KR0158561B1 - Method of manufacturing thick-film for one-fired inflammability gas sensor - Google Patents

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KR0158561B1 KR1019940018152A KR19940018152A KR0158561B1 KR 0158561 B1 KR0158561 B1 KR 0158561B1 KR 1019940018152 A KR1019940018152 A KR 1019940018152A KR 19940018152 A KR19940018152 A KR 19940018152A KR 0158561 B1 KR0158561 B1 KR 0158561B1
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신병철
정대식
전선택
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이구택
포항종합제철주식회사
신현준
재단법인 산업과학기술연구소
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Abstract

본 발명은 종래의 금속촉매 대신 금속산화물을 사용하고, 또한 이중 소성공정을 거치지 않고 1회 소성만으로도 가스감도가 우수한 가스센서용 후막을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.The present invention is to use a metal oxide instead of a conventional metal catalyst, and to provide a thick film for a gas sensor excellent gas sensitivity only once firing without going through a double firing step, an object thereof.

본 발명은 원자%로, Mg(NO3)2, 6H2O: 1%이하 및 잔부 SnO2로 이루어지는 기본 조성에 산화물 촉매제로서 Nb2O5: 1.0%이하, 및 NiO: 1.0%이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가하여 조성됨을 특징으로 하는 고감도 가스센서용 후막에 관한 것을 그 요지로 한다.In the present invention, the atomic composition is selected from Nb 2 O 5 : 1.0% and NiO: 1.0% or less as an oxide catalyst in a basic composition consisting of Mg (NO 3 ) 2 , 6H 2 O: 1% or less and the balance SnO 2 . The present invention relates to a thick film for high-sensitivity gas sensors, characterized in that one or two kinds are added.

Description

1회 소성에 의한 고감도 가연성 가스센서용 후막의 제조방법Manufacturing method of thick film for high sensitivity flammable gas sensor by one time firing

제1도는 가스 감도를 측정하기 위한 가스센서용 후막 시편의 연결상태도.1 is a connection state diagram of a thick film specimen for a gas sensor for measuring the gas sensitivity.

제2도는 제1도의 시편에 대한 가스감도측정 장치의 개략 구성도.2 is a schematic configuration diagram of a gas sensitivity measuring device for the specimen of FIG.

제3도는 본 발명재와 비교재에 대한 온도변화에 따른 가스감도를 나타내는 그래프.3 is a graph showing the gas sensitivity according to the temperature change for the present invention and the comparative material.

본 발명은 가스 누출을 감지하는 가스 경보기의 가스센서용 후막에 관한 것으로서, 보다 상세히는 고감도 가스센서용 세라믹 후막에 관한 것이다.The present invention relates to a thick film for a gas sensor of the gas alarm for detecting a gas leak, and more particularly to a ceramic thick film for a high sensitivity gas sensor.

일반적으로 가스 경보를 위한 가스센서는 여러 종류가 있으나 실제 산업체에서는 취급이 용이한 세라믹 반도체 가스센서가 주로 이용되고 있다.In general, there are many types of gas sensors for gas alarm, but in actual industry, ceramic semiconductor gas sensors that are easy to handle are mainly used.

이러한 가스센서에 있어서 가장 중요한 점은 고감도를 부여하는 것으로서, 종래에는 가스센서의 가스감도를 증진시키기 위하여 주성분인 SnO2에 금속촉매를 첨가한 가스센서가 주로 사용되었다.The most important point in such a gas sensor is to provide high sensitivity, and in the past, a gas sensor in which a metal catalyst is added to SnO 2 as a main component is mainly used to enhance the gas sensitivity of the gas sensor.

이와 같이 금속촉매를 사용한 가스센서 소재에 대한 종래의 대표적인 기술로는 Pt를 이용한 방법(영국특허 번호 제2249179호. 1992.4.29), Pd을 이용한 방법(일본공개특허공보 평 4-218760, 1992.8.10) 및 Au를 이용한 방법(일본공개특허공보 평 1-232247, 1989.9.18)등을 들 수 있는데, 상기 기술들은 가스감도 특성이 향상되는 장점이 있으나, 상기한 금속의 입자를 제한하며 이중 소성공정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 즉, 상기 제조방법들은 금속 입자의 입도를 0.1㎛로 제한하여 주성분인 SnO2를 900℃ 이상으로 소결한 후 그 입자 표면에 금속입자를 피복시키고 다시 600℃ 정도에서 소성하는 과정을 거치게 된다. 이외에도 금속입자 대신 PdCl을 첨가하는 방법이 있지만(일본 공개특허공보 평5-133923, 1993.5.28), 이 방법 역시 2중 소성과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.As a typical representative technique for a gas sensor material using a metal catalyst, a method using Pt (UK Patent No. 2249179. 1992.4.29), a method using Pd (Japanese Patent Laid-Open No. 4-218760, 1992.8. 10) and a method using Au (Japanese Patent Laid-Open No. 1-232247, 1989.9.18) and the like, but the above techniques have an advantage of improving gas sensitivity characteristics, but limiting the particles of the metal and double firing. There is a disadvantage to go through the process. In other words, the manufacturing method is to limit the particle size of the metal particles to 0.1㎛ sintered SnO 2 as the main component at 900 ℃ or more, and then to coat the metal particles on the surface of the particle and then baked at about 600 ℃. In addition, there is a method of adding PdCl instead of metal particles (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-133923, May 28, 1993), but this method also has a disadvantage of undergoing a double firing process.

따라서, 본 발명은 SnO2를 주성분으로 하되, 종래의 금속촉매 대신 금속산화물을 사용하고, 또한 이중 소성공정을 거치지 않고 1회 소성만으로도 가스감도가 우수한 가스센서용 후막의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is intended to provide a method for producing a thick film for gas sensors having a high sensitivity to SnO 2 as a main component, using a metal oxide instead of a conventional metal catalyst, and only one firing without a double firing step There is a purpose.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated.

본 발명은 원자%로, Mg(NO3)2, 6H2O: 1%이하 및 잔부 SnO2로 이루어지는 기본 조성에 산화물 촉매제로서 Nb2O5: 1.0%이하, 및 NiO: 1.0%이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가한 후 900-1400의 온도범위에서 1회 소성 하는 것을 특징으로 하는 고감도 가스센서용 후막의 제조방법에 관한 것이다.In the present invention, the atomic composition is selected from Nb 2 O 5 : 1.0% and NiO: 1.0% or less as an oxide catalyst in a basic composition consisting of Mg (NO 3 ) 2 , 6H 2 O: 1% or less and the balance SnO 2 . It relates to a method for producing a thick film for high sensitivity gas sensor, characterized in that the firing once in the temperature range of 900-1400 after the addition of one or two species.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 SnO2를 기본물질로 하며, 상기 SnO2는 가연성 가스와 접촉하면 전도도가 증가하여 우수한 가스 감도 특성을 나타낸다.The present invention uses SnO 2 as a base material, and SnO 2 exhibits excellent gas sensitivity characteristics by increasing conductivity when contacted with flammable gas.

상기 SnO2에 소결조제로서 Mg(NO3)2, 6H2O를 첨가하여 소결을 용이하게 하는데, 이 때 상기 소결조제는 기본 SnO2물질에 대하여 통상 1.0원자%(이하, %라함)이하로 첨가한다.As a sintering aid to the SnO 2 or less Mg (NO 3) 2, to facilitate the sintering was added to 6H 2 O, In this case the sintering aid is usually from 1.0 at% (hereinafter,% Abraham) with respect to the base SnO 2 material Add.

본 발명은 종래의 금속촉매 대신에 금속산화물을 기본 SnO2물질 및 소결조제에 첨가하여 배합하므로서 종래의 금속촉매를 피복시키기 위한 2차 소성공정을 생략할 수 있다. 이 때, 금속 산화물로는 Nb2O5및 NiO를 사용하며, 그 첨가량은 Nb2O5및 NiO를 단독 또는 2종을 함께 1.0% 이하로 함이 바람직하다. 만일, 상기 Nb2O5및 NiO를 1.0% 이상으로 하여 단독 또는 2종을 함께 첨가하면 소결조직에 제2상이 형성되면서 전기 전도도가 떨어져 가스센서용 후막으로 사용하기에 부적합하게 된다.The present invention can omit the secondary firing step for coating the conventional metal catalyst by adding a metal oxide to the basic SnO 2 material and the sintering aid instead of the conventional metal catalyst. At this time, Nb 2 O 5 and NiO are used as the metal oxide, and the amount of addition thereof is preferably 1.0% or less of Nb 2 O 5 and NiO alone or in combination. If Nb 2 O 5 and NiO are added in an amount of 1.0% or more alone or two kinds are added together, a second phase is formed in the sintered structure, and thus electrical conductivity is inferior, making it unsuitable for use as a thick film for a gas sensor.

상기와 같이 조성된 가스센서용 후막은 통상의 방법으로 하소시킨 다음, 1회의 소결열처리 공정만으로 제조가 가능하다. 이 때, 소결온도는 일반적으로 900~1400℃의 온도 범위에서 실시함이 바람직한데, 그 이유는 900℃ 이하에서 소결하면 소결 자체가 미흡하고, 1400℃ 이상의 온도에서 소결하면 출발원료가 용융상태로 되기 때문이다.The thick film for the gas sensor, which has been prepared as described above, may be calcined by a conventional method and then manufactured by only one sintering heat treatment step. At this time, the sintering temperature is generally preferably carried out in the temperature range of 900 ~ 1400 ℃, because the sintering itself is insufficient when sintering at 900 ℃ or less, the starting material is melted if Because it becomes.

상기 제조된 가스센서용 후막은 TEM으로 관찰시 종래의 금속촉매를 사용한 경우 제2상이 형성되는 것과는 달리, 표면 산화물에 의해 일부 고용체를 형성하게 되며, 우수한 감도를 갖게 되는 것이다.The manufactured thick film for a gas sensor is unlike the second phase is formed when using a conventional metal catalyst when observed by TEM, to form a partial solid solution by the surface oxide, it will have excellent sensitivity.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

[실시예]EXAMPLE

하기표 1과 같은 조성을 갖는 출발 원료를 부피 250㏄인 플라스틱 통에 약 50g을 넣고, 혼합 용매인 증류수를 50㏄, 지르코니아 볼을 200g 넣어 12-14시간 볼밀링하였다. 볼밀링이 끝난 슬러리를 건조 오븐에 5시간 이상 건조 시킨 후, 500℃까지 분당 5℃의 속도로 승온하여 2시간 유지하여 하소시킨 다음, 분당 10℃의 속도로 냉각하였다. 상기 하소된 분말을 유발로 분쇄하면서 200메쉬 체(sieve)를 통과시키고, 통과된 분말을 유기 결합제와 5:3의 무게비로 혼합하여 100메쉬 스크린을 이용하여 96% 알루미나 기판에 인쇄하였다. 인쇄된 패턴을 150℃에서 24시간 건조시킨 후 900℃까지 분당 5℃의 속도로 승온시켜 2시간 유지하여 소성한 후, 분당 10℃의 속도로 냉각시켜 가스센서용 후막을 제조하였다.About 50 g of a starting material having a composition as shown in Table 1 was placed in a plastic barrel having a volume of 250 kPa, 50 kPa of distilled water as a mixed solvent, and 200 g of zirconia ball were ball milled for 12-14 hours. The ball milling slurry was dried in a drying oven for at least 5 hours, then heated to 500 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute, held for 2 hours, calcined, and cooled at a rate of 10 ° C. per minute. The calcined powder was passed through a 200 mesh sieve while grinding with a mortar, and the passed powder was mixed with an organic binder in a weight ratio of 5: 3 and printed on a 96% alumina substrate using a 100 mesh screen. The printed pattern was dried at 150 ° C. for 24 hours, heated to 900 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute, maintained for 2 hours, and then fired, and cooled at 10 ° C. per minute to prepare a thick film for a gas sensor.

상기와 같이 제조된 가스센서용 후막에 대하여 가스감도를 측정하기 위해 제1도와 같이 알루미나 기판(12) 상에 측정할 후막(11)을 올려놓고 후막(11)의 양단에 전선(14)을 감고 상기 후막(11)과 전선(14) 사이에는 은전극(13)을 바른 다음 이 연결 시편을 제2도와 같은 측정장치를 이용하여 후막의 저항을 2단자법으로 -5~+5 볼트 범위에서 측정하였다.In order to measure the gas sensitivity for the gas sensor thick film manufactured as described above, the thick film 11 to be measured is placed on the alumina substrate 12 as shown in FIG. 1, and the wires 14 are wound on both ends of the thick film 11. Apply the silver electrode 13 between the thick film 11 and the wire 14, and then measure the resistance of the thick film in the range of -5 to +5 volts using a two-terminal method using a measuring device as shown in FIG. It was.

제2도의 측정장치는 제1도의 시편(1)이 내장된 튜브(2)를 발열 시키는 가열로(3), 튜브(2)내로 혼합가스를 공급하는 가스 혼합기(7), 상기 가스혼합기에 공기와 CO가스를 공급제어하는 유량계(6a) 및 (6b). 이들 유량계(6a)(6b)를 제어하는 유량계 제어기(6), 상기 시편(1)의 저항을 측정하기 위한 전압 전류 측정기(4)와 이들을 제어하는 컴퓨터(5)로 구성되며, 가스감도는 건조 공기 분위기에서의 저항을 가스분위기에서의 저항으로 나눈 값으로 측정된다.The measuring apparatus of FIG. 2 includes a heating furnace 3 for generating heat of a tube 2 in which the specimen 1 of FIG. 1 is embedded, a gas mixer 7 for supplying a mixed gas into the tube 2, and air to the gas mixer. And flowmeters 6a and 6b for supply control of CO gas. It consists of a flow meter controller 6 for controlling these flow meters 6a and 6b, a voltage current meter 4 for measuring the resistance of the specimen 1 and a computer 5 for controlling them, and the gas sensitivity is dry. It is measured as the resistance in the air atmosphere divided by the resistance in the gas atmosphere.

이 때, 저항은 150~300℃의 온도구간에서 약 30℃ 간격으로 냉각 중에 측정되며, 측정 온도 유지상태에서 건조공기를 흘려주면서 평형을 유지시킨 후 20분 간격으로 3차례 저항을 측정하였다.At this time, the resistance was measured during cooling at intervals of about 30 ° C. at a temperature range of 150 to 300 ° C., and the resistance was measured three times at 20 minute intervals after maintaining the equilibrium while flowing dry air in the measurement temperature maintaining state.

건조분위기에서 저항이 측정된 뒤에는 5000ppm 농도의 CO 분위기에서 건조 분위기에서 저항 측정과 동일하게 저항을 측정하였다.After the resistance was measured in a dry atmosphere, the resistance was measured in the same manner as the resistance measurement in a dry atmosphere in a CO atmosphere of 5000ppm concentration.

상기와 같이 온도변화에 따라 측정된 시편의 가스 감도에 대한 결과는 제3도에 나타내었다.As described above, the results of gas sensitivity of the specimen measured according to the temperature change are shown in FIG. 3.

제3도에서 알 수 있듯이, 소결 조제인 Mg(NO), 6HO 이외에 첨가제가 없는 비교재의 경우에는 가스 감도가 2.0을 넘기 힘든 반면에 NbO를 첨가한 발명재(A)의 경우에는 250℃ 부근에서 감도가 4.0까지 나오며, NbO대신 NiO 첨가한 발명재(B)의 경우에는 가스 감도가 5.0 이상으로 향상되었으며, NbO와 NiO를 함께 첨가한 발명재(C)의 경우에도 350℃ 이하에서 3정도의 감도를 유지함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 조건 범위를 만족하는 발명재의 경우 1회의 소성을 거치면서도 종래의 가스센서용 후막의 가스감도에 비하여 동등 이상의 가스 감도를 유지함을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 3, in the case of the comparative material without additives other than the sintering aids Mg (NO) and 6HO, the gas sensitivity was hardly exceeded 2.0, while in the case of the inventive material (A) containing NbO, the temperature was around 250 ° C. Sensitivity is up to 4.0, and in the case of the invention material (B) in which NiO is added instead of NbO, the gas sensitivity is improved to 5.0 or more, and in the case of the invention material (C) in which NbO and NiO are added together, the sensitivity is about 3 at 350 ° C or less. It can be seen that the sensitivity is maintained. Therefore, it can be seen that the invention material satisfying the condition range of the present invention maintains the gas sensitivity equal to or higher than the gas sensitivity of the conventional thick film for a gas sensor even after one firing.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 금속촉매 대신 금속산화물을 사용하고, 또한 이중 소성공정을 거치지 않고, 1회 소성만으로도 가스 감도가 우수한 가스센서용 후막을 제공하는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of using a metal oxide instead of a conventional metal catalyst and providing a thick film for a gas sensor excellent in gas sensitivity even with a single firing without undergoing a double firing step.

Claims (1)

가연성 가스센서용 후막의 제조방법에 있어서, 원자%로 Mg(NO3)2, 6H2O: 1%이하 및 잔부 SnO2로 이루어지는 기본 조성에 산화물 촉매제로서 Nb2O5: 1.0%이하, 및 NiO: 1.0%이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가한 후 900-140℃의 온도에서 1회 소성 하는 것을 특징으로 하는 1회 소성에 의한 고감도 가연성 가스센서용 후막의 제조방법.In the method for producing a thick film for combustible gas sensors, Nb 2 O 5 : 1.0% or less as an oxide catalyst in a basic composition consisting of Mg (NO 3 ) 2 , 6H 2 O: 1% or less and the balance SnO 2 in atomic%; and NiO: A method for producing a thick film for a highly sensitive flammable gas sensor by one firing, characterized in that the firing is carried out once at a temperature of 900-140 ° C. after adding one or two selected from 1.0% or less.
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