen. The sputtering temperature is preferably room temperature to 400 ° C. The sputtering time can be appropriately determined according to the film thickness of the gas sensitive film.

【0029】本発明の薄膜ガスセンサー及びその製造方
法を図を参考して説明したが、本発明はこれに限定され
ず、本発明の趣旨を越えないかぎり、種々の変更を加え
ることができる。例えば、電極にリード線を設けたセン
サー素子は、当然ながら本発明に含まれる。
Although the thin film gas sensor of the present invention and the method for manufacturing the same have been described with reference to the drawings, the present invention is not limited thereto and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, a sensor element having a lead wire provided on an electrode is naturally included in the present invention.

【0030】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に
説明する実施例1 センサー素子の基板として、 0.2mm厚のアルミナ基板
を用いた。基板の表面に厚さ2500オングストローム
のPt薄膜を形成し、フォトリソグラフィー技術により
パターニングを行い、対向電極を形成した。また同様の
方法で基板の裏面に厚さ3200オングストロームのP
t薄膜ヒーターを形成した。これをプラスマエッチング
処理後に約600℃にて大気中で焼成を施した。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Example 1 As a substrate of a sensor element, an alumina substrate having a thickness of 0.2 mm was used. A Pt thin film having a thickness of 2500 angstrom was formed on the surface of the substrate and patterned by a photolithography technique to form a counter electrode. Also, in the same manner, on the back surface of the substrate, a P having a thickness of 3200 angstrom
A thin film heater was formed. This was subjected to plasma etching treatment and then fired at about 600 ° C. in the atmosphere.

【0031】このセンサー基板の電極面にRFマグネト
ロンスパッタリング法よりSnO2/Y2 3 /Pd系
のガス感応膜を形成した。スパッタリング法におけるタ
ーゲットは上記三成分の粉末を混合して焼結した混合焼
結体を用いた。形成したガス感応膜の膜厚は1500オ
ングストロームであった。このように作製したセンサー
素子を用い、作動温度を400℃になるようにヒーター
に電流を流して、100ppmの水素ガス又は300p
pmのエタノールガスに対するセンサーのガス感度を測
定した。
A SnO 2 / Y 2 O 3 / Pd-based gas sensitive film was formed on the electrode surface of this sensor substrate by the RF magnetron sputtering method. As a target in the sputtering method, a mixed sintered body obtained by mixing and sintering the above-mentioned three component powders was used. The film thickness of the formed gas sensitive film was 1500 Å. Using the sensor element thus produced, an electric current was passed through the heater so that the operating temperature became 400 ° C., and 100 ppm hydrogen gas or 300 p
The gas sensitivity of the sensor to pm ethanol gas was measured.

【0032】図2にエタノールの感度のPd及びY2
3 触媒量の依存性を示す。図3に水素の感度のPd及び
2 3 触媒量の依存性を示す。ここでガス感度とは、
清浄エアー中での素子抵抗値(Ra)とガス検知時の素
子抵抗値(Rg)との比(Ra/Rg)をいい、この感
度の値が大きい程、センサー出力が大きい。
FIG. 2 shows the sensitivity Pd and Y 2 O of ethanol.
3 Dependence of catalyst amount is shown. FIG. 3 shows the dependence of hydrogen sensitivity on the amounts of Pd and Y 2 O 3 catalysts. Here, the gas sensitivity is
The ratio (Ra / Rg) between the element resistance value (Ra) in clean air and the element resistance value (Rg) at the time of gas detection. The larger the sensitivity value, the larger the sensor output.

【0033】この二図から明らかなように、Pdだけを
添加していくと、水素感度が徐々に増加するが、エタノ
ールの感度が急激に低下する。しかし、Y2 3 の添加
量を同時に増やすと、水素感度がほぼ変化しないのに対
して、エタノールの感度が増大することがわかった。こ
のように、Pd及びY2 3 を同時にガス感応膜に含有
させることによりアルコールと水素に対する感度をとも
に高めることができる。
As is clear from these two figures, when only Pd is added, the hydrogen sensitivity gradually increases, but the ethanol sensitivity sharply decreases. However, it was found that when the amount of Y 2 O 3 added was increased at the same time, the sensitivity of hydrogen was almost unchanged while the sensitivity of ethanol was increased. Thus, by simultaneously containing Pd and Y 2 O 3 in the gas sensitive film, both the sensitivity to alcohol and hydrogen can be increased.

【0034】実施例2 実施例1と同様にして薄膜水素ガスセンサーを作製した
が、本実施例のガス感応膜はSnO2 /Al2 3 /P
t系成分より構成され、ガス感応膜の厚さは2000オ
ングストロームとした。ガス感応膜中のPt濃度を4.
5重量%に固定して、Al2 3 の添加量を変化させ
て、6種類の薄膜ガスセンサーを作製した。このように
作製したセンサー素子を用い、作動温度を400℃にな
るようにヒーターに電流を流して、100ppmの水素
ガス又は300ppmのエタノールガスに対するセンサ
ーのガス感度を測定した。結果を図4に示す。
Example 2 A thin film hydrogen gas sensor was produced in the same manner as in Example 1, but the gas sensitive film of this example was SnO 2 / Al 2 O 3 / P.
The thickness of the gas sensitive film was 2000 angstroms. 3. Set the Pt concentration in the gas sensitive film to 4.
It was fixed at 5% by weight and the amount of Al 2 O 3 added was varied to prepare 6 types of thin film gas sensors. Using the sensor element thus manufactured, a current was passed through the heater so that the operating temperature was 400 ° C., and the gas sensitivity of the sensor with respect to 100 ppm hydrogen gas or 300 ppm ethanol gas was measured. The results are shown in Fig. 4.

【0035】図4から明らかなように、Al2 3 の添
加量を増やすと、水素ガスに対するセンサーの感度がわ
ずかながら増加し、アルコールに対する感度が大きく増
加した。
As is clear from FIG. 4, when the amount of Al 2 O 3 added was increased, the sensitivity of the sensor to hydrogen gas slightly increased, and the sensitivity to alcohol greatly increased.

【0036】実施例3 実施例1と同じ方法を用い、ガス感応膜がそれぞれSn
2 /Al2 3 (3.5重量%)/Pd(5.2重量
%)系成分とSnO2 /Al2 3 (3.3重量%)/
Pt(5.6重量%)系成分より構成される二種類のガ
スセンサーを作製した。ガス感応膜の厚さは2000オ
ングストロームとした。このように作製したセンサー素
子を硫化水素濃度5ppm、湿度80%のガラス容器に
放置し、50時間ごとに取り出して、作動温度400℃
になるようにヒーターに電流を流して、100ppmの
水素ガスに対するセンサーのガス感度を測定した。結果
を図5に示す。
Example 3 Using the same method as in Example 1, the gas sensitive film was made of Sn.
O 2 / Al 2 O 3 (3.5% by weight) / Pd (5.2% by weight) system component and SnO 2 / Al 2 O 3 (3.3% by weight) /
Two types of gas sensors composed of Pt (5.6% by weight) based components were manufactured. The thickness of the gas sensitive film was 2000 angstrom. The sensor element thus manufactured was left in a glass container having a hydrogen sulfide concentration of 5 ppm and a humidity of 80% and taken out every 50 hours at an operating temperature of 400 ° C.
A current was passed through the heater so that the gas sensitivity of the sensor with respect to 100 ppm hydrogen gas was measured. Results are shown in FIG.

【0037】図5から明らかなように、貴金属元素にP
d元素を用いたセンサーでは、硫化水素の影響を受け
ず、安定した感度を示した。
As is clear from FIG. 5, P is added to the noble metal element.
The sensor using the element d showed stable sensitivity without being affected by hydrogen sulfide.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上の構成からなる本発明の薄膜ガスセ
ンサーは、良好なアルコールガス感度と水素ガス感度を
有し、少ない製造工程で低コストで得ることができる。
また、本発明の薄膜ガスセンサーは小型化が容易であ
り、バッチプロセスによる量産効果が大きい。さらに、
本発明の薄膜ガスセンサーの製造方法は、ガス感応膜中
の触媒元素の添加量を簡単かつ確実に制御することがで
きる。
The thin film gas sensor of the present invention having the above constitution has good alcohol gas sensitivity and hydrogen gas sensitivity, and can be obtained at a low cost with a small number of manufacturing steps.
Further, the thin film gas sensor of the present invention can be easily miniaturized, and has a large effect of mass production by a batch process. further,
The method for manufacturing a thin film gas sensor of the present invention can easily and reliably control the amount of the catalytic element added to the gas sensitive film.

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

【図1】本発明の一実施例による薄膜ガスセンサーを示
す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a thin film gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例1の薄膜ガスセンサーを使用した場合に
おいて、エタノール感度とY23 、Pd添加量との関
係を表わすグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between ethanol sensitivity and the amounts of Y 2 O 3 and Pd added when the thin film gas sensor of Example 1 is used.

【図3】実施例1の薄膜ガスセンサーを使用した場合に
おいて、水素ガス感度とY2 3 、Pd添加量との関係
を表わすグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between hydrogen gas sensitivity and the amounts of Y 2 O 3 and Pd added when the thin film gas sensor of Example 1 is used.

【図4】実施例2の薄膜ガスセンサーを使用した場合に
おいて、水素ガス及びエタノールに対する感度とAl2
3 添加量との関係を表わすグラフである。
FIG. 4 shows the sensitivity to hydrogen gas and ethanol and Al 2 when the thin film gas sensor of Example 2 is used.
It is a graph showing the relationship with the amount of O 3 added.

【図5】実施例3の薄膜ガスセンサーを使用した場合に
おいて、硫化水素被毒試験における水素ガスに対する感
度の変化を表わすグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a change in sensitivity to hydrogen gas in a hydrogen sulfide poisoning test when the thin film gas sensor of Example 3 is used.

【図6】従来の薄膜ガスセンサーの一例を示す概略断面
図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional thin film gas sensor.

【図7】従来の薄膜ガスセンサーの他の例を示す概略断
面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional thin film gas sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2a、2b 電極 3 ガス感応膜 4 ヒータ 6 触媒層 1 substrate 2a, 2b electrode 3 gas sensitive film 4 heater 6 catalyst layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電気絶縁性基板と、前記基板の一方の面
上に設けられた一対の電極と、前記電極を覆うように形
成されたSnO2 ガス感応膜と、前記基板上に電極及び
ガス感応膜と電気的に絶縁されて設けられたヒーターと
を有する薄膜ガスセンサーにおいて、前記SnO2 ガス
感応膜中に、(a)Sc、Y、La、Alのいずれか一
種類以上の元素と、(b)Pt、Pd、Rh、Ir、A
u、Agのいずれか一種類以上の元素とが、実質的に均
一に分散添加されていることを特徴とする薄膜ガスセン
サー。
1. An electrically insulating substrate, a pair of electrodes provided on one surface of the substrate, a SnO 2 gas sensitive film formed so as to cover the electrodes, and an electrode and a gas on the substrate. In a thin film gas sensor having a sensitive film and a heater electrically insulated from the thin film gas sensor, (a) Sc, Y, La, or Al and one or more kinds of elements are contained in the SnO 2 gas sensitive film. (B) Pt, Pd, Rh, Ir, A
A thin-film gas sensor, wherein at least one element of u and Ag is dispersed and added substantially uniformly.
【請求項2】 請求項1に記載の薄膜ガスセンサーにお
いて、硫化水素ガスが存在する環境で使用される前記ガ
スセンサーの前記SnO2 ガス感応膜に、(a)Sc、
Y、La、Alのいずれか一種類以上の元素と、(b)
Pd元素とが、実質的に均一に分散添加されていること
を特徴とする薄膜ガスセンサー。
2. The thin film gas sensor according to claim 1, wherein the SnO 2 gas sensitive film of the gas sensor used in an environment where hydrogen sulfide gas is present, comprises (a) Sc,
At least one element selected from Y, La, and Al, and (b)
A thin film gas sensor, wherein Pd element is added to be dispersed substantially uniformly.
【請求項3】 電極を有する基板上に、スパッタリング
法によってSnO2ガス感応膜を形成する薄膜ガスセン
サーの製造方法において、SnO2 と、(a)Sc、
Y、La、Alのいずれか一種類以上の元素と、(b)
Pt、Pd、Rh、Ir、Au、Agのいずれか一種類
以上の元素とからなる混合焼結体をターゲットとして用
い、前記各成分を同時に蒸発させて前記基板に堆積させ
るにより、前記SnO2 ガス感応膜を形成することを特
徴とする薄膜ガスセンサーの製造方法。
3. A method of manufacturing a thin film gas sensor, comprising forming a SnO 2 gas sensitive film on a substrate having an electrode by a sputtering method, comprising: SnO 2 and (a) Sc;
At least one element selected from Y, La, and Al, and (b)
The SnO 2 gas is obtained by using a mixed sintered body composed of one or more elements selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ir, Au, and Ag as a target, and vaporizing the respective components at the same time to deposit them on the substrate. A method for manufacturing a thin film gas sensor, which comprises forming a sensitive film.
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