JPH0783865A - ガス検出素子 - Google Patents

ガス検出素子

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JPH0783865A
JPH0783865A JP5250127A JP25012793A JPH0783865A JP H0783865 A JPH0783865 A JP H0783865A JP 5250127 A JP5250127 A JP 5250127A JP 25012793 A JP25012793 A JP 25012793A JP H0783865 A JPH0783865 A JP H0783865A
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正晃 金森
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康隆 高橋
Yutaka Oya
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶縁性基板上にガス感応体としての酸化錫半
導体薄膜を形成させたガス検出素子であって、高温条件
下における抵抗率の経時的な変化を小さくしたものを提
供する。 【構成】 絶縁性基板上にガス感応体としてのゲルマニ
ウム含有酸化錫半導体薄膜を形成させたガス検出素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス検出素子に関す
る。更に詳しくは、絶縁性基板上にガス感応体としての
酸化錫半導体薄膜を形成させたガス検出素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、ガス感応体として酸化錫半導
体を用いたガス検出素子が知られており、近年この酸化
錫半導体は焼結体型のものから、薄膜型のものに移行さ
れつつある。酸化錫半導体薄膜は、ガス感応体を加熱す
るための消費電力が小さく、かつ極く低濃度の可燃性ガ
スでも検知できるという特徴を有している。
【0003】しかしながら、酸化錫半導体薄膜は、ガス
感応体としての抵抗値の経時変化が大きく、安定した素
子特性を維持できないという欠点を有している。その原
因の一つとして、薄膜内部での結晶粒の成長が指摘され
ている。即ち、可燃性ガス等を検知するガス検出素子
は、一般に約300〜500℃という高温条件下に曝されて長
時間使用されるため、結晶粒成長が進行し、これに伴っ
て、薄膜の抵抗値が変化してしまうため、経時的な安定
性が確保できないことになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、絶縁
性基板上にガス感応体としての酸化錫半導体薄膜を形成
させたガス検出素子であって、高温条件下における抵抗
率の経時的な変化を小さくしたものを提供することにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】かかる本発明の目的は、
絶縁性基板上にガス感応体としてのゲルマニウム含有酸
化錫半導体薄膜を形成させたガス検出素子によって達成
される。
【0006】絶縁性基板としては、耐熱性ガラス基板、
アルミナ基板、窒化アルミニウム基板等の約300〜500℃
の耐熱温度を有するものが一般に用いられる。
【0007】これらの絶縁性基板上には、一組の電極お
よびゲルマニウム含有酸化錫半導体薄膜が任意の順序で
形成される。ゲルマニウム含有酸化錫半導体薄膜の形成
は、約0.1〜1モル%の錫テトラ低級アルコキシド、例え
ば錫テトライソプロポキシドのトリエタノールアミン-
イソプロパノール溶液に、ゲルマニウム低級アルコキシ
ド、例えばゲルマニウムイソプロポキシドを加えた後、
更に脱水イソプロパノールおよびトリエタノールアミン
を加えて、全金属濃度を約0.5モル%とした浸漬溶液を用
いて行われる。ここで、トリエタノールアミンが用いら
れるのは、アルコキシド溶液の安定化のためであり、そ
の添加量は全金属濃度と等しくなるように調整される。
【0008】この浸漬溶液中に、絶縁性基板を約10〜60
秒間程度浸漬した後、一定の引き上げ速度で引き上げ、
約100〜200℃で乾燥させてから、電気炉等を用い、約50
0〜800℃で約30〜60分間焼成処理する。このような浸漬
-乾燥-焼成処理という一連の工程を複数回くり返すこと
により、ゲルマニウムが添加された酸化錫薄膜を約100
〜500nmの膜厚で絶縁性基板上に形成させる。
【0009】ゲルマニウムの添加量は、全金属中約1〜5
0モル%、好ましくは約10〜40モル%占めるような割合で
用いられる。ゲルマニウムを添加しない酸化錫半導体薄
膜の抵抗率は0.06Ω・cm程度であり、これにこのような
割合のゲルマニウムを添加したときの抵抗率は0.1〜0.4
Ω・cmの範囲にとどまるが、50モル%の添加では、その
抵抗率は2Ω・cm程度に急上昇するので、それ以上の割
合で添加することは好ましくない。
【0010】
【発明の効果】酸化錫半導体薄膜を絶縁性基板上にガス
感応体として形成させたガス検出素子において、酸化錫
半導体薄膜中にゲルマニウム(多くはGeO2と考えられる
が、一部はGeとしてSnO2内へ固溶しているものもあると
考えられる)を含有せしめ、酸化錫の結晶粒成長を抑制
することにより、ガス感応体としての抵抗値の経時的変
化を小さくすることができ、安定した素子特性を維持し
得るようになる。
【0011】即ち、原子価制御の影響がないと考えられ
る各種のIV族元素(Ge、Zn、TiまたはSi)の添加によって
も、酸化錫の粒成長および抵抗率変化は抑制されるもの
の、特にゲルマニウムの添加による粒成長抑制効果が最
も高く、測定ガスに対する応答速度の向上も図られる。
また、ゲルマニウムを添加することにより、例えば800
℃といった高温での熱処理による抵抗率の減少量を小さ
くすることができる。
【0012】
【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。
【0013】実施例 錫テトライソプロポキシド17.73g(0.05モル)に脱水イソ
プロパノール50mlを加えて撹拌する。この溶液に、トリ
エタノールアミン7.46g(0.05モル)を加え、更に脱水イ
ソプロパノールを加えて、全量を100mlとした。この0.5
モル濃度の錫テトライソプロポキシドのトリエタノール
アミン-イソプロパノール溶液に、ゲルマニウムテトラ
イソプロポキシドを錫テトライソプロポキシドに対して
10モル%加えた後、更に脱水イソプロパノールおよびト
リエタノールアミンを加えて、全金属濃度を0.5モル濃
度となるように調製し、浸漬溶液とした。
【0014】この浸漬溶液中に、耐熱ガラス基板(コー
ニング社製品7059)を30秒間浸漬した後、6cm/分の一定
引き上げ速度で引き上げ、110℃で15分間乾燥させてか
ら、電気炉内で600℃、30分間の焼成処理を行った。こ
のような浸漬-乾燥-焼成処理という一連の工程を5サイ
クルくり返し、10モル%ゲルマニウムが添加された酸化
錫薄膜(膜厚250nm)を耐熱ガラス基板上に形成させた。
【0015】比較例1 実施例において、錫テトライソプロポキシドのトリエタ
ノールアミン-イソプロパノール混合溶媒溶液が、その
まま浸漬溶液として用いられた。
【0016】(ゲルマニウム添加による粒成長抑制効果)
実施例および比較例1で、それぞれの浸漬溶液を徐々に
加熱し、溶媒を留去して得られた粉体について、600,7
00,800または900℃の各温度で3時間熱処理した後の結
晶粒径(単位:nm)を、X線回析法により測定すると、次
のような結果が得られた。 熱処理温度(℃) 実施例 比較例1 600 20.4 28.1 700 30.2 37.2 800 28.7 39.9 900 32.9 78.9
【0017】この結果から、比較例1のものは熱処理温
度が高くなると粒径増加が顕著になるのに対し、実施例
のものの粒径増加量は少なく、即ち酸化錫薄膜中にゲル
マニウムを添加することにより、粒子の成長が抑制され
たものと考えられる。
【0018】(ゲルマニウム添加による酸化錫薄膜抵抗
率の安定化)実施例および比較例1で、それぞれ耐熱ガ
ラス基板上に形成させたゲルマニウム添加酸化錫薄膜に
ついて、上記結晶粒径の測定において、実施例のものと
比較例1のものとの結晶粒径の差が大きくなっている熱
処理温度(800℃と600℃)を参照し、熱処理温度800℃の
酸化錫薄膜と熱処理温度600℃の酸化錫薄膜について、
それぞれ室温での抵抗率(単位:Ω・cm)を四探針法によ
って測定し、その比R800/R600を算出した。 実施例 比較例 熱処理温度600℃ 0.21 0.10 熱処理温度800℃ 0.10 0.034 R800/R600 0.48 0.34
【0019】この結果から、抵抗率の比(R800/R600)が
実施例では約1/2であるのに対し、比較例1では約1/3に
減少しており、このように高温での熱処理により酸化錫
薄膜の抵抗率は減少する傾向がみられるが、そこにゲル
マニウムを添加することにより、その減少率を低下さ
せ、抵抗率の経時的な変化を抑制し得ることが分かる。
【0020】比較例2〜4 実施例において、ゲルマニウムテトライソプロポキシド
の代わりに、ジルコニウムテトラn-ブトキシド(比較例
2)、チタンテトライソプロポキシド(比較例3)または
シリコンテトラエトキシド(比較例4)がそれぞれ錫テト
ライソプロポキシドに対して10モル%用いられた。
【0021】前記実施例(■)、比較例2(▲)および比較
例4(▼)でそれぞれ得られたゲルマニウム、ジルコニウ
ムまたはシリコン添加酸化錫薄膜を600℃で熱処理した
ときの、ゲルマニウム、ジルコニウムまたはシリコンの
添加量による抵抗率の変化は図1のグラフに示される。
添加量10モル%についてみると、ジルコニウムでは24Ω
・cm、また同条件のチタン添加(比較例3)ではこのグラ
フに表示できない測定限界以上と高抵抗な膜となるのに
対して、ゲルマニウムおよびシリコンでは1Ω・cm以下
と低い抵抗率を維持していた。中でも、ゲルマニウムを
添加した膜では、添加量50モル%においても2.1Ω・cmで
あった。
【0022】また、前記の粒成長抑制効果についても、
600〜1000℃の温度で熱処理したときの結晶粒径は、何
も添加されない比較例1(●)では約800℃から顕著な粒
成長が始まるが、いずれも10モル%のゲルマニウムが添
加された実施例(■)、ジルコニウムが添加された比較例
2(▲)およびチタンが添加された比較例3(◆)では粒成
長が抑制され、この内ゲルマニウムの添加による抑制効
果が特に高いことが、図2のグラフに示されている。こ
のような粒成長抑制効果は、粉体についてだけではな
く、薄膜についてもみられる。
【0023】更に、50モル%のゲルマニウムを添加した
酸化錫粉体を600〜1000℃の各温度で熱処理したときの
X線回析パターンの変化をみると、図3のグラフに示さ
れるように、600℃でSnO2(○)の(110)ピークがみられ、
700℃から六方晶形GeO2(●)の(101)ピークが観察される
ようになり、熱処理温度の上昇に伴い、SnO2(110)ピー
クがブロードになってくる。このことを詳細に解析する
と、正方晶形(ルチル型)酸化錫の影響を受けて、GeO2
本来この温度領域では不安定な正方晶形に結晶化し、そ
の(110)ピークがSnO2の(110)ピークの近傍に現われるも
のと考えられる。正方晶形GeO2の結晶化は、SnO2とGeO2
とが独立に存在していては起こらないと考えられるの
で、ゲルマニウム添加酸化錫は、まずSnO2が結晶化し、
その結晶粒子表面にGeO2が生成して、結晶粒成長を抑制
しているのではないかと考えられる。
【0024】このことと関連して、ゲルマニウム10モル
%添加酸化錫薄膜は、粒径約10nmの粒子より構成されて
いて、その粒径は比較的揃っていることがTEM観察の結
果から分かり、これは前述したような結晶化の過程が影
響しているものと考えられる。これに対して、ゲルマニ
ウムを添加しない酸化錫薄膜では、粒径に幅広い分布が
みられた。
【0025】(ガスセンサ特性)濃度5240ppmの2-メチル-
2-ブテンを含有する空気中における350℃での薄膜の応
答挙動が、図4のグラフに示されている。雰囲気を2-メ
チル-2-ブテン含有空気(gas)から空気(air)に切り換え
たときの応答速度は、10モル%のゲルマニウムを添加し
た酸化錫薄膜(実線)の方が、ゲルマニウムを添加しない
酸化錫薄膜(点線)よりも速くなっていることが分かる。
これは、ゲルマニウム添加酸化錫薄膜を形成している粒
子の径が、ゲルマニウムを添加しない酸化錫薄膜の粒子
の径よりも揃っていることに関係しているのではないか
と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ゲルマニウム、ジルコニウムまたはシリコンの
添加量と抵抗率との関係を示すグラフである。
【図2】実施例および比較例1〜3における熱処理温度
と結晶粒径との関係を示すグラフである。
【図3】50モル%のゲルマニウムを添加した酸化錫粉体
の600〜1000℃の温度で熱処理したときのX線回析パタ
ーンである。
【図4】2-メチル-2-ブテン含有空気に対する、10モル%
のゲルマニウム添加酸化錫薄膜とゲルマニウムを添加し
ない酸化錫薄膜の応答挙動を示すグラフである。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年7月18日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】 この浸漬溶液中に、耐熱ガラス基板を
0秒間浸漬した後、6cm/分の一定引き上げ速度で引
き上げ、110℃で15分間乾燥させてから、電気炉内
で600℃、30分間の焼成処理を行った。このような
浸漬−乾燥−焼成処理という一連の工程を5サイクルく
り返し、10モル%ゲルマニウムが添加された酸化錫薄
膜(膜厚250nm)を耐熱ガラス基板上に形成させ
た。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板上にガス感応体としてのゲル
    マニウム含有酸化錫半導体薄膜を形成せしめてなるガス
    検出素子。
  2. 【請求項2】 ゲルマニウム含有酸化錫半導体薄膜が錫
    テトラアルコキシドとゲルマニウムテトラアルコキシド
    との混合焼成物である請求項1記載のガス検出素子。
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