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JPH0380257B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0380257B2
JPH0380257B2 JP59004742A JP474284A JPH0380257B2 JP H0380257 B2 JPH0380257 B2 JP H0380257B2 JP 59004742 A JP59004742 A JP 59004742A JP 474284 A JP474284 A JP 474284A JP H0380257 B2 JPH0380257 B2 JP H0380257B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
sensitive
sensitivity
catalyst layer
copper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP59004742A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS60149957A (en
Inventor
Masayuki Shiratori
Tadashi Sakai
Masaki Katsura
Osamu Takigawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP474284A priority Critical patent/JPS60149957A/en
Priority to KR1019840003650A priority patent/KR870001258B1/en
Priority to EP84304357A priority patent/EP0130785B1/en
Priority to DE8484304357T priority patent/DE3469596D1/en
Priority to US06/625,127 priority patent/US4569826A/en
Publication of JPS60149957A publication Critical patent/JPS60149957A/en
Publication of JPH0380257B2 publication Critical patent/JPH0380257B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔発明の技術分野〕 本発明は感ガス素子に係り、特に換気用として
優れた感ガス素子に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来から各種のガスに接触して抵抗値の変化す
る例えばSnO2系酸化物半導体等のガス感応体を
用いた感ガス素子について各種の研究がなされて
いる。一般には有毒ガスであるCOガス等ほぼ単
一のガスに対し特定の感度を有するように、例え
ば触媒、ガス感応体の選択を行なつている。 近年、ホームエレクトロニクス、すなわち一般
家庭における各種装置の電子制御化が進んでい
る。その一貫として感ガス素子を利用して室内の
雰囲気により自動的に換気を行なうようなシステ
ムの研究がある。このような換気を行なうための
制御信号を発するのに用いられる感ガス素子に要
求される特性としては、 不快感を与えるか又は有害である各種のガス
に対して一様な感度を有すること。 応答脱離特性に優れていること。 耐湿性に優れていること。 等が挙げられる。 感ガス素子の抵抗値の変化によりガスを検出す
るわけであるが、特定のガスに対してのみ感度が
優れていると制御信号を発するためのしきい値の
設定が困難である。又、換気のON/OFFの信号
を出す必要があるため、すばやい応答特性が要求
され、かつガスが一定濃度以上になつたときには
速やかにOFF信号を出す必要があり、脱離特性、
すなわち定常状態に復帰する時間も短かくする必
要がある。さらには、一般的な雰囲気にさらされ
るため、湿度の影響は大きく耐湿性に優れている
ことも重要である。また、常時感ガス素子を駆動
しない場合、動作を開始した時にすばやく安定状
態に落着き、測定可能な状態となる必要がある。 このような換気用の感ガス素子の測定対象ガス
としては、COガス、タバコの煙、アルコール等
が具体的に挙げられる。従来のPt、Pd等の貴金
属触媒を用いた感ガス素子では、例えばCO、ア
ルコール等に対する感度が大きすぎたり、耐湿性
に劣つたりして、このような換気用としては必ず
しも十分ではない。 又、TiO2にW等を担持させた触媒をガス感応
体に混合する試みもある(特開昭58−118953号)
が、感度の不均一性、耐湿性、長期安定性に問題
が残る。 〔発明の目的〕 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
換気を要するガスに対する感度が一様に優れ、か
つ応答脱離特性、耐湿性にも、優れた感ガス素子
を提供することを目的とする。 〔発明の概要〕 本発明の感ガス素子は、基板上に一対の電極を
有するガス感応体を備え、このガス感応体表面に
は担体に銅及びタングステンが併せて担持されて
なる触媒層が形成されていることを特徴とするも
のである。 すなわち本発明者等は銅及びタングステンを併
せて担持させた触媒層をもちいることにより、上
述の目的が達成されることを見出したものであ
る。 換気を要するガスとして、有毒ガスであるCO
ガス、不快感を与えるガスであるタバコ煙等が代
表例として挙げられる。COガスはその危険性か
ら200ppm程度が検出基準となり、タバコ煙につ
いては経験的な結果として500ppm程度が検出基
準となる。本発明によれば、その感度の比率が
0.9〜1.1とほぼ等しく、両者を検出する場合、非
常に好都合である。 また他の測定対象となるガス例えばアルコール
(50ppm程度)等でも同様である。 耐湿性についてみると、従来のPd系の触媒を
使つたものは、高湿中(湿度90%、室温)で放置
した場合、抵抗値がドリフトしてしまい、ガス検
知が困難となる。また応答・脱離特性も、本願発
明においては、応答1分以内及び脱離が3分以内
程度であり、従来のPd系の応答3分及び脱離10
分以上と比較して格段に優れたものである。 触媒として銅を用いること、特に硫酸銅を用い
たことにより、耐湿性が飛躍的に向上し、感度も
ある程度までは向上する。またガスに対する応
答・脱離特性も改善される。しかしながら換気用
として考慮した場合、タバコ煙に対する感度が低
い。しかしながらタングステンを担持せしめるこ
とにより、タバコ煙に対する感度も向上し、各ガ
スともほぼ一様の感度を有するようになる。 この触媒の担持量は銅(Cu)及びタングステ
ン(W)に換算して、担体に対し、0.1〜30重量
%の範囲が好ましい。0.1重量%以下では触媒と
しての効果が発揮されず、又30重量%より多い
と、かえつて触媒能を低下せしめてしまう。 ここで、ガス感応体薄膜の膜厚は1000Å〜1μ
mの範囲にあることが好ましく、この膜厚が1μ
mを超えるとガスに対する感度が低下し、また
1000Åより小さい場合には、感度が低下すると同
時にそのバラツキが大きくなる。更に厚膜触媒層
の厚みは10〜50μmの範囲にあることが好まし
く、この範囲を外れると感度、応答脱離特性等の
触媒効果が低下する。 前述のごとく換気用センサとしては各種ガスに
対して平均的な感度が要求される。従つて例えば
代表的なCOガスとタバコ煙との感度比が Ssn(タバコ煙感度/Scp(co感度)=1であること
が望まれる。一般にCOガスの方がタバコ煙より
高感度であるため、実用上は0.8〜1近傍が好ま
しい。 ここで触媒層中の銅とタングステンの比率が原
子比(W/Cu)で0.1より小さくなると、すなわ
ちタングステン量が少なくなるとタバコ煙に対す
る感度が低下し、Ssn/Scpが0.8より小さくなつて
しまい、事実上タバコ煙に対しては感度を示さな
くなつてしまう。また、W/Cuが10を越えてし
まうと、すなわちCu量が少なくなると全体的に
ガス感度が低下してしまう。よつて実用上は、
W/Cuが0.1〜10の範囲であることが好ましい。 本発明における感ガス素子は例えば以下に示す
ような方法で製造される。 まず基板としてはAl2O3等のセラミツク基板等
の耐熱性かつ絶縁性の基板を用い、電極としては
Au、Pt等を用い、スクリーン印刷法、スパツタ
リング法、蒸着法等により形成する。この電極は
ガス感応体上で対向して設けられ、ガス感応体と
基板との間、ガス感応体と触媒層との間どちらに
設けても良い。また基板は円筒状のものを用い、
その外周面にガス感応体を形成しても良いし、平
板状のものでよい。 またガス感応体としては、一般に用いられる
SnO2系、In2O3系、Fe2O3系、ZnO系等の測定対
象ガスに接触してその抵抗値の変化する酸化物半
導体を用いる。このSnO2系、In2O3系、Fe2O3系、
ZnO系酸化物半導体は、それぞれSnO2、In2O3
Fe2O3、ZnOを主成分とし、必要に応じAl3+
Nb5+、Sb3+、Sb5+等の副成分が添加されたもの
である。このガス感応体は、スパツタリング法、
蒸着法、塗布焼結、有機化合物の熱分解等により
形成される。しかしながら、ガス感度、再現性、
耐久性等から、スパツタリング法、熱分解法等を
用いた薄膜でガス感応体を構成することが好まし
い。またガス感度等の点からSnO2系を用いる方
が好ましい。一般に感ガス素子はヒーターにより
加熱して用いるが、薄膜の方が熱容量が小さく、
効率的であるのに加え、応答・脱離特性でも厚膜
焼結の場合に比べ格段にすぐれる。 さらに、熱分解法によれば基板の形状によらず
均一な薄膜を容易に得ることができ、この薄膜は
例えば次のようにして作成される。 一例としてSnO2系の場合を示す。 まず、スズの金属石鹸(例えば2−エチルヘキ
サン酸スズ)あるいは、Snを含有する樹脂塩、
スズのアルコキシド(ROSn;ただし、Rはアル
キル基)、さらにはスズの有機金属化合物
(RSn;ただし、Rはアルキル基あるいはアリー
ル基)などのSnを含有する有機化合物又は、こ
れにNbあるいはSbを含有する有機化合物を所定
量添加した混合物をトルエン、ベンゼン、n−ブ
チルアルコールなどの適宜な溶剤を用いて溶解
し、Snの所定濃度の試料溶液を調製する。Sn濃
度は1.0〜20重量%の範囲にあることが好ましい。 つぎに、この試料溶液を一対の電極を有する基
板に塗布し、空気中で所定時間(通常30分〜1時
間)放置した後、適宜な温度(通常約120℃)に
加熱して用いた溶剤を気化せしめる。しかる後
に、全体を空気中で30分〜1時間に亘り400〜700
℃の温度で焼成すると、Snを含有する有機化合
物は熱分解し、あわせてSnは酸化されて、ここ
にSnO2薄膜が形成される。用いる試料溶液のSn
濃度によつて異なり一義的には定められないが、
この塗布−焼成の工程を1〜4回程度反復して所
定の膜厚のSnO2薄膜が形成される。 不純物としてNb、Sbを添加した薄膜を作成し
た場合、Nb、Sbはいずれもドナーとして機能す
る。Nb、Sbは、Snに対する原子比(Nb/Sn又
はSb/Sn)で0.005〜0.05の範囲内の量であるこ
とが好ましい。 次に触媒層について述べる。 例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)を担体と
し硫酸銅(CuSO4)及びタングステン酸化物
(WOx)が担持された触媒層を用いた触媒層は次
のようにして製造される。 まず結晶硫酸銅(CuSO4・5H2O)及びタング
ステン酸アンモニウムを含む水溶液に所定の割合
でAl2O3を浸漬する。充分に撹拌混合の後、1〜
2時間減圧乾燥し、更に100℃で加熱乾燥する。
その後乳鉢で粉砕等の方法で粉末として、石英ル
ツボに入れて400〜600℃の温度で焼成する。この
ように調整された触媒をバインダとしての例えば
アルミニウムヒドロキシクロライド等の水溶液を
用いて泥漿とし、この泥漿をガス感応体上に所定
の厚みで塗布乾燥し、その後400〜500℃で焼成し
て触媒層を形成する。CuSO4の分解温度は約650
℃であるので、この温度以下、例えば600℃以下
で行なうことが好ましい。この焼成によりタング
ステンは酸化物(WOx)となると考えられる。 本発明においては、このようにCu及びWが併
せて担持された触媒層を用いることにより、各種
ガスに対する感度が増大し、一様の値をとるとと
もに、耐湿性が非常に向上する。 特に耐湿性は、Cuを硫酸銅として担持させた
ときに効果が顕著である。これは触媒効果に加
え、CuSO4が空気中の水分を吸収・離脱し、5水
塩となり、加熱すると無水塩となる性質があるた
め、感ガス素子に対する湿度の影響を抑えること
ができるためと考えられる。また担持層としては
SiO2、ZrO2、SiO2、SiO2−Al2O3等の他の担体
を用いることも考えられるが、耐湿性の面から
Al2O3が最適である。 また、銅の原料として、塩化銅(CuAl2)、硝
酸銅(CuNO3)を用いることも可能であるが、
耐湿性の面ではCuSO4を用いた場合が最も安定な
特性を示す。 また一般に感ガス素子は、ガス応答性改善、ガ
ス選択性を得るためヒータを具備し、動作温度を
制御するが、例えば円筒状の基板を用いた場合は
その内部にヒーターを配置してもよいし、平板状
の場合は、ガス感応体を形成した面の裏面、また
は絶縁体面を介してガス感応体の下層に配置する
こともできる。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、 COガス、タバコ煙等に対する感度が一様に
優れている。 耐湿性に優れる。 応答・脱離特性に優れる。 等の効果を奏する感ガス素子を得ることができ、
換気用センサとして特に有効である。 〔発明の実施例〕 本発明の実施例を以下に説明する。第1図は本
発明の感ガス素子を示す断面図、第2図は本発明
の感ガス素子を示す斜視図である。 (1) ガス感応体の形成 2−エチルヘキサン酸スズをSnの含有量が
10重量%となるようにn−ブタノールに溶解し
て試料溶液を調整した。さらに、不純物として
用いたNb、Sbに関しては各々、Nb−レジネ
ート、アンチモニイn−ブチレート((n−
OC4H93Sb)を用い、Snに対する原子比で
各々0.1となるように溶液を調整した。 これを、第1図に示したような、一対の電極
2を予め設けた基板1の筒の外側表面に塗布し
て空気中に1時間放置した後、120℃に加熱し
てn−ブタノールを気化せしめた。ついで全体
を400℃1時間空気中で焼成した。この塗布−
焼成の工程を3回反復して厚み約0.3μmの
SnO2薄膜からなるガス感応体3を作成した。 (2) 触媒層の形成 CuSO4、5H2O及びNH4(W7O24)・4H2Oを
水に溶解して表面積約100m2/gのAl2O3微粉
を浸漬し充分撹拌した。Al2O3微粉を別し1.5
時間減圧乾燥して水分を除去した後、蒸発乾固
した。ついで、乳鉢で粉砕し、得られた粉末を
石英ルツボの中に入れて400℃で焼成した。こ
の触媒の粉末をアルミニウムヒドロキシクロラ
イド水溶液(Al2O31%)の中に入れて泥漿と
した。この泥漿を、SnO2薄膜の上に塗布した
後、乾燥し、全体を400℃で焼成した。厚み
20μmのCuSO4−WOx担持Al2O3の触媒層4が
形成された。 このように構成された感ガス素子は、第2図
に示したように絶縁板5に立設されたピン6の
上に他と接触しない状態に取付けて保持されガ
ス検知装置を構成する。図中7は電極用のリー
ド線、8はヒータを表わし、該ヒータ8は、素
子の表面温度(動作温度)を調整するために用
いられる。 本実施例ではSnO2をガス感応体として用い
たが、ZnO、In2O3、Fe2O3系でも同様である。 (3) 感度特性の測定 以上のようにして製造した本発明の感ガス素
子を用いて200ppmのCO、500ppmのタバコ煙
に対し、感度をRair/Rgasとして測定した。
ここで、Rairは測定ガスを含まない空気中に
おいて素子が示した抵抗値であり、Rgasは上
記ガスをそれぞれの濃度含有する空気中におい
て素子が示した抵抗値である。Rair/Rgasが
大きい程、高感度であることを意味する。なお
素子温度は約350℃とした。 ここでCOガスは一定量を測定槽中に注入す
る方法で行ない、タバコ煙は日本専売公社の各
種銘柄を用い、例えば注射器を用い通常人の吸
収する速度で補集し、この吸引煙(タバコ煙と
空気の混合物)を測定槽中に注入した。 その結果を第1表に示す。
[Technical Field of the Invention] The present invention relates to a gas-sensitive element, and particularly to a gas-sensitive element excellent for use in ventilation. [Technical background of the invention and its problems] Various studies have been conducted on gas-sensitive elements using gas-sensitive materials, such as SnO 2 -based oxide semiconductors, whose resistance changes when in contact with various gases. There is. In general, catalysts and gas sensitizers are selected to have a specific sensitivity to almost a single gas such as CO gas, which is a toxic gas. In recent years, home electronics, that is, electronic control of various devices in general households, has been progressing. As part of this effort, there is research into a system that uses gas-sensitive elements to automatically ventilate the room depending on the atmosphere. The characteristics required of gas-sensitive elements used to issue control signals for such ventilation include uniform sensitivity to various gases that are unpleasant or harmful. Excellent responsive desorption characteristics. Must have excellent moisture resistance. etc. Gas is detected based on changes in the resistance value of the gas-sensitive element, but if the sensitivity is excellent only for a specific gas, it is difficult to set a threshold for issuing a control signal. In addition, since it is necessary to issue a ventilation ON/OFF signal, a quick response characteristic is required, and when the gas concentration exceeds a certain level, it is necessary to immediately issue an OFF signal.
In other words, it is necessary to shorten the time it takes to return to a steady state. Furthermore, since it is exposed to a general atmosphere, it is important that it has excellent moisture resistance because it is greatly affected by humidity. In addition, when the gas-sensitive element is not driven all the time, it is necessary to quickly settle into a stable state when it starts operating, and to enter a measurable state. Specific examples of gases to be measured by such a gas-sensitive element for ventilation include CO gas, cigarette smoke, alcohol, and the like. Conventional gas-sensitive elements using noble metal catalysts such as Pt and Pd are not necessarily sufficient for such ventilation applications, as they are too sensitive to CO, alcohol, etc., and have poor moisture resistance. There is also an attempt to mix a catalyst in which W or the like is supported on TiO 2 into a gas sensitive material (Japanese Patent Application Laid-open No. 118953/1982).
However, problems remain with nonuniform sensitivity, moisture resistance, and long-term stability. [Object of the invention] The present invention has been made in consideration of the above points, and
It is an object of the present invention to provide a gas-sensitive element that has uniformly excellent sensitivity to gases that require ventilation, and also has excellent response desorption characteristics and moisture resistance. [Summary of the Invention] The gas-sensitive element of the present invention includes a gas-sensitive body having a pair of electrodes on a substrate, and a catalyst layer formed by carrying copper and tungsten together on a carrier is formed on the surface of the gas-sensitive body. It is characterized by the fact that That is, the present inventors have discovered that the above object can be achieved by using a catalyst layer that supports both copper and tungsten. CO, a toxic gas, is a gas that requires ventilation.
Typical examples include gas and cigarette smoke, which is a gas that causes discomfort. Due to its danger, the detection standard for CO gas is around 200 ppm, and empirical results indicate that the detection standard for cigarette smoke is around 500 ppm. According to the present invention, the sensitivity ratio is
It is approximately equal to 0.9 to 1.1, and it is very convenient to detect both. The same applies to other gases to be measured, such as alcohol (approximately 50 ppm). Regarding humidity resistance, if conventional catalysts using Pd-based catalysts are left in high humidity (90% humidity, room temperature), the resistance value will drift, making gas detection difficult. In addition, regarding the response and desorption characteristics, in the present invention, the response time is within 1 minute and the desorption time is within 3 minutes, compared to the conventional Pd system, which has a response time of 3 minutes and desorption time of 10 minutes.
This is much better than the previous model. By using copper as a catalyst, especially by using copper sulfate, moisture resistance is dramatically improved and sensitivity is also improved to a certain extent. The response and desorption characteristics to gas are also improved. However, when considered for ventilation, the sensitivity to tobacco smoke is low. However, by supporting tungsten, the sensitivity to tobacco smoke is also improved, and each gas has a substantially uniform sensitivity. The amount of this catalyst supported is preferably in the range of 0.1 to 30% by weight based on the carrier in terms of copper (Cu) and tungsten (W). If the amount is less than 0.1% by weight, the catalytic effect will not be exhibited, and if it is more than 30% by weight, the catalytic ability will be reduced. Here, the thickness of the gas sensitive thin film is 1000Å to 1μ.
It is preferable that the film thickness is in the range of 1 μm.
If it exceeds m, the sensitivity to gas decreases, and
When it is smaller than 1000 Å, the sensitivity decreases and at the same time its dispersion increases. Further, the thickness of the thick film catalyst layer is preferably in the range of 10 to 50 μm, and if it is outside this range, the catalytic effects such as sensitivity and response desorption characteristics will be degraded. As mentioned above, ventilation sensors are required to have average sensitivity to various gases. Therefore, for example, it is desirable that the sensitivity ratio between typical CO gas and cigarette smoke is S sn (cigarette smoke sensitivity/S cp (co sensitivity) = 1. CO gas is generally more sensitive than cigarette smoke. Therefore, in practice, it is preferably around 0.8 to 1.If the ratio of copper to tungsten in the catalyst layer becomes less than 0.1 in terms of atomic ratio (W/Cu), that is, if the amount of tungsten decreases, the sensitivity to cigarette smoke will decrease. However, when S sn /S cp becomes smaller than 0.8, it becomes virtually insensitive to cigarette smoke.Also, when W/Cu exceeds 10, that is, when the amount of Cu decreases, The overall gas sensitivity decreases.Therefore, in practice,
It is preferable that W/Cu is in the range of 0.1 to 10. The gas-sensitive element in the present invention is manufactured, for example, by the method shown below. First, as a substrate, a heat-resistant and insulating substrate such as a ceramic substrate such as Al 2 O 3 is used, and as an electrode.
It is formed using Au, Pt, etc., by a screen printing method, sputtering method, vapor deposition method, etc. These electrodes are provided facing each other on the gas sensitive member, and may be provided either between the gas sensitive member and the substrate or between the gas sensitive member and the catalyst layer. In addition, a cylindrical substrate is used,
A gas sensitive body may be formed on the outer peripheral surface of the gas sensitive body, or it may be shaped like a flat plate. Also, as a gas sensitive material, it is commonly used
An oxide semiconductor whose resistance value changes when it comes into contact with the gas to be measured, such as SnO 2 -based, In 2 O 3 -based, Fe 2 O 3 -based, or ZnO-based, is used. This SnO 2 system, In 2 O 3 system, Fe 2 O 3 system,
ZnO-based oxide semiconductors include SnO 2 , In 2 O 3 , and
The main components are Fe 2 O 3 and ZnO, and if necessary Al 3+ ,
Sub-components such as Nb 5+ , Sb 3+ , and Sb 5+ are added. This gas sensitive material can be produced by sputtering method,
It is formed by vapor deposition, coating sintering, thermal decomposition of organic compounds, etc. However, gas sensitivity, reproducibility,
From the viewpoint of durability and the like, it is preferable to construct the gas sensitive body with a thin film using a sputtering method, a thermal decomposition method, or the like. Further, from the viewpoint of gas sensitivity, etc., it is preferable to use SnO 2 type. Gas-sensitive elements are generally heated with a heater, but thin films have a smaller heat capacity.
In addition to being efficient, it has significantly better response and desorption characteristics than thick film sintering. Furthermore, according to the pyrolysis method, a uniform thin film can be easily obtained regardless of the shape of the substrate, and this thin film can be created, for example, as follows. As an example, the case of SnO 2 system is shown. First, a tin metal soap (for example, tin 2-ethylhexanoate) or a resin salt containing Sn,
Organic compounds containing Sn, such as tin alkoxides (ROSn; where R is an alkyl group), and organometallic compounds of tin (RSn; where R is an alkyl group or an aryl group), or organic compounds containing Nb or Sb. A sample solution of Sn having a predetermined concentration is prepared by dissolving a mixture to which a predetermined amount of the organic compound contained is added using an appropriate solvent such as toluene, benzene, or n-butyl alcohol. The Sn concentration is preferably in the range of 1.0 to 20% by weight. Next, this sample solution is applied to a substrate with a pair of electrodes, left in the air for a predetermined period of time (usually 30 minutes to 1 hour), and then heated to an appropriate temperature (usually about 120°C). vaporize it. After that, the whole body was heated in the air for 30 minutes to 1 hour at 400 to 700
When fired at a temperature of °C, the Sn-containing organic compound is thermally decomposed, and the Sn is oxidized to form a SnO 2 thin film. Sn of the sample solution used
Although it varies depending on the concentration and cannot be unambiguously determined,
This coating-firing process is repeated about 1 to 4 times to form a SnO 2 thin film of a predetermined thickness. When a thin film containing Nb and Sb as impurities is created, both Nb and Sb function as donors. The amount of Nb and Sb is preferably within the range of 0.005 to 0.05 in terms of atomic ratio (Nb/Sn or Sb/Sn) to Sn. Next, the catalyst layer will be described. For example, a catalyst layer using aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a carrier and supporting copper sulfate (CuSO 4 ) and tungsten oxide (WOx) is manufactured as follows. First, Al 2 O 3 is immersed in an aqueous solution containing crystalline copper sulfate (CuSO 4 .5H 2 O) and ammonium tungstate at a predetermined ratio. After thorough stirring and mixing, 1~
Dry under reduced pressure for 2 hours, and then heat dry at 100°C.
Thereafter, it is ground into powder in a mortar or other method, and then placed in a quartz crucible and fired at a temperature of 400 to 600°C. The catalyst prepared in this way is made into a slurry using an aqueous solution of aluminum hydroxychloride as a binder, and this slurry is coated on a gas sensitive member to a predetermined thickness and dried, and then calcined at 400 to 500°C to form a catalyst. form a layer. The decomposition temperature of CuSO4 is about 650
℃, it is preferable to carry out the reaction at a temperature below this temperature, for example, below 600°C. It is thought that this firing turns tungsten into oxide (WOx). In the present invention, by using a catalyst layer in which both Cu and W are supported, the sensitivity to various gases is increased, uniform values are obtained, and moisture resistance is greatly improved. In particular, moisture resistance is particularly effective when Cu is supported as copper sulfate. This is because, in addition to its catalytic effect, CuSO 4 absorbs and releases moisture from the air to form a pentahydrate salt, and when heated, it becomes an anhydrous salt, which can suppress the effect of humidity on the gas-sensitive element. Conceivable. Also, as a support layer
It is also possible to use other carriers such as SiO 2 , ZrO 2 , SiO 2 , SiO 2 −Al 2 O 3 , but from the viewpoint of moisture resistance
Al2O3 is the best. It is also possible to use copper chloride (CuAl 2 ) and copper nitrate (CuNO 3 ) as raw materials for copper;
In terms of moisture resistance, the use of CuSO 4 shows the most stable characteristics. In addition, gas-sensitive elements are generally equipped with a heater to control the operating temperature in order to improve gas response and gas selectivity, but for example, if a cylindrical substrate is used, a heater may be placed inside it. However, in the case of a flat plate shape, it can also be placed on the back side of the surface on which the gas sensitive body is formed, or under the gas sensitive body via the insulator surface. [Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, sensitivity to CO gas, tobacco smoke, etc. is uniformly excellent. Excellent moisture resistance. Excellent response and desorption properties. It is possible to obtain a gas-sensitive element that exhibits the following effects,
It is particularly effective as a ventilation sensor. [Embodiments of the Invention] Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a gas-sensitive element of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the gas-sensitive element of the present invention. (1) Formation of gas sensitive material Tin 2-ethylhexanoate with a Sn content
A sample solution was prepared by dissolving it in n-butanol to a concentration of 10% by weight. Furthermore, regarding Nb and Sb used as impurities, Nb-resinate and antimony n-butyrate ((n-
OC 4 H 9 ) 3 Sb) were used to adjust the solution so that the atomic ratio to Sn was 0.1. This was applied to the outer surface of the tube of the substrate 1 on which a pair of electrodes 2 had been previously installed, as shown in Figure 1, and left in the air for 1 hour, then heated to 120°C to remove n-butanol. It was vaporized. The whole was then fired in air at 400°C for 1 hour. This application-
The firing process was repeated three times to create a product with a thickness of approximately 0.3 μm.
A gas sensitive body 3 made of a SnO 2 thin film was created. (2) Formation of catalyst layer CuSO 4 , 5H 2 O, and NH 4 (W 7 O 24 )·4H 2 O were dissolved in water, and Al 2 O 3 fine powder with a surface area of about 100 m 2 /g was immersed and thoroughly stirred. . Separate Al 2 O 3 fine powder 1.5
After drying under reduced pressure for an hour to remove moisture, it was evaporated to dryness. Then, it was ground in a mortar, and the resulting powder was placed in a quartz crucible and fired at 400°C. This catalyst powder was put into an aqueous aluminum hydroxychloride solution (Al 2 O 3 1%) to form a slurry. This slurry was applied onto the SnO 2 thin film, dried, and the whole was fired at 400°C. Thickness
A catalyst layer 4 of CuSO 4 -WOx supported Al 2 O 3 having a thickness of 20 μm was formed. As shown in FIG. 2, the gas-sensitive element constructed in this way is mounted and held on a pin 6 erected on an insulating plate 5 so as not to come into contact with anything else, thereby forming a gas detection device. In the figure, 7 represents a lead wire for the electrode, and 8 represents a heater. The heater 8 is used to adjust the surface temperature (operating temperature) of the element. In this example, SnO 2 was used as the gas sensitive material, but ZnO, In 2 O 3 , and Fe 2 O 3 systems may also be used. (3) Measurement of sensitivity characteristics Using the gas-sensitive element of the present invention manufactured as described above, sensitivity was measured as Rair/Rgas to 200 ppm CO and 500 ppm cigarette smoke.
Here, Rair is the resistance value exhibited by the element in air that does not contain the measurement gas, and Rgas is the resistance value exhibited by the element in air containing the above-mentioned gases at respective concentrations. The larger Rair/Rgas means higher sensitivity. Note that the element temperature was approximately 350°C. Here, CO gas is measured by injecting a certain amount into a measuring tank, and cigarette smoke is collected using various brands from Japan Monopoly Corporation, for example, with a syringe at a rate that a normal person can absorb. A mixture of smoke and air) was injected into the measurement tank. The results are shown in Table 1.

【表】 第1表から明らかなように、銅及びタングステ
ンの両者を担持した触媒層を備えた感ガス素子
は、COガス(200ppm)及びタバコ煙(500ppm)
に対し、同様の出力を得ることができる。 銅のみの場合(比較例1)は、タバコ煙に対す
る感度が低く、またタングステンのみの場合(比
較例2)は、CO感度が低下してしまう。 また実施例4について応答・脱離特性を測定し
第3図aにその結果を示す。測定ガス中における
飽和出力の90%となるまでの時間を応答時間と
し、同様に飽和出力の10%となるまでの時間を脱
離時間とする。比較のため、SnO2焼結体にAl2O3
担持のPd触媒を用い、本実施例と同様の構造と
した場合(比較例3)でも同様の測定を行ない、
その結果を第3図bに示す。 なお第3図においてはt1でガスを注入し、t2
ガスを排気したことを示す。 同図から明らかなように本発明においては応答
時間が1分以内、脱離時間から3分以内と、比較
例3の応答時間3分、脱離時間が10分以上に比
べ、非常に優れていることがわかる。 また初期安定化に要する時間すなわち、ヒータ
ー通電後、定常状態の出力を生ずるまでに要する
時間であるが、実施例4は、3分以内であるのに
対し、比較例3では1時間以上を要してしまう。
換気用センサとして考えた場合、通電後即、測定
可能状態となることが必要であり、この点でも本
発明は優れている。 これはCu及びWが共存することにより熱的安
定性に優れているためと考えられる。 また触媒層中のW/Cu=2とし、W量の変化
に対するCOガス200ppm及びタバコ煙500ppmの
感度の変化を測定し、第4図に示した。なお実線
がCO、破線がタバコ煙である。 第4図からも明らかなようにW量で、0.1%以
下では全体的感度が低下し、20%以上ではCOと
タバコの感度差が大となり、Cu及びWに換算し
たときの重量比でAl2O3に対し0.1〜30%の範囲で
良好な感度を示すことがわかる。 また触媒層中のW/Cu原子比による感度の変
化をWが3.0重量%の場合について第5図に示す。
第5図aから明らかなようにCO200ppm感度Scp
(実線)及びタバコ煙500ppm感度Ssn(破線)とも
にW/Cuが0.1〜10の範囲で高感度を示す。また
同図bからも明らかなようにSsn/Scp比もW/Cu
比0.1〜10の範囲で0.8〜1.1程度で、非常に良い結
果を得る。 次に、耐湿性について測定を行なつた。 湿度90%、室温中に放置した後の初期出力から
の変動を第6図に示した。 本発明の実施例4ではa図より明らかなように
5%以内であるのに比べ、比較例3は、b図に示
したように20%以上も変動し、耐湿性は極めて劣
るものである。 このように本発明においては、 各種ガスに対する感度が一様にすぐれてい
る。 耐湿性に優れる。 応答・脱離特性に優れる。 初期安定化特性に優れる。 等の効果を得ることができ、換気用感ガス素子と
して非常に優れたものである。
[Table] As is clear from Table 1, the gas-sensitive element equipped with a catalyst layer supporting both copper and tungsten can absorb CO gas (200 ppm) and cigarette smoke (500 ppm).
Similar output can be obtained for . In the case of only copper (Comparative Example 1), the sensitivity to tobacco smoke is low, and in the case of only tungsten (Comparative Example 2), the sensitivity to CO decreases. Further, the response and desorption characteristics of Example 4 were measured, and the results are shown in FIG. 3a. The time taken to reach 90% of the saturated output in the measurement gas is defined as the response time, and similarly the time taken to reach 10% of the saturated output is defined as the desorption time. For comparison, Al 2 O 3 was added to the SnO 2 sintered body.
Similar measurements were carried out when a supported Pd catalyst was used and the structure was similar to that of this example (Comparative Example 3).
The results are shown in Figure 3b. Note that FIG. 3 shows that gas was injected at t 1 and gas was exhausted at t 2 . As is clear from the figure, in the present invention, the response time is within 1 minute and the desorption time is within 3 minutes, which is extremely superior to Comparative Example 3, which has a response time of 3 minutes and a desorption time of 10 minutes or more. I know that there is. In addition, the time required for initial stabilization, that is, the time required to generate a steady state output after energizing the heater, is within 3 minutes in Example 4, but more than 1 hour in Comparative Example 3. Resulting in.
When considered as a ventilation sensor, it is necessary to be in a measurable state immediately after energization, and the present invention is also excellent in this respect. This is considered to be because the coexistence of Cu and W provides excellent thermal stability. Further, W/Cu in the catalyst layer was set to 2, and changes in sensitivity to 200 ppm of CO gas and 500 ppm of tobacco smoke with respect to changes in the amount of W were measured and are shown in FIG. The solid line is CO and the broken line is cigarette smoke. As is clear from Figure 4, when the amount of W is less than 0.1%, the overall sensitivity decreases, and when it is more than 20%, the difference in sensitivity between CO and tobacco becomes large. It can be seen that good sensitivity is shown in the range of 0.1 to 30% for 2O3 . Furthermore, the change in sensitivity depending on the W/Cu atomic ratio in the catalyst layer is shown in FIG. 5 for the case where W is 3.0% by weight.
As is clear from Figure 5a, CO200ppm sensitivity S cp
(solid line) and cigarette smoke 500 ppm sensitivity S sn (broken line) both exhibit high sensitivity in the W/Cu range of 0.1 to 10. In addition, as is clear from figure b, the S sn /S cp ratio also increases with W/Cu.
With a ratio of 0.8 to 1.1 in the range of 0.1 to 10, very good results are obtained. Next, moisture resistance was measured. Figure 6 shows the fluctuations from the initial output after being left at room temperature and 90% humidity. In Example 4 of the present invention, the moisture resistance is within 5% as shown in Figure A, while in Comparative Example 3, it fluctuates by more than 20% as shown in Figure B, and the moisture resistance is extremely poor. . As described above, in the present invention, sensitivity to various gases is uniformly excellent. Excellent moisture resistance. Excellent response and desorption properties. Excellent initial stabilization properties. It is possible to obtain the following effects, making it an extremely excellent gas-sensitive element for ventilation.

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

第1図は本発明素子の断面図、第2図はガス検
知装置の組立図、第3図は応答脱離特性曲線図、
第4図、第5図、第6図は感度特性曲線図。 1……基板、2……電極、3……ガス感応体、
4……触媒層。
Fig. 1 is a sectional view of the device of the present invention, Fig. 2 is an assembly diagram of the gas detection device, Fig. 3 is a response desorption characteristic curve,
FIG. 4, FIG. 5, and FIG. 6 are sensitivity characteristic curve diagrams. 1... Substrate, 2... Electrode, 3... Gas sensitive body,
4...Catalyst layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 基板と、この基板上に設けられ測定対象ガス
に接触して抵抗値の変化する酸化物半導体からな
るガス感応体と、このガス感応体表面に設けら
れ、担体に銅及びタングステンが併せて担持され
てなる触媒層とを具備したことを特徴とする感ガ
ス素子。 2 前記触媒層中の銅が硫酸銅であることを特徴
とした特許請求の範囲第1項記載の感ガス素子。 3 前記触媒層中における銅及びタングステンの
比率が、原子比で表わしたとき、 0.1≦W/Cu≦10 であることを特徴とした特許請求の範囲第1項記
載の感ガス素子。 4 前記触媒層中の担体が酸化アルミニウムであ
ることを特徴とした特許請求の範囲第1項記載の
感ガス素子。 5 前記触媒層中における担体に対する銅及びタ
ングステンの比率がCu及びWに換算したとき、
重量比で0.1〜30wt%であることを特徴とした特
許請求の範囲第1項記載の感ガス素子。 6 前記ガス感応体が有機金属化合物を熱分解し
て形成された酸化物半導体薄膜であることを特徴
とした特許請求の範囲第1項記載の感ガス素子。
[Scope of Claims] 1. A substrate, a gas sensitive body made of an oxide semiconductor which is provided on the substrate and whose resistance value changes when it comes into contact with a gas to be measured, and a gas sensitive body provided on the surface of the gas sensitive body and having copper as a carrier. and a catalyst layer in which tungsten is also supported. 2. The gas-sensitive element according to claim 1, wherein the copper in the catalyst layer is copper sulfate. 3. The gas-sensitive element according to claim 1, wherein the ratio of copper and tungsten in the catalyst layer, expressed as an atomic ratio, is 0.1≦W/Cu≦10. 4. The gas-sensitive element according to claim 1, wherein the carrier in the catalyst layer is aluminum oxide. 5 When the ratio of copper and tungsten to the carrier in the catalyst layer is converted to Cu and W,
2. The gas-sensitive element according to claim 1, wherein the amount is 0.1 to 30 wt% by weight. 6. The gas-sensitive element according to claim 1, wherein the gas-sensitive member is an oxide semiconductor thin film formed by thermally decomposing an organometallic compound.
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