JPS6247542A

JPS6247542A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPS6247542A
Application number: JP18800685A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujioka; 藤岡　透; Hideo Kawamura; 英雄河村; Tomoji Kawai; 知二川合
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1985-08-27
Filing date: 1985-08-27
Publication date: 1987-03-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕この発明はガスセンサに関する。

〔背景技術〕

従来、金属酸化物半導体の表面に被検ガスが接触すると
半導体の抵抗が変化することから被検ガスの検出がなさ
れるようにした半導体式ガスセンサや、触媒を担持させ
た白金（Ｐｔ）線の抵抗が、可燃性ガスの接触時、白金
の触媒作用による上記可燃性ガスの燃焼によって変化す
ることがら被検ガスの検出がなされるようにした接触燃
焼式ガスセンサがある。これらのガスセンサは、低価格
でもあることから、家庭用ガス漏警報器などに組込まれ
て広（実用に供されている。しかしながら、その検出の
原理からして、特定のガスを選択的に検出することが困
難であり、妨害ガスに感応して誤報を発してしまうとい
う問題がある。

他方、工業用のガス、例えば、−酸化窒素ガスや、亜硫
酸ガスなどの無機性ガスの検出をおこなうためのものと
して、透過性膜を通して被検ガスを拡散吸収させた電解
質溶液中に設けられた電極上での酸化還元反応に起因す
る電解電流の量の変化によって被検ガスの検出がなされ
るようにした電解式ガスセンサもある。しかしながら、
このガスセンサでは、電解質溶液の交換をおこなわなけ
ればならないというやっかいな保守作業を必要とするだ
けでなく、検出システム自身が複雑で高価となるという
問題がある。

〔発明の目的〕

この発明は、以上のような現状に溺み、選択的な被検ガ
ス検出に通しているとともに、保守が不要で、しかも、
取扱い易い固体のガスセンサを提供することを目的とす
る。

〔発明の開示〕

前記目的を達成するため、この発明は、光照射により触
媒作用を有するようになる半導体光触媒材料をガス感応
部として用いるとともに、この半導体光触媒材料の光照
射面に一対の電極が形成されていて、前記光照射がなさ
れて触媒作用があるもとで被検ガスによって生ずる前記
半導体光触媒材料の電気的変化を前記被検ガスの検出信
号として前記電極間からとり出すようにしたガスセンサ
を要９旨とする。

以下、この発明を、その−実施例等をあられした図面を
参照しながら詳述する。

第１図は、この発明にかかるガスセンサの一実施例の主
要部分の外観をあられしたものである。

第２図は、このガスセンサの動作機構を説明するための
エネルギーバンド図をあられしたものである。

この発明にかかるガスセンサでは、光照射を触媒とする
半導体光触媒材料（以下、「光触媒材料」と略記する）
をガス感応部として用いている。

第２図にみるように、価電子帯（充満帯）Ａの上端のエ
ネルギーと導電帯Ｂの下端のエネルギーの差に相当する
エネルギーギャップＥｇよりも大きいエネルギーを有す
る波長の光りを光触媒材料に照射すると・、この材料の
結晶内部に電子Ｅと正孔Ｈが発生する。この光照射によ
って生じた電子Ｅと正孔Ｈは非常に強い酸化力・還元力
を有している。これらの電子Ｅまたは正孔Ｈと被検ガス
分子との反応機構は複雑であるため、つまびらかではな
いが、基本的には、つぎのようなものであると推察され
る。この電子Ｅは、接触した被検ガス分子に与えられる
こととなるので、被検ガス分子が還元され、光触媒材料
自身は酸化されるという酸化還元反応が生じ、他方、正
孔Ｈは接触した被検ガス分子から電子を受けとることと
なるので、被検ガス分子が酸化され、光触媒材料自身は
還元されるという酸化還元反応が生ずることになると推
察されるのである。したがって、被検ガスの種類によっ
て、上記ふたつの酸化還元反応のうち片一方の反応が起
きて、光触媒材料に電気的変化が生ずるのである。そし
て、光触媒材料の価電子帯Ａおよび伝導帯Ｂのエネルギ
ーレベルと被検ガス分子の酸化あるいは還元のエネルギ
ーレベルとの相対的な位置関係によって、選択的な被検
ガス検出をおこなうことができる。正孔Ｈが関与する酸
化還元反応の場合、価電子帯Ａの上端より高い位置に酸
化エネルギーを持つガス分子についてのみ正孔によるガ
ス分子の酸化がおこるのである。光触媒材料の種類によ
って、検出できる被検ガスの種類が決まるのである。そ
のため、種類の異なる光触媒材料を備えた複数個のガス
センサを同時に用いれば、種類の異なる被検ガスの同時
測定ができるなど高機能の使用形態がとれることとなる
。

このように、この発明にかかるガスセンサでは、光照射
によって光触媒材料に発生する電子や正孔が、直接、被
検ガスとの反応に供与され、この反応によって光触媒材
料に電気的変化が生ずるので、光触媒材料の光照射がな
される表面に一対の電極を取付けてこの電気的変化を被
検ガス検出信号としてとり出せばよいのである。このよ
うに、光触媒材料の同じ面上に両方の電極が形成され横
型構造となっていると製造が容易となる。被検ガスの濃
度に応じて電子または正孔の増減量がかわることとなる
ので、とり出される被検ガス抄出信号量も被検ガスのガ
ス濃度に応じてかわることとなる。また、電解質溶液を
用いる場合のような、保守作業を必要とする液相が使わ
れていないので、保守の必要もなく、いわゆる、メンテ
ナンスフリーのガスセンサとなっている。

この発明にかかるガスセンサで検出できるガスの種類を
例示する。可燃性や爆発性を有するガスとしては、水素
ガス、メタンガス、エタンガス、エチレンガス、プロパ
ンガス、ブタンガス、ベンゼンガス、トルエンガス、ア
セトンガス、メチルエチルケトンガスなどのほか、メチ
ルアルコールガス、エチルアルコールガス、イソプロピ
ルアルコールガスなどの各種アルコールガスがある。有
毒性や有害性を有するガスとしては、−酸化炭素ガス、
酸化窒素ガス、亜硫酸ガス、硫化水素ガス、アンモニヤ
ガスなどがある。その他に、半導体を製造する工程に使
われるガスとしては、アルシンガス、ホスフィンガス、
ジポランガスなどがある。

第１図を参照しながら、より具体的な製造例の説明をお
こなう。

このガスセンサ１は、石英ガラス基板（縦５龍×横５　
ｍ　Ｘ厚み１ｍｍ）４の上に形成されたｎ型半導体であ
るＴ　ｉ　０２層２（光触媒材料）を備えているととも
に、このＴｉＯ２層２の表面に、第１図（ａ）にみるよ
うに、一対の（し形状をした電極３ａ、３ｂを備えてい
る。図示のように、くし状の両電極３ａ、３ｂは互いに
入り組んでいる。このようにすれば、互いの対向長さが
増し、感度が良くなるからである。しかし、これは必須
ではない。そして、電極３ａ、３ｂには、それぞれ、第
１図（ｂ）にみるように、リード線としてＡｕ線５．５
′が導電ペースｌ−６，６’によって接着されている。

ＴｉＯ２層２は、高純度のＴｉＯ２ターゲツト材をＡｒ
ガス雰囲気中で高周波スパッタリング法により石英ガラ
ス基板４上に蒸着して形成した。Ｔ１０２層２の膜厚は
約１２００オングストロームであった。そして、ガス感
応膜としての機能を高めるために、スパンクリング後は
、Ｈ２−Ｎ２混合ガス雰囲気中での還元処理を行った。

これは、ＴｉＯ２層を還元雰囲気下で加熱し、酸素欠陥
を作りＴ１０２層の抵抗値を少し下げるために行われる
。電極３ａ、３ｂは、Ｉｎ材を蒸着することによって形
成した。この電極３ａ、３ｂとＴｉＯ２層２の接触は、
いわゆる、オーミ’７クコンタクトとなっている。

つぎに、第３図および第４図を参照しながら、被検ガス
の具体的な検出動作の説明を行う。

第３図は、第２図に示されたガスセンサ１を用いて被検
ガスの検出をおこなうときのシステムの概略をあられし
たものであり、第４図は、このガスセンサ１からの被検
ガス検出信号の経時変化をあられしたものである。なお
、被検ガスには、エタノールガスを用いた。

反射鏡１０で反射された５００ＷのＸｅランプ１１の光
を、レンズ１２で収束してガスセンサ１の光触媒材料（
Ｔｉ０２層２）上に照射できるようになっている。一方
、ポテンショスタット１３によって、ガスセンサ１の電
＋Ｅｔｉ３ａ、３ｂ間の電圧を、常に一定の値に維持で
きるように、配線がなされている。Ｘｅランプ１１の光
は、Ｔ　ｉ　０２眉のエネルギーギャップＥｇ（３，２
ｅＶ）に相当する波長（約３８５０オングストローム）
より短い波長成分を有しているため、照射されるとＴｉ
Ｏ２層内に電子と正孔が生ずる。このポテンショスタッ
ト１３はレコーダ１４に接続されていて、電極３ａ、３
ｂ間を流れる電流の変化が記録されるようになっている
。第４図の曲ＧＭ、　ｌは、この電流の経時変化を示し
たものである。

電極３ａ、３ｂ間の電圧が、常に、　６０ｍＶとなるよ
うにポテンショスタット１３を設定する。そうすると、
光を照射しない暗時には、第４図にみるように、０．３
１ｍＡの電流が流れる。この暗時には、第３図の矢印に
示すようにエタノールガスが光触媒材料に導入されても
、電流値は変化しない。時刻Ｔ１で、Ｘｅランプ１１か
らの光が照射されると、キャリアが発生して光電流が流
れることとなるので０．７１ｍＡまで電流が増加する。

この光が照射された状態で、エタノールガスを時刻Ｔ２
で導入すると、第４図にみるように、エタノールガスが
導入されている間は電流が増えてピークＰ１があられれ
、時刻Ｔ３でエタノールガスを排気するとピークＰ１が
消える。時刻Ｔ４と時刻Ｔ５の間で、より濃度の高いエ
タノールガスを導入するとピークＰ２があられれる。こ
れは、光照射がなされている間に生じている正孔がエタ
ノールガスを酸化しているためであり、気相の被検ガス
に対して反応していることがわかる。

なお−暗時には、エタノールに躍らず、前記した各種の
ガスを接触させたけれども電流値の変動は生じなかった
。このことから光照射時のみ、被検ガスの検出がなされ
るように、選択的な光触媒作用が光触媒材料に発現して
いることがわかるのである。

以上の説明では、光触媒材料としてＴｉＯ２を例示した
が、例えば、ＺｎＯのようなものでもよく、要は光照射
がなされたときに、電子や正孔が生ずるものであればよ
い。また電極材料としては、Ａｌなどでもよく、例示し
たＩｎに附られるものではない。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明にかかるガスセンサは、
光照射により触媒作用を有するようになる半導体光触媒
材料をガス感応部として用いるとともに、この半導体光
触媒材料の光照射面に一対の電極が形成されていて、光
照射時に被検ガスによって生ずる半導体光触媒材料の電
気的変化を被検ガス検出信号として一対の電極から取り
出す構成となっている。そのため、選択的な被検ガス検
出に適しているとともに、実質的に保守が不用で、しか
も、取扱い易い全固体のガスセンサが実現できることと
なる。また、同一表面に一対の信号取出の電極が形成さ
れている横型構造であるため製造も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は、この発明にかかるガスセン
サの一実施例の主要部をあられす図であって、図（ａ）
は平面図であり、図（ｂ）は正面図である。第２図は、
このガスセンサの基本的な動作機構を説明するためのエ
ネルギーバンド図、第３図は、上記のガスセンサを用い
て被検ガスの検出をおこなうときのシステムの概略説明
図、第４図は、ガスセンサを流れる電流の経時変化をあ
られしたグラフである。１・・・ガスセンサ　２・・・ＴｉＯ２層（半導体光触
媒材料　３ａ、３ｂ・・・電極代理人　弁理士　　松　本　武　彦第１図（ａ）第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光照射により触媒作用を有するようになる半導体
光触媒材料をガス感応部として用いるとともに、この半
導体光触媒材料の光照射面に一対の電極が形成されてい
て、前記光照射がなされて触媒作用があるもとで被検ガ
スによって生ずる前記半導体光触媒材料の電気的変化を
前記被検ガスの検出信号として前記電極間からとり出す
ようにしたガスセンサ。
（２）一対の電極が、それぞれ、くし形状をしていて、
互いに入り組むように配設されている特許請求の範囲第
１項記載のガスセンサ。