JPH11344458A - Hydrogen gas detection element and its production - Google Patents

Hydrogen gas detection element and its production

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JPH11344458A
JPH11344458A JP9107899A JP9107899A JPH11344458A JP H11344458 A JPH11344458 A JP H11344458A JP 9107899 A JP9107899 A JP 9107899A JP 9107899 A JP9107899 A JP 9107899A JP H11344458 A JPH11344458 A JP H11344458A
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sensitive layer
hydrogen gas
gas
detection element
metal wire
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Akira Katsuki
章 勝木
Kiyoshi Fukui
清 福井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a hydrogen gas detection element hardly deteriorated in its sensitivity even if it is exposed to hydrogen of high concentration. SOLUTION: In a gas detection element wherein a sensitive layer 2 comprising a semiconductor layer 2 of a semiconductor based on indium oxide is provided so as to cover a noble metal wire 1, 1-5 atm % of oxide of a metal selected from lanthanum, calcium, balium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium and scandium is added and a dense silica membrane 3 is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガス検知素子
に関し、特に、貴金属線を覆って、酸化インジウム半導
体を主成分とする半導体から形成される感応層を設けて
ある半導体式のガス検知素子およびその製造方法に関す
る。このような水素ガス検知素子は主に、還元剤やキャ
リアガス、燃料等として水素ガスを使用する化学工場、
半導体製造工場、電気自動車用水素燃料電池、エンジン
システム等におけるガス漏洩等を監視する目的で使用さ
れる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen gas sensing element, and more particularly to a semiconductor type gas sensing element having a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide semiconductor as a main component and covering a noble metal wire. And its manufacturing method. Such hydrogen gas detection elements are mainly used in chemical factories that use hydrogen gas as a reducing agent, carrier gas, fuel, etc.
It is used for monitoring gas leaks in semiconductor manufacturing plants, hydrogen fuel cells for electric vehicles, engine systems, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の水素ガス検知素子として
は、貴金属線を覆って、酸化スズ半導体を主成分とする
半導体から形成される感応層を設けてあるガス検知素子
が知られており、前記感応層にランタン系金属酸化物の
少なくとも一種以上を添加して低濃度における水素ガス
選択性を向上させた水素ガス検知素子の開発が試みられ
ている。
2. Description of the Related Art Heretofore, as this type of hydrogen gas detecting element, a gas detecting element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor mainly composed of a tin oxide semiconductor over a noble metal wire is known. Attempts have been made to develop a hydrogen gas detecting element in which at least one lanthanum-based metal oxide is added to the sensitive layer to improve the selectivity of hydrogen gas at low concentrations.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の水素ガ
ス検知素子は、100ppm以下の低濃度の水素ガスを
高感度に検知することが見出されており、水素ガス漏洩
の初期的な検知に効果を発揮するものとして期待されて
いる。というのも、水素ガスは、分子半径が小さく極め
て小さなピンホール等からも漏洩し易いという性質があ
り、また、水素ガスの爆発下限界が4%(Vol)と低
い上に爆発ガス濃度領域が広いため、ガス爆発の早期警
戒が必要となるからである。しかしながら、このような
水素ガス検知素子は、一旦高濃度の水素ガスに晒されて
しまうと、感度が劣化してしまうという欠点があった。
具体的には、上述の水素ガス検知素子は100ppm以
下の水素ガス濃度においては、高い感度で選択性良く働
く優れたセンサであるが、500ppm以上の水素ガス
に暴露されると感度が低下して劣化しまうという実験結
果が得られている。
It has been found that the above-mentioned conventional hydrogen gas detecting element detects high-concentration hydrogen gas of 100 ppm or less with high sensitivity, and is used for initial detection of hydrogen gas leakage. It is expected to be effective. This is because hydrogen gas has a property that it has a small molecular radius and easily leaks from an extremely small pinhole, etc. In addition, the lower limit of hydrogen gas explosion is as low as 4% (Vol), and the explosive gas concentration region is low. Because of its large size, early warning of gas explosion is required. However, such a hydrogen gas detecting element has a drawback that once it is exposed to a high concentration of hydrogen gas, the sensitivity is deteriorated.
Specifically, the above-described hydrogen gas detection element is an excellent sensor that works with high sensitivity and high selectivity at a hydrogen gas concentration of 100 ppm or less, but the sensitivity decreases when exposed to hydrogen gas of 500 ppm or more. An experimental result of deterioration has been obtained.

【0004】従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑
み、湿度安定性の高く、高濃度の水素に暴露されても感
度の劣化しにくい水素ガス検知素子を得ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen gas detecting element which has high humidity stability and is hardly deteriorated in sensitivity even when exposed to a high concentration of hydrogen in view of the above-mentioned drawbacks.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の水素ガス検知素子の特徴構成は、貴金属線を
覆って、酸化インジウムを主成分とする半導体から形成
される感応層を設けてあるガス検知素子であって、前記
感応層にランタン、カルシウム、バリウム、ガリウム、
アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム及びスカン
ジウムから選ばれる少なくとも一種以上の金属の酸化物
を1〜5atm%(原子%)添加してあるとともに、緻
密なシリカ薄膜を形成してあることにあり、貴金属線を
覆って、酸化インジウムを主成分とする半導体から形成
される感応層を設けてあるガス検知素子であって、前記
感応層にランタン、カルシウム、バリウム、ガリウム、
アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム及びスカン
ジウムから選ばれる少なくとも一種以上の金属の酸化物
を1〜5atm%添加してあるとともに、感応層に水素
選択透過性のシリカ薄膜を形成してあってもよく、貴金
属線を覆って、酸化インジウムを主成分とする半導体か
ら形成される感応層を設けてあるガス検知素子であっ
て、前記感応層にランタン、カルシウム、バリウム、ガ
リウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム及
びスカンジウムから選ばれる少なくとも一種以上の金属
の酸化物を1〜5atm%添加してあるとともに、感応
層にシリカ薄膜を化学蒸着処理によって形成してあるこ
とが好ましい。また、前記感応層が、ランタン、カルシ
ウム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウ
ム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる少なく
とも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加して
ある酸化インジウムの焼結体であり、前記シリカ薄膜
が、ヘキサメチルジシロキサンガス中で、前記貴金属線
に電流を流し、350℃〜550℃で(感応部の温度)
25分〜25時間の条件下で化学蒸着処理により形成さ
れた物であることが好ましい。また、上記目的を達成す
るための水素ガス検知素子の製造方法の特徴構成は、貴
金属線材に、ランタン、カルシウム、バリウム、ガリウ
ム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム及びス
カンジウムから選ばれる少なくとも一種以上の金属の酸
化物を1〜5atm%添加してある酸化インジウムペー
ストを塗布し、前記貴金属線材への通電により前記酸化
インジウムを焼結させ、その酸化インジウムの焼結体を
前記貴金属線材と共にヘキサメチルジシロキサンガス中
に導入すると共に、前記貴金属線に電流を流し、350
℃〜550℃で25分〜25時間の条件下で化学蒸着処
理を行い、シリカ薄膜を形成することにある。
In order to achieve this object, a feature of the hydrogen gas detecting element of the present invention is to provide a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component so as to cover a noble metal wire. A gas sensing element, wherein the sensitive layer has lanthanum, calcium, barium, gallium,
An oxide of at least one metal selected from aluminum, zirconium, yttrium and scandium is added in an amount of 1 to 5 atm% (atomic%) and a dense silica thin film is formed. A gas sensing element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component, wherein the sensitive layer includes lanthanum, calcium, barium, gallium,
An oxide of at least one metal selected from aluminum, zirconium, yttrium and scandium may be added in an amount of 1 to 5 atm%, and a hydrogen-selective permeable silica thin film may be formed in the sensitive layer. A gas sensing element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component, wherein the sensitive layer is selected from lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium, and scandium. Preferably, at least one or more metal oxides are added at 1 to 5 atm%, and a silica thin film is formed on the sensitive layer by chemical vapor deposition. Further, the sensitive layer is a sintered body of indium oxide to which 1 to 5 atm% of an oxide of at least one metal selected from lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium and scandium is added. A current is passed through the noble metal wire in the hexamethyldisiloxane gas at 350 ° C. to 550 ° C. (temperature of the sensitive portion).
It is preferably formed by a chemical vapor deposition process under the conditions of 25 minutes to 25 hours. In addition, the characteristic configuration of the method for manufacturing a hydrogen gas detecting element for achieving the above object is as follows. An indium oxide paste containing 1 to 5 atm% of a substance is applied, and the indium oxide is sintered by energizing the noble metal wire, and the sintered body of the indium oxide is mixed with the noble metal wire in hexamethyldisiloxane gas. And a current is passed through the noble metal wire,
A chemical vapor deposition process is performed at 25 to 25 hours at a temperature of from 550 to 550 ° C to form a silica thin film.

【0006】〔作用効果〕酸化スズ半導体、酸化亜鉛等
を主材とする感応層にシリカ薄膜を蒸着させる技術が知
られており(特開昭56−168542号公報参照)、
そのような薄膜を緻密に形成することにより、前記感応
層が水素ガス以外のガスと接触するのを制限し、水素ガ
ス選択性を高める技術が実用化されている(特公昭61
−31422号公報参照)。しかしながら、特定の組成
の感応層に関しては、緻密な薄膜を形成する技術は知ら
れているものの、緻密な薄膜を形成するためには、薄膜
を形成すべき基材の性質等が、その薄膜の性質に大きく
影響する場合があり、その感応層の種類により種々検討
を要し、水素ガスだけを選択的に透過するようなシリカ
薄膜を得ることは困難であり、得られたシリカ薄膜の性
質についても予測しがたい。しかしながら、今般本発明
者らは、前記シリカ薄膜の機能に着目し、水素ガスの曝
露に対して耐久性を発揮すると思われるランタン、カル
シウム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニ
ウム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる少な
くとも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加し
てある酸化インジウムを主成分とする感応層を有するガ
ス検知素子を用いて、鋭意検討した結果、酸化インジウ
ム半導体を主材とする水素選択性を有する感応層に緻密
なシリカ薄膜を形成すると、そのガス検知素子が、先述
の水素ガス選択性を発揮するという新知見を得た。
[Operation and effect] A technique of depositing a silica thin film on a sensitive layer mainly composed of a tin oxide semiconductor, zinc oxide or the like is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-168542).
By forming such a thin film densely, a technique for restricting the sensitive layer from contacting with a gas other than hydrogen gas and improving the selectivity of hydrogen gas has been put into practical use (Japanese Patent Publication No. 61-1986).
-31422 gazette). However, with respect to a sensitive layer having a specific composition, although a technique for forming a dense thin film is known, in order to form a dense thin film, the properties of a base material on which the thin film is to be formed, etc. The properties may be greatly affected, and various studies are required depending on the type of the sensitive layer. It is difficult to obtain a silica thin film that selectively transmits only hydrogen gas. Is also hard to predict. However, the present inventors have recently focused on the function of the silica thin film and are selected from lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium and scandium which are considered to exhibit durability against exposure to hydrogen gas. As a result of intensive studies using a gas sensing element having a sensitive layer containing indium oxide as a main component to which at least one or more metal oxides are added in an amount of 1 to 5 atm%, hydrogen selection using an indium oxide semiconductor as a main material was performed. When a dense silica thin film is formed on a sensitive layer having a property, a new finding has been obtained that the gas detection element exhibits the above-described hydrogen gas selectivity.

【0007】つまり、このような水素ガス検知素子は、
前記感応層の水素ガス選択性の高さをさらに向上させつ
つも、さらに、高濃度水素ガスに対する耐久性も向上し
た高性能な検知素子となるのである。ここで、前記シリ
カ薄膜としては、水素ガスを選択的に透過するものとし
て形成してあると、水素ガス検知の際の選択性を高くす
ることができて有効であるとともに、化学蒸着処理によ
って形成すると、さらに、高濃度ガスによって劣化する
のを有効に予防できる。さらに、前記シリカ薄膜が、ヘ
キサメチルジシロキサンガス中で、前記貴金属線に電流
を流し、350℃〜550℃の条件下で25分〜25時
間の条件下で化学蒸着処理により形成された物であれ
ば、いずれの特性も同時に高くできるため、極めて安定
性に優れたガス検知素子を提供することができるように
なった。
That is, such a hydrogen gas detecting element is
The high-performance sensing element further improves the hydrogen gas selectivity of the sensitive layer and also has improved durability against high-concentration hydrogen gas. Here, when the silica thin film is formed so as to selectively transmit hydrogen gas, the selectivity at the time of detecting hydrogen gas can be increased, which is effective and formed by a chemical vapor deposition process. Then, it is possible to further effectively prevent deterioration due to the high concentration gas. Further, the silica thin film is formed by passing a current through the noble metal wire in a hexamethyldisiloxane gas and performing a chemical vapor deposition process at 350 ° C. to 550 ° C. for 25 minutes to 25 hours. If so, any of the characteristics can be simultaneously improved, so that a gas sensing element having extremely excellent stability can be provided.

【0008】このときこのような水素ガス検知素子の製
造方法としては、貴金属線材に酸化インジウム半導体ペ
ーストを塗布し、前記貴金属線材への通電により前記酸
化インジウム半導体を焼結させ、その酸化インジウム半
導体の焼結体を前記貴金属線材と共にヘキサメチルジシ
ロキサンガス中に導入すると共に、前記貴金属線に電流
を流し、350℃〜550℃の条件下で25分〜25時
間化学蒸着処理を行いシリカ薄膜を有する熱線型半導体
式ガス検知素子に形成すれば、前記貴金属線材を化学蒸
着処理を行う際のジュール熱供給源として用いることが
でき、簡便に水素ガス検知素子を得ることができるとと
もに、このような形態の水素ガス検知素子は、その径を
小さくすることができるという特徴を有するものであ
り、また、熱線型半導体式ガス検知素子は、貴金属線が
電極としての機能と同時にヒータとしての機能を持ち、
前記感応層を小径に形成した場合には、その感応層にジ
ュール熱を供給したときに、表面温度をほぼ一定に制御
しやすく、均一なシリカ膜を得るのに役立つ。また、こ
のように構造が簡単であるため、取扱いが容易で、生産
コストも安く設定できるという利点がある。
At this time, as a method of manufacturing such a hydrogen gas detecting element, an indium oxide semiconductor paste is applied to a noble metal wire, and the indium oxide semiconductor is sintered by energizing the noble metal wire, and the indium oxide semiconductor is formed. The sintered body is introduced into the hexamethyldisiloxane gas together with the noble metal wire, a current is applied to the noble metal wire, and a chemical vapor deposition treatment is performed at 350 ° C. to 550 ° C. for 25 minutes to 25 hours to have a silica thin film. If formed into a hot wire type semiconductor gas sensing element, the noble metal wire can be used as a Joule heat supply source when performing a chemical vapor deposition process, and a hydrogen gas sensing element can be easily obtained, and such a form can be obtained. Is characterized in that its diameter can be reduced. Body type gas sensing element is at the same time has a function as a heater noble metal wire and functions as an electrode,
When the sensitive layer is formed with a small diameter, when Joule heat is supplied to the sensitive layer, the surface temperature is easily controlled to be substantially constant, which helps to obtain a uniform silica film. In addition, since the structure is simple, there is an advantage that the handling is easy and the production cost can be set low.

【0009】尚、上述の作用が得られるのは、以下のよ
うな理由によると考えられる。前記感応層にシリカの薄
膜を形成すると、図21(模式図)に示すように、酸化
インジウムの焼結表面の性状に対応してシリカの結晶が
通常多孔質である前記感応層の孔を閉塞するように成長
し、あるいは、前記感応層の外表面に極めて細かな多孔
質構造を有する薄膜を形成し、分子篩の機能を持った緻
密な層を形成する。分子サイズの大きなエタノール等の
ガスは、シリカの緻密な層を通過できず、主に水素ガス
のみが、そのシリカの薄膜を透過して感応層に達する。
感応層に達した水素ガスは、酸化インジウムと接触し、
その表面吸着酸素と反応して水分子と自由電子とを生成
する。この際生じた自由電子が、水素検知出力として測
定される訳であるが、生じた水分子は、前記感応層を透
過して外部に放出されることになるため、前記シリカ薄
膜の感応層側では、吸着酸素不足になる。すると、前記
シリカ薄膜の感応層側では、酸素ガスのシリカ薄膜透過
速度が水素ガスの場合よりも遅いことから遅れがちにな
って、ガス状酸素濃度も低下するため、水素分子と吸着
酸素との反応にガス状酸素が悪影響を与えにくくなり、
微量の水素ガスであっても確実に自由電子を発生させる
ことになって、確実なガス検知が行えるようになるので
ある。また、インジウムの酸化数は、3価のもののみが
安定なものとして知られており、還元された状態では安
定に存在しにくいと考えられるため、水素ガスによる還
元作用を受けたとしてもすぐに元の酸化数に戻りやすい
ため、安定な挙動を示すものと考えられる。更に、酸化
インジウムの格子酸素は、イオン性が大きいことが知ら
れており、表面吸着酸素が熱的にも安定であり、酸化活
性も低いことから水素の強い還元力に対して有利と考え
られる。
It is considered that the above-mentioned effects are obtained for the following reasons. When a thin film of silica is formed on the sensitive layer, as shown in FIG. 21 (schematic diagram), silica crystals close the pores of the sensitive layer, which is usually porous, in accordance with the properties of the sintered surface of indium oxide. Or a thin film having an extremely fine porous structure is formed on the outer surface of the sensitive layer to form a dense layer having the function of a molecular sieve. A gas such as ethanol having a large molecular size cannot pass through the dense layer of silica, and only hydrogen gas mainly passes through the silica thin film to reach the sensitive layer.
The hydrogen gas that reaches the sensitive layer contacts the indium oxide,
It reacts with the surface adsorbed oxygen to generate water molecules and free electrons. The free electrons generated at this time are measured as a hydrogen detection output, but the generated water molecules are transmitted to the sensitive layer and released to the outside. Then, the adsorbed oxygen becomes insufficient. Then, on the sensitive layer side of the silica thin film, since the oxygen gas permeation rate of the silica thin film is slower than that of the hydrogen gas, the gas tends to be delayed, and the gaseous oxygen concentration also decreases. Gaseous oxygen is less likely to adversely affect the reaction,
Even with a small amount of hydrogen gas, free electrons are reliably generated, so that reliable gas detection can be performed. Also, the oxidation number of indium is known to be stable only in trivalent state, and it is considered that it is unlikely to exist stably in a reduced state. Since the oxidation number easily returns to the original value, it is considered that the behavior is stable. Furthermore, lattice oxygen of indium oxide is known to have high ionicity, and surface adsorbed oxygen is thermally stable and has low oxidizing activity, so it is considered to be advantageous for strong reducing power of hydrogen. .

【0010】その結果、水素ガスに対して高い感度を有
しながらも、1000ppm以上の高濃度水素ガスに対
する暴露に対しても劣化が少なく、かつ、湿度依存性が
小さくまた、硫黄酸化物等によっても被毒しにくい水素
ガス検知素子を提供できた。これにより、広い濃度範囲
で、信頼性高くガス検知できるようになった。
As a result, while having high sensitivity to hydrogen gas, there is little deterioration even when exposed to high concentration hydrogen gas of 1000 ppm or more, and the humidity dependency is small. Also provided a hydrogen gas detection element that is hardly poisoned. This has made it possible to detect gas with high reliability over a wide concentration range.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。市販の水酸化インジウム(In(O
H)3) の微粉体を電気炉を用いて焼成することにより酸
化インジウムの粉体が得られる。この酸化インジウムを
さらに粉砕し、微粉体とし、1.3−ブタンジオール等
の分散媒を用いてペースト状にし、貴金属線1を覆って
球状に塗布し、乾燥後前記貴金属線1に電流を流通さ
せ、空気中で焼結し、感応層2のみからなる熱線型半導
体式ガス検知素子を得た。この熱線型半導体式ガス検知
素子に、ランタン、カルシウム、バリウム、ガリウム、
アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム及びスカン
ジウムから選ばれる少なくとも一種以上の金属の塩の溶
液を含浸させ、乾燥・焼成して前記感応層2に、各種金
属を酸化物の形態で担持させる。こうして出来た熱線型
半導体式ガス検知素子を、例えば、ヘキサメチルジシロ
キサン(HMDS)の飽和蒸気圧(35℃で約9Vol
%)の環境において加熱する。加熱は、貴金属線1に電
流を流通させ、ジュール熱を発生させることにより感応
層2全体がヘキサメチルジシロキサンの分解温度以上に
なるように調整する。すると、雰囲気のヘキサメチルジ
シロキサンが熱分解して感応層2表面に緻密なシリカ薄
膜3を形成し、水素ガス検知素子として用いられるよう
になる(図1参照)。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Commercially available indium hydroxide (In (O
H) The fine powder of 3 ) is fired using an electric furnace to obtain indium oxide powder. This indium oxide is further pulverized to form a fine powder, formed into a paste using a dispersion medium such as 1.3-butanediol, applied in a spherical shape covering the noble metal wire 1, and after drying, a current is passed through the noble metal wire 1. Then, sintering was performed in the air to obtain a hot-wire type semiconductor gas detection element including only the sensitive layer 2. Lantern, calcium, barium, gallium,
A solution of a salt of at least one metal selected from aluminum, zirconium, yttrium and scandium is impregnated, dried and calcined to allow the sensitive layer 2 to carry various metals in the form of oxides. The hot-wire semiconductor gas detection element thus produced is subjected to, for example, a saturated vapor pressure of hexamethyldisiloxane (HMDS) (about 9 Vol at 35 ° C.).
%) In the environment. The heating is adjusted so that current flows through the noble metal wire 1 to generate Joule heat so that the entire sensitive layer 2 becomes higher than the decomposition temperature of hexamethyldisiloxane. Then, the hexamethyldisiloxane in the atmosphere is thermally decomposed to form a dense silica thin film 3 on the surface of the sensitive layer 2, which is used as a hydrogen gas detecting element (see FIG. 1).

【0012】この水素ガス検知素子を図2に示すブリッ
ジ回路に組み込み、ガス検知装置として用いた。このと
きセンサ出力(出力)は、以下の数式によって得られ
る。
This hydrogen gas detecting element was incorporated in a bridge circuit shown in FIG. 2 and used as a gas detecting device. At this time, the sensor output (output) is obtained by the following equation.

【0013】V=−E{rs/(rs+r0)−r1/
(r1+r2)} ここで、各変数は以下のとおりである。 V :センサ出力 E :ブリッジ電圧 rs :熱線型半導体式ガス検知素子Rsの抵抗 r0 :固定抵抗R0の抵抗 r1 :固定抵抗R1の抵抗 r2 :固定抵抗R2の抵抗
V = −E {rs / (rs + r0) −r1 /
(R1 + r2)} Here, each variable is as follows. V: sensor output E: bridge voltage rs: resistance of the hot-wire semiconductor gas detection element Rs r0: resistance of the fixed resistance R0 r1: resistance of the fixed resistance R1 r2: resistance of the fixed resistance R2

【0014】また、感度は、検知ガス共存空気中の出力
と、清浄空気中出力との差として求めた。尚、相対感度
として感度を表記する場合、ある特定条件下の感度出力
を1とした比をもって他の条件下における感度を示した
ものを指すこととしている。
The sensitivity was determined as the difference between the output in the air coexisting with the detection gas and the output in the clean air. When the sensitivity is expressed as the relative sensitivity, the ratio is defined as a ratio where the sensitivity output under a specific condition is set to 1 and the sensitivity under another condition is indicated.

【0015】[0015]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 〔実施例1〕 市販の水酸化インジウム(In(OH)3)
((株)高純度化学研究所社製、純度99.99atm
%)の微粉体を電気炉を用いて600℃で4時間焼成す
ることにより酸化インジウムの粉体が得られる。この酸
化インジウムをさらに粉砕し、微粉体とし、1.3−ブ
タンジオール(分散媒)を用いてペースト状にし、貴金
属線としての白金線コイル(線径20μm)を覆って直
径0.50mmの球状に塗布し、乾燥後前記白金線コイ
ルに電流を流通させ、600℃で1時間空気中で焼結
し、熱線型半導体式ガス検知素子を得た。この熱線型半
導体式ガス検知素子に、硝酸ランタンの水溶液を含浸さ
せ、乾燥・焼成して前記酸化インジウムに対して1at
m%添加させる。更に、この熱線型半導体式ガス検知素
子に、下記の条件で、シリカ薄膜を蒸着した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1 Commercially available indium hydroxide (In (OH) 3 )
(Purity 99.99atm, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.)
%) In an electric furnace for 4 hours at 600 ° C. to obtain indium oxide powder. This indium oxide is further pulverized to a fine powder, made into a paste using 1.3-butanediol (dispersion medium), and covered with a platinum wire coil (wire diameter 20 μm) as a noble metal wire, and a spherical shape having a diameter of 0.50 mm. After drying, a current was passed through the platinum wire coil and sintering was performed at 600 ° C. for 1 hour in air to obtain a hot-wire type semiconductor gas detection element. This hot wire type semiconductor gas sensing element is impregnated with an aqueous solution of lanthanum nitrate, dried and fired, and 1 atm with respect to the indium oxide.
m%. Further, a silica thin film was deposited on the hot-wire type semiconductor gas sensing element under the following conditions.

【0016】HMDS蒸着処理 処理温度 :550℃ 処理時間 :25分 HMDS蒸気圧:9Vol%(35℃) 感度測定電圧 :2.3V(10Ω)HMDS vapor deposition treatment Processing temperature: 550 ° C. Processing time: 25 minutes HMDS vapor pressure: 9 Vol% (35 ° C.) Sensitivity measurement voltage: 2.3 V (10Ω)

【0017】このようにして作成したガス検知素子の感
度特性を調べ、このガス検知素子に高濃度の水素ガスに
暴露させたときのガス感度の変化をしらべた。その結果
図3の様になった。
The sensitivity characteristics of the gas detection element thus prepared were examined, and the change in gas sensitivity when the gas detection element was exposed to a high concentration of hydrogen gas was examined. The result was as shown in FIG.

【0018】つまり、高濃度の水素に暴露されたとして
も感度変化の起きにくいガス検知素子が得られているこ
とがわかる。
In other words, it can be seen that a gas detection element which does not easily cause a change in sensitivity even when exposed to high concentration hydrogen is obtained.

【0019】〔比較例1〕 同様にして酸化スズ(Sn
2 )半導体を主成分とする感応層を備えた熱線型半導
体式ガス検知素子を得た。この熱線型半導体式ガス検知
素子に、硝酸セリウムの水溶液を含浸させ、乾燥・焼成
して前記酸化スズに対して2atm%添加させる。更
に、この熱線型半導体式ガス検知素子に下記の条件でシ
リカ薄膜を蒸着した。
Comparative Example 1 Tin oxide (Sn
A hot-wire type semiconductor gas sensing element having a sensitive layer mainly composed of O 2 ) semiconductor was obtained. The hot wire type semiconductor gas sensing element is impregnated with an aqueous solution of cerium nitrate, dried and fired to add 2 atm% to the tin oxide. Further, a silica thin film was vapor-deposited on the hot-wire semiconductor gas detection element under the following conditions.

【0020】 処理温度 :550℃ 処理時間 :25分 HMDS蒸気圧:9Vol%(35℃) 感度測定電圧 :2.3V(10Ω)Processing temperature: 550 ° C. Processing time: 25 minutes HMDS vapor pressure: 9 Vol% (35 ° C.) Sensitivity measurement voltage: 2.3 V (10Ω)

【0021】このようにして作成したガス検知素子の感
度特性を調べ、このガス検知素子に高濃度の水素ガスに
曝露させたときのガス感度の変化を調べた。また、曝露
後のガス感度の回復についても調べた。その結果、図4
の様になった。尚、水素ガスの暴露条件は、3%の水素
ガスに10分間であり、ガス感度の回復度合いは、前記
暴露試験後1日間通常環境下の通電状態を維持した後の
ガス感度によって調べた。
The sensitivity characteristics of the gas detection element thus prepared were examined, and changes in gas sensitivity when the gas detection element was exposed to a high concentration of hydrogen gas were examined. The recovery of gas sensitivity after exposure was also investigated. As a result, FIG.
It became like. The hydrogen gas exposure condition was 3% hydrogen gas for 10 minutes, and the degree of recovery of the gas sensitivity was examined by the gas sensitivity after maintaining the energized state under a normal environment for one day after the exposure test.

【0022】つまり、酸化スズを主成分とする感応層を
有するガス検知素子は高濃度の水素ガスに暴露された後
には、水素感度が大きく低下していることが分かり、し
かも、1日放置後も感度が回復していないことが分か
る。
That is, it can be seen that the gas sensing element having the sensitive layer containing tin oxide as a main component has a greatly reduced hydrogen sensitivity after being exposed to a high concentration of hydrogen gas. It can also be seen that the sensitivity has not recovered.

【0023】〔比較例2〕同様にして酸化インジウム半
導体を主成分とする感応層に前記添加物を加えることな
く形成した熱線型半導体式ガス検知素子を作成し、この
ガス検知素子を高濃度の水素ガスに暴露させたときのガ
ス感度の変化を調べた。また、暴露後のガス感度の回復
についても調べた。その結果、図5の様になった。尚、
水素ガスの曝露条件は、3%の水素ガスに10分間であ
り、ガス感度の回復度合いは、前記暴露試験後2日間通
常環境下の通電状態を維持した後のガス感度によって調
べた。
COMPARATIVE EXAMPLE 2 In the same manner, a hot-wire type semiconductor gas sensing element was formed without adding the above-mentioned additive to a sensitive layer containing an indium oxide semiconductor as a main component. The change in gas sensitivity when exposed to hydrogen gas was examined. The recovery of gas sensitivity after exposure was also investigated. As a result, the result was as shown in FIG. still,
The hydrogen gas exposure conditions were 3% hydrogen gas for 10 minutes, and the degree of recovery of the gas sensitivity was determined by the gas sensitivity after maintaining an energized state under a normal environment for two days after the exposure test.

【0024】つまり、高濃度の水素ガスに曝露された後
には、水素感度が大きく低下していることがわかる。し
かし、酸化インジウム半導体を主成分とする感応層を有
するガス検知素子は、酸化スズ半導体を主成分とするも
のに比べて、感度の回復性には優れていることが分か
る。
That is, it can be seen that the hydrogen sensitivity is greatly reduced after exposure to a high concentration of hydrogen gas. However, it can be seen that the gas sensing element having a sensitive layer containing an indium oxide semiconductor as a main component is superior in recovering sensitivity as compared with a gas detection element containing a tin oxide semiconductor as a main component.

【0025】〔実施例2〕化学蒸着処理によるセンサ出
力の前記感応層へのランタン添加量依存性を調べたとこ
ろ図6の様になった。尚、蒸着処理条件は実施例1と同
様である。
Example 2 The dependence of the sensor output by chemical vapor deposition on the amount of lanthanum added to the sensitive layer was examined, and the results are as shown in FIG. The conditions for the vapor deposition are the same as in the first embodiment.

【0026】すなわち、蒸着処理を行ったものは、蒸着
処理を行っていないものに比べて、エタノール2000
ppmに対して水素感度が高く、ガス選択性に優れてい
ることが読みとれる。
That is, the one subjected to the vapor deposition treatment was compared with the one not subjected to the vapor deposition treatment to have ethanol 2000 times.
It can be seen that the hydrogen sensitivity to ppm is high and the gas selectivity is excellent.

【0027】また、ランタン添加量を種々に変化させた
ときの感度の水素ガス濃度依存性を調べたところ図7〜
図9のようになった。図3、図6を参照してもランタン
添加量は、1atm%以上あれば、十分な効果を発揮
し、添加量を増加させてもガス選択性に関してはあまり
影響を与えないことが分かった。尚、添加量が増加する
につれ、ガス応答速度が低下する現象が見られるため
に、添加量は、5atm%以下とすることが望ましいこ
ともわかった。
The dependence of the sensitivity on the hydrogen gas concentration when the amount of added lanthanum was varied was examined.
It was as shown in FIG. Referring to FIGS. 3 and 6, it was found that if the added amount of lanthanum is 1 atm% or more, a sufficient effect is exhibited, and even if the added amount is increased, the gas selectivity is not significantly affected. In addition, since the phenomenon that the gas response speed decreases as the addition amount is observed, it was also found that the addition amount is desirably 5 atm% or less.

【0028】〔実施例3〕同様に添加する金属の酸化物
を種々に変更して感度特性を調べたところ図10〜図1
6のようになった。つまり、ランタンに替えて、カルシ
ウム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウ
ム、イットリウム、スカンジウムを用いても同様に、高
濃度水素の曝露に対する耐久性が向上したことが分か
る。
Example 3 Similarly, the sensitivity characteristics were examined by variously changing the added metal oxide.
It looked like 6. In other words, it can be seen that the durability against exposure to high-concentration hydrogen was similarly improved by using calcium, barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium, and scandium instead of lanthanum.

【0029】〔実施例4〕同様に酸化ランタンを添加し
た酸化インジウム半導体を主成分とする感応層を備えた
熱線型半導体式ガス検知素子について種々のガスに対す
る検知特性を調べたところ図17の様になった。つま
り、高い水素選択性が得られていることが分かる。
Example 4 Similarly, the detection characteristics of various types of gases for a hot-wire semiconductor gas detection element having a sensitive layer containing indium oxide semiconductor to which lanthanum oxide was added as a main component were examined, as shown in FIG. Became. That is, it is understood that high hydrogen selectivity is obtained.

【0030】〔実施例5〕上述の熱線型半導体式ガス検
知素子における、水素ガス感度の感度出力(図15参
照)を500ppm、1000ppm、2000ppm
を基準として表現し直すと、図18〜20の様になり、
比較的直線性の高いグラフが得られる。このことから、
干渉ガスの影響を受けにくい設定をしやすい水素選択性
ガス検知素子が得られることが分かる。
[Embodiment 5] The sensitivity output of hydrogen gas sensitivity (see FIG. 15) in the above-described hot-wire type semiconductor gas detection element was 500 ppm, 1000 ppm, and 2000 ppm.
When re-expressed on the basis of, as shown in FIGS.
A relatively linear graph can be obtained. From this,
It can be seen that a hydrogen-selective gas detection element that is easy to set and is not easily affected by the interference gas can be obtained.

【0031】〔別実施形態〕以下に別実施形態を説明す
る。先の実施の形態では、ペーストを作成するための酸
化インジウムを得るのに市販の水酸化インジウムを焼結
したが、塩化インジウム等のインジウム塩水溶液から水
酸化インジウムの沈殿物を得るとともに、水洗、乾燥、
焼結により、酸化インジウムを得るようにしても良い。
(共沈法) また、先の実施の形態では、シリカ薄膜を形成するのに
HMDSを用いたが、ハロシラン(SiXx4-x )、
アルキルシラン(Rx SiH4-x )、アルキルハロシラ
ン(Rx SiX4-x )、シリルアルコキシド((RO) x
Si( OH)4-x) (ただしXはハロゲン、Rはアルキル
基であり、xは1〜4の整数であり、X、Rともに複数
種混在してもかまわない。)等、他のケイ素化合物を用
いることも出来る。この様な場合、HMDSとは条件は
異なるとは思われるが、前述の条件と類似の条件下で緻
密なシリカ薄膜が得られると予想されるからである。
尚、本発明において貴金属線は白金線コイルに限らず白
金とパラジウムの合金等、他の貴金属類を採用してもか
まわない。
[Another Embodiment] Another embodiment will be described below. In the above embodiment, commercially available indium hydroxide was sintered to obtain indium oxide for preparing the paste, but a precipitate of indium hydroxide was obtained from an aqueous solution of indium salt such as indium chloride, and washed with water. Drying,
Indium oxide may be obtained by sintering.
(Co-precipitation method) In the above embodiment, HMDS was used to form a silica thin film, but halosilane (Six x H 4-x ),
Alkyl silane (R x SiH 4-x ), alkyl halosilane (R x SiX 4-x ), silyl alkoxide ((RO) x
Si (OH) 4-x ) (where X is a halogen, R is an alkyl group, x is an integer of 1 to 4, and a mixture of a plurality of types may be used for both X and R). Compounds can also be used. In such a case, the conditions are considered to be different from those of HMDS, but a dense silica thin film is expected to be obtained under conditions similar to those described above.
In the present invention, the noble metal wire is not limited to the platinum wire coil, and other noble metals such as an alloy of platinum and palladium may be used.

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

【図1】水素ガス検知素子の一部断面斜視図FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of a hydrogen gas detecting element.

【図2】ガス検知装置の回路説明図FIG. 2 is a circuit diagram of a gas detection device.

【図3】本発明のガス検知素子(添加剤ランタン、1a
tm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を示すグラ
FIG. 3 is a gas sensing element of the present invention (additive lanthanum, 1a
(tm%) is a graph showing durability against exposure to high concentration hydrogen.

【図4】比較例のガス検知素子の高濃度水素の曝露に対
する耐久性を示すグラフ
FIG. 4 is a graph showing the durability of a gas detection element of a comparative example to exposure to high-concentration hydrogen.

【図5】比較例のガス検知素子の高濃度水素の曝露に対
する耐久性を示すグラフ
FIG. 5 is a graph showing the durability of a gas detection element of a comparative example to exposure to high-concentration hydrogen.

【図6】ガス検知感度のランタン添加量依存性を示すグ
ラフ
FIG. 6 is a graph showing the dependence of gas detection sensitivity on the amount of lanthanum added.

【図7】本発明のガス検知素子(添加剤ランタン、2a
tm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を示すグラ
FIG. 7 shows a gas detection element (lanthanum additive, 2a) of the present invention.
(tm%) is a graph showing durability against exposure to high concentration hydrogen.

【図8】本発明のガス検知素子(添加剤ランタン、4a
tm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を示すグラ
FIG. 8 shows a gas detection element of the present invention (additive lanthanum, 4a
(tm%) is a graph showing durability against exposure to high concentration hydrogen.

【図9】本発明のガス検知素子(添加剤ランタン、6a
tm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を示すグラ
FIG. 9 shows a gas sensing element of the present invention (additive lanthanum, 6a
(tm%) is a graph showing durability against exposure to high concentration hydrogen.

【図10】本発明のガス検知素子(添加剤カルシウム、
2atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を示す
グラフ
FIG. 10 shows a gas sensing element (additive calcium,
Graph showing durability against exposure to high concentration hydrogen (2 atm%).

【図11】本発明のガス検知素子(添加剤ジルコニウ
ム、2atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 11 is a graph showing the durability of the gas detection element (zirconium additive, 2 atm%) of the present invention to exposure to high concentration hydrogen.

【図12】本発明のガス検知素子(添加剤アルミニウ
ム、2atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 12 is a graph showing the durability of the gas detection element (additive aluminum, 2 atm%) of the present invention to exposure to high concentration hydrogen.

【図13】本発明のガス検知素子(添加剤バリウム、
2.5atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 13 shows a gas detection element (additive barium,
A graph showing the durability against exposure to high concentration hydrogen (2.5 atm%).

【図14】本発明のガス検知素子(添加剤ガリウム、
0.5atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 14 shows a gas detection element (additive gallium,
Is a graph showing durability against exposure to high-concentration hydrogen (0.5 atm%).

【図15】本発明のガス検知素子(添加剤イットリウ
ム、4atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 15 is a graph showing the durability of the gas detection element (additive yttrium, 4 atm%) of the present invention to exposure to high-concentration hydrogen.

【図16】本発明のガス検知素子(添加剤スカンジウ
ム、4atm%)の高濃度水素の曝露に対する耐久性を
示すグラフ
FIG. 16 is a graph showing the durability of the gas sensing element of the present invention (additional scandium, 4 atm%) to exposure to high concentration hydrogen.

【図17】本発明のガス検知素子のガス選択性を示すグ
ラフ
FIG. 17 is a graph showing gas selectivity of the gas detection element of the present invention.

【図18】500ppm水素ガス感度を基準にした本発
明のガス検知素子の水素感度曲線を示すグラフ
FIG. 18 is a graph showing a hydrogen sensitivity curve of the gas detection element of the present invention based on 500 ppm hydrogen gas sensitivity.

【図19】1000ppm水素ガス感度を基準にした本
発明のガス検知素子の水素感度曲線を示すグラフ
FIG. 19 is a graph showing a hydrogen sensitivity curve of the gas detection element of the present invention based on 1000 ppm hydrogen gas sensitivity.

【図20】2000ppm水素ガス感度を基準にした本
発明のガス検知素子の水素感度曲線を示すグラフ
FIG. 20 is a graph showing a hydrogen sensitivity curve of the gas detection element of the present invention based on 2000 ppm hydrogen gas sensitivity.

【図21】シリカ薄膜によるガス選択性の向上を説明す
る模式図
FIG. 21 is a schematic view illustrating an improvement in gas selectivity by a silica thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 貴金属線 2 感応層 3 シリカ薄膜 1 Noble metal wire 2 Sensitive layer 3 Silica thin film

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 貴金属線を覆って、酸化インジウムを主
成分とする半導体から形成される感応層を設けてあるガ
ス検知素子であって、前記感応層にランタン、カルシウ
ム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウ
ム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる少なく
とも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加して
あるとともに、緻密なシリカ薄膜を形成してある水素ガ
ス検知素子。
1. A gas sensing element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component over a noble metal wire, wherein the sensitive layer includes lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, A hydrogen gas detection element which contains at least 1 to 5 atm% of an oxide of at least one metal selected from zirconium, yttrium and scandium and forms a dense silica thin film.
【請求項2】 貴金属線を覆って、酸化インジウムを主
成分とする半導体から形成される感応層を設けてあるガ
ス検知素子であって、前記感応層にランタン、カルシウ
ム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウ
ム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる少なく
とも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加して
あるとともに、感応層に水素選択透過性のシリカ薄膜を
形成してある水素ガス検知素子。
2. A gas sensing element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component and covering a noble metal wire, wherein the sensitive layer includes lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, A hydrogen gas detection element comprising an oxide of at least one metal selected from zirconium, yttrium, and scandium in an amount of 1 to 5 atm% and forming a hydrogen selective permeable silica thin film on a sensitive layer.
【請求項3】 貴金属線を覆って、酸化インジウムを主
成分とする半導体から形成される感応層を設けてあるガ
ス検知素子であって、前記感応層にランタン、カルシウ
ム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウ
ム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる少なく
とも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加して
あるとともに、感応層にシリカ薄膜を化学蒸着処理によ
って形成してある水素ガス検知素子。
3. A gas sensing element provided with a sensitive layer formed of a semiconductor containing indium oxide as a main component over a noble metal wire, wherein the sensitive layer includes lanthanum, calcium, barium, gallium, aluminum, A hydrogen gas detection element containing an oxide of at least one metal selected from zirconium, yttrium, and scandium in an amount of 1 to 5 atm%, and a silica thin film formed on a sensitive layer by a chemical vapor deposition process.
【請求項4】 前記感応層が、前記感応層にランタン、
カルシウム、バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジル
コニウム、イットリウム及びスカンジウムから選ばれる
少なくとも一種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添
加してある酸化インジウムの焼結体であり、前記シリカ
薄膜が、ヘキサメチルジシロキサンガス中で、前記貴金
属線に電流を流し、350℃〜550℃で25分〜25
時間の条件下で化学蒸着処理により形成された物である
請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素ガス検知素
子。
4. The sensitive layer, wherein the sensitive layer has a lantern,
A sintered body of indium oxide to which 1 to 5 atm% of an oxide of at least one metal selected from calcium, barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium and scandium is added; An electric current is passed through the noble metal wire in siloxane gas, and the temperature is set at 350 to 550 ° C. for 25 minutes to 25 minutes.
The hydrogen gas detection element according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen gas detection element is formed by a chemical vapor deposition process under a condition of time.
【請求項5】 貴金属線材に、ランタン、カルシウム、
バリウム、ガリウム、アルミニウム、ジルコニウム、イ
ットリウム及びスカンジウムから選ばれる少なくとも一
種以上の金属の酸化物を1〜5atm%添加してある酸
化インジウムペーストを塗布し、前記貴金属線材への通
電により前記酸化インジウムを焼結させ、その酸化イン
ジウムの焼結体を前記貴金属線材と共にヘキサメチルジ
シロキサンガス中に導入すると共に、前記貴金属線に電
流を流し、350℃〜550℃で25分〜25時間の条
件下で化学蒸着処理を行い、シリカ薄膜を形成する水素
ガス検知素子の製造方法。
5. A precious metal wire comprising lanthanum, calcium,
An indium oxide paste containing 1 to 5 atm% of an oxide of at least one metal selected from barium, gallium, aluminum, zirconium, yttrium, and scandium is applied, and the indium oxide is baked by energizing the noble metal wire. Then, the sintered body of indium oxide is introduced into the hexamethyldisiloxane gas together with the noble metal wire, and a current is applied to the noble metal wire to perform chemical reaction at 350 ° C. to 550 ° C. for 25 minutes to 25 hours. A method for producing a hydrogen gas detection element that forms a silica thin film by performing a vapor deposition process.
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