JP2000292395A - Thin film gas sensor - Google Patents
Thin film gas sensorInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイアフラム構造の薄膜ガスセンサの全体的
な改良。
【解決手段】 SnO2 膜をガス検知膜(センサ
部)として有し、その上にアルミナ等の焼結体からなる
ガス選択燃焼層を持つ薄膜ガスセンサにおいて、そのセ
ンサ部の大きさや膜厚、ダイアフラム径との比などを工
夫することで、ガス選択性を高め、消費電力の低減化を
可能とする。
(57) 【Summary】 PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an overall improvement of a thin film gas sensor having a diaphragm structure. SOLUTION: In a thin film gas sensor having a SnO 2 film as a gas detection film (sensor portion) and having a gas selective combustion layer made of a sintered body such as alumina on the thin film gas sensor, the size, thickness and diaphragm of the sensor portion are provided. By devising the ratio with the diameter, etc., gas selectivity can be increased and power consumption can be reduced.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、電池駆動を想定
した低消費電力型薄膜ガスセンサ、具体的には、都市ガ
ス用メタンガスやプロパンガスおよびCOガス検知を目
的とした電池駆動式ガスセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low-power-consumption thin-film gas sensor assuming battery operation, and more particularly to a battery-operated gas sensor for detecting methane gas, propane gas and CO gas for city gas.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般的にガスセンサは、特に家庭用ガス
漏れ警報器などの用途に用いられる場合、CO,C
H4 ,C3 H8 等に選択的に感応するデバイスであり、
その性格上高感度,高選択性,高応答性,高信頼性,低
消費電力が必要不可欠である。ところで、家庭用として
普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパ
ンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機
器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両
方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれもコ
ストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。こ
のような事情から普及率をアップさせるべく、設置性の
改善、具体的には電池駆動としてコードレス化すること
が望まれている。2. Description of the Related Art Generally, a gas sensor is used for CO, C, and C.
A device that selectively responds to H 4 , C 3 H 8, etc.
Due to its characteristics, high sensitivity, high selectivity, high response, high reliability, and low power consumption are essential. By the way, gas leak alarms that are widespread for home use include those for detecting flammable gas for city gas or propane gas, those for detecting incomplete combustion gas in combustion equipment, or However, there is a combination of both functions, but the penetration rate is not so high due to cost and installation problems. Under these circumstances, in order to increase the penetration rate, it is desired to improve the installation property, specifically, to achieve cordless operation by battery driving.
【0003】電池駆動を実現するためには、小型化し低
消費電力化することが不可欠であるが、従来一般的に用
いられる接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、Sn
O2などの粉末を焼結する方法で製造されており、スク
リーン印刷等の方法を用いたとしても小型化には限界が
ある。一方、比較的小型化が容易である半導体薄膜加工
プロセスを用いたセンサも知られており、これは基板上
に絶縁膜,ヒータ,電極,感応膜などをCVD法や蒸
着,スパッタ法により積層し、さらにセンサの熱容量を
小さくしかつ熱絶縁をはかるため、基板をエッチングす
ることで薄くしたり、または完全に除去する方法がとら
れている。[0003] In order to achieve battery driving, it is essential to reduce the size and reduce the power consumption.
It is manufactured by a method of sintering powder such as O 2, and there is a limit to downsizing even if a method such as screen printing is used. On the other hand, a sensor using a semiconductor thin film processing process, which is relatively easy to miniaturize, is also known. In this sensor, an insulating film, a heater, an electrode, and a sensitive film are laminated on a substrate by a CVD method, a vapor deposition method, or a sputtering method. In order to further reduce the heat capacity of the sensor and to achieve thermal insulation, a method is employed in which the substrate is etched to make it thinner or completely removed.
【0004】しかし、半導体薄膜プロセスで製作された
センサにおいても完全に熱絶縁をはかることは不可能で
あり、支持層や電極等のリードからの熱伝導などを考慮
した大きさや厚さ,構造とする必要がある。さらに、電
池により動作させるためには間欠動作が不可欠であり、
できるだけ小さなデューティ(duty)比により動作
可能なことも必要条件である。また、高選択性という点
においては、蒸着やスパッタ法になどによる薄膜センサ
素子では、SnO2 膜中への貴金属元素のドーピング
や、ガス分子の大きさの違いから分子ふるい効果をねら
いSnO2 膜上部に何らかの皮膜構造を形成するという
方法が知られているが、必ずしも十分な効果は得られて
いない。However, it is impossible to completely insulate a sensor manufactured by a semiconductor thin film process, and the size, thickness, and structure of the sensor in consideration of heat conduction from leads such as a support layer and an electrode are considered. There is a need to. Furthermore, intermittent operation is indispensable to operate by battery,
It is also a necessary condition that the device can operate with a duty ratio as small as possible. Also, in that high selectivity is a thin film sensor element due to evaporation or sputtering, doping and the noble metal element into the SnO 2 film, SnO 2 film aimed molecular sieve effect due to the difference in size of the gas molecules A method of forming a certain film structure on the upper part is known, but a sufficient effect has not always been obtained.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の薄
膜センサ素子では高いガス選択性を得ることができず、
また、電池駆動を実現するほどの低消費電力構造や動作
条件についても考慮されていない。その結果、電池駆動
式ガス漏れ警報器に搭載し、5年以上の長期にわたって
動作させることが困難であった。したがって、この発明
の課題は、特にCOガスやCH4 ガスに高いガス選択性
を有し、電池駆動のための低消費電力構造と動作条件を
持つガスセンサを提供することにある。As described above, high gas selectivity cannot be obtained with the conventional thin film sensor element.
Further, no consideration is given to a low power consumption structure and operating conditions sufficient to realize battery driving. As a result, it was difficult to mount the battery-operated gas leak alarm on a battery-operated gas leak alarm for a long period of five years or more. Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor having a high gas selectivity particularly for CO gas and CH 4 gas, and having a low power consumption structure and operating conditions for driving a battery.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】ヒータ,ガス検知膜およ
び選択燃焼層の大きさ、およびこれらとダイアフラムと
の大きさの比を考慮したり、選択燃焼層としてはアルミ
ナ焼結体、またはPtやPdの触媒を担持させたアルミ
ナ焼結体を用いることで、ガス選択性を高め、電池駆動
のための低消費電力化を図る。また、ヒータの加熱時間
を200sec以下で、duty比が1/100以下の
間欠駆動とするが、特にCOガスを検知するときはヒー
タ加熱時間内に電圧の切り替えを実施し、低電圧(L
o)印加時の所定温度以下でガス感度の測定を行なうよ
うにする。The size of the heater, the gas detection film and the selective combustion layer, and the ratio of the size of these to the diaphragm are taken into consideration. By using an alumina sintered body carrying a Pd catalyst, gas selectivity is improved and low power consumption for battery driving is achieved. In addition, the heating time of the heater is 200 seconds or less, and the duty ratio is 1/100 or less intermittent drive. In particular, when the CO gas is detected, the voltage is switched within the heater heating time and the low voltage (L
o) The gas sensitivity is measured at a predetermined temperature or lower at the time of application.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】図1はこの発明の実施の形態を説
明する概略断面図である。すなわち、図示のような断面
構造自体は公知のものであるが、センサ部の大きさ,膜
厚およびダイアフラム径との比等を適宜な値とすること
で、高いガス選択性を持たせつつ低消費電力化を図るも
のである。まず、両面にSiO2 熱酸化膜を0.3μm
(0.1〜1μm)付いたSi基板の表面に、ダイアフ
ラムの支持層となるSiN膜0.15μm(500Å〜
5000Å),SiO2 膜1μm(0〜2μm)を、順
次プラズマCVD法によりそれぞれ形成する。この上に
ヒータ層1としてTaN膜を0.5μm(0.1〜1μ
m)形成し、ウエットエッチによりヒータパターンを形
成する。さらに、SiO2 絶縁膜などをスパッタ法によ
り0.5μm(0.2〜2μm)形成した後、ヒーター
と電極パッド部の接合箇所をフッ素(F)にてエッチン
グし窓あけを行なう。FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining an embodiment of the present invention. That is, although the cross-sectional structure itself as shown in the figure is a known one, by setting the size of the sensor portion, the film thickness, the ratio with the diaphragm diameter, and the like to appropriate values, it is possible to obtain high gas selectivity and low gas selectivity. It is intended to reduce power consumption. First, a SiO 2 thermal oxide film on both sides was 0.3 μm
(0.1-1 μm) on the surface of the Si substrate, a 0.15 μm (500 °-
5000 .mu.m), and a 1 .mu.m (0 to 2 .mu.m) SiO2 film are sequentially formed by a plasma CVD method. On this, a TaN film as a heater layer 1 is formed to a thickness of 0.5 μm (0.1 to 1 μm).
m) Forming and forming a heater pattern by wet etching. Further, after a SiO 2 insulating film or the like is formed to a thickness of 0.5 μm (0.2 to 2 μm) by a sputtering method, the joint between the heater and the electrode pad is etched with fluorine (F) to open a window.
【0008】次に、電極層としてPt/Ta膜(200
0Å/500Å:1000〜5000Å)を、ヒータと
ガス検知膜の電極パッド用として成膜し、ウエストエッ
チによりパターニングする。ここで、Ta膜はPt層と
SiO2 層との密着力を高めるための接合層としての役
割をもつ。さらに、この上部にスパッタ法により、セン
サ部となるガス検知膜2としてのSnO2 にPtを5%
担持した粉末をバインダとともにペーストとし、スクリ
ーン印刷によりSnO2 の表面に塗布,焼成して約20
μm(5〜100μm)の選択燃焼層3を形成する。ヒ
ータやSnO2層はこの例では100μm角の大きさに
て形成され、選択燃焼層は150μm角にてSnO2 層
を完全に被うように形成する。最後に、基板裏面よりド
ライエッチによりSiを300μm径の大きさにて完全
に除去し、ダイアフラム構造としている。このとき、ヒ
ータ1,SnO2 層2および選択燃焼層3の大きさは3
00μm以下で、ダイアフラムとの大きさの比(図1で
はS/D)は1/2以下であることが望ましい。なお、
ダイアフラムとは薄膜状の支持膜の周囲をSi基板によ
り支持し、周囲が厚く中央部が薄く形成されたものをい
うこととする。Next, a Pt / Ta film (200
0 ° / 500 °: 1000-5000 °) is formed as an electrode pad for a heater and a gas detection film, and is patterned by waist etching. Here, the Ta film has a role as a bonding layer for increasing the adhesion between the Pt layer and the SiO 2 layer. Further, 5% of Pt is added to SnO 2 as a gas detection film 2 serving as a sensor portion by a sputtering method.
The supported powder is made into a paste together with a binder, applied to the surface of SnO 2 by screen printing and baked to form a paste of about 20.
A selective combustion layer 3 of μm (5 to 100 μm) is formed. In this example, the heater and the SnO 2 layer are formed in a size of 100 μm square, and the selective combustion layer is formed in a 150 μm square so as to completely cover the SnO 2 layer. Finally, Si is completely removed from the back surface of the substrate by dry etching to a diameter of 300 μm to form a diaphragm structure. At this time, the size of the heater 1, the SnO 2 layer 2 and the selective combustion layer 3 is 3
It is desirable that the diameter ratio between the diaphragm and the diaphragm (S / D in FIG. 1) should be 以下 or less. In addition,
The diaphragm is formed by supporting the periphery of a thin-film-like support film with a Si substrate and forming the periphery to be thick and the center part to be thin.
【0009】ここで、センサの熱損失について考察す
る。一般に、センサの熱損失HLOSSは次のように表わさ
れる。 HLOSS=Qc+Qt+Qr(Qc:熱伝導,Qt:熱伝達,Qr:熱放射) …(1) ダイアフラムセンサを円筒モデルとして考えるとQc,
Qt,Qrは次のようになる。 Qc=2π・d1 ・λ1 (TH −T0 )/ln(Rd/Rs) +n・W・d2 ・λ2 (TH −T0 )/(Rd−Rs) …(2) Qt=2πRd2 ・α(TH −T0 ) …(3) Qr=2πRd2 ・σ・ε(TH 4 −T0 4) …(4)Here, the heat loss of the sensor will be considered. In general, the heat loss H LOSS of a sensor is expressed as: H LOSS = Qc + Qt + Qr (Qc: heat conduction, Qt: heat transfer, Qr: heat radiation) (1) Considering the diaphragm sensor as a cylindrical model, Qc,
Qt and Qr are as follows. Qc = 2π · d 1 · λ 1 (T H -T 0) / ln (Rd / Rs) + n · W · d 2 · λ 2 (T H -T 0) / (Rd-Rs) ... (2) Qt = 2πRd 2 · α (T H -T 0) ... (3) Qr = 2πRd 2 · σ · ε (T H 4 -T 0 4) ... (4)
【0010】上記各式の符号の意味は、次の通りであ
る。 d1 ,d2 :支持層の厚さ,ヒータからの電極リードの
厚さ λ1 ,λ2 :支持層,ヒータからの電極リードの各熱伝
導率 TH ,T0 :センサ部,雰囲気の各温度 Rd,Rs:ダイアフラム,センサ部の各半径 n :電極リード本数 W :電極リード幅 α :熱伝達係数 σ :ステファンボルツマン定数 ε :放射率 ここで、Qt,QrはQcに比べてかなり小さいのでQ
cのみを考慮すると、Rd/Rsの比(図1のS/Dの
逆比)が大きいほど、また支持層厚さd1 が薄いほど、
支持層を介しての熱損失は小さくなり、電極リードから
の熱損失もRd−Rsが大きいほど小さいことがわか
る。ただし、一般には電極リードからの熱損失は支持層
を介しての熱損失よりもかなり小さい。The meanings of the symbols in the above equations are as follows. d 1, d 2: thickness of the support layer, the thickness of lambda 1 of the electrode lead from the heater, lambda 2: support layer, the thermal conductivity of the electrode lead from the heater T H, T 0: sensor unit, of the atmosphere Each temperature Rd, Rs: Each radius of the diaphragm and the sensor part n: Number of electrode leads W: Electrode lead width α: Heat transfer coefficient σ: Stefan-Boltzmann constant ε: Emissivity Here, Qt and Qr are considerably smaller than Qc. So Q
Considering only c, the larger the ratio of Rd / Rs (the inverse ratio of S / D in FIG. 1) and the thinner the support layer thickness d 1 ,
It can be seen that the heat loss through the support layer becomes smaller, and the heat loss from the electrode lead becomes smaller as Rd-Rs becomes larger. However, the heat loss from the electrode leads is generally much smaller than the heat loss through the support layer.
【0011】次に、電池で駆動させることを前提とした
場合、より低消費電力化を図るためには間欠動作が必要
不可欠である。ヒータに通電している時間が短く、かつ
間欠動作間隔が長いほど低消費電力化がはかれることは
自明であるが、特にヒータ通電時間はセンサ部が或る一
定温度にまで昇温するに要する時間とガス反応速度に依
存する。次の(5)式は、断熱状態でセンサ部の昇温に
要する時間tを表わしたものである。 t=m・Cp(TH −T0 )/P =π・Rs2 ・ds・ρ・Cp(TH −T0 )/P …(5) Rs:センサ部の半径 ds:センサ部の厚さ ρ:セ
ンサ部の密度 Cp:センサ部比熱 P:ヒータへの投入パワー つまり、センサ部が1μm以下と比較的薄い場合は、ガ
ス反応時間に比べて昇温時間はほとんど無視できるが、
厚い場合は無視できない。(5)式から分かるようにセ
ンサ部の半径Rs,厚さdsを小さくすることでセンサ
部の昇温に要する時間を短縮することができる。Next, assuming that the battery is driven by a battery, an intermittent operation is indispensable for further reducing power consumption. It is self-evident that the shorter the time the heater is energized and the longer the intermittent operation interval, the lower the power consumption. However, especially the heater energization time is the time required for the sensor unit to rise to a certain temperature. And the gas reaction rate. The following equation (5) represents the time t required for the temperature rise of the sensor section in the adiabatic state. t = m · Cp (T H -T 0) / P = π · Rs 2 · ds · ρ · Cp (T H -T 0) / P ... (5) Rs: thickness of the sensor section: radius ds of the sensor unit Ρ: Density of the sensor part Cp: Specific heat of the sensor part P: Power input to the heater In other words, when the sensor part is relatively thin, 1 μm or less, the heating time can be almost ignored compared to the gas reaction time,
If it is thick, it cannot be ignored. As can be seen from equation (5), the time required for raising the temperature of the sensor unit can be reduced by reducing the radius Rs and the thickness ds of the sensor unit.
【0012】このように、上記(2),(5)式から選
択燃焼層を含めたセンサ部の大きさと厚さ、およびセン
サ部の大きさとダイアフラムの大きさとの比は制限を受
けることになる。図2はヒータとガス検知素子を含むセ
ンサ部の大きさを100μmと固定したとき、ダイアフ
ラム径と消費電力との関係を示す。ダイアフラムが大き
くなるにつれ、つまりセンサ部とダイアフラムの大きさ
の比が大きくなるにつれ消費電力が低下することが分か
る。図3はセンサ部全体の膜厚(図1のT参照)とヒー
タ昇温速度との関係を有限要素法による熱解析により求
めた結果を示す。主としてH2 を燃焼させる目的で形成
される選択燃焼層は、或る程度の厚みを必要とするが、
厚みが厚い程昇温速度は低下することになる。As described above, from the above equations (2) and (5), the size and thickness of the sensor portion including the selective combustion layer and the ratio between the size of the sensor portion and the size of the diaphragm are limited. . FIG. 2 shows the relationship between the diameter of the diaphragm and the power consumption when the size of the sensor section including the heater and the gas detection element is fixed at 100 μm. It can be seen that the power consumption decreases as the diaphragm increases, that is, as the ratio of the size of the sensor unit to the diaphragm increases. FIG. 3 shows the relationship between the film thickness of the entire sensor section (see T in FIG. 1) and the heating rate of the heater obtained by thermal analysis using the finite element method. The selective combustion layer formed mainly for the purpose of burning H 2 requires a certain thickness,
As the thickness increases, the rate of temperature rise decreases.
【0013】図4(a)にSnO2 薄膜素子(Pt5%
ドープ)のみの場合のCO,CH4,H2 ガス感度に対
する検出温度依存性を示す。CH4 ガスを検知するには
450℃以上の高温が必要であり、この温度領域ではH
2 ガスに対する感度も高く、ガス選択性に乏しいことに
なる。図4(b)は、図3(a)のSnO2 薄膜素子の
上に選択燃焼層として、アルミナにPtやPdを担持し
た焼結層を形成した場合のガス感度を示す。アルミナに
PtやPdを担持した焼結体は接触燃焼式のガスセンサ
にも用いられているように、H2 などのガスをよく燃焼
する。したがって、H2 やCOガスは選択燃焼層で消費
されてSnO2 膜に到達しないが、CH4 ガスは選択燃
焼層で消費されずにSnO2 膜の抵抗変化を引き起こ
す。また、図4(a)から、COガス感度はCH4 より
も比較的低い温度領域で高く、特に300℃以下におい
てはH2 ガスに対して選択的である。以上のことから、
選択燃焼層と動作温度を選ぶことで特定ガスにのみ高感
度なセンサを得られることが分かる。FIG. 4A shows a SnO 2 thin film element (5% Pt).
The graph shows the detection temperature dependency on the CO, CH4, H2 gas sensitivity in the case of only doping). To detect CH 4 gas, a high temperature of 450 ° C. or higher is required.
High sensitivity to two gases, resulting in poor gas selectivity. FIG. 4B shows gas sensitivity when a sintered layer in which Pt or Pd is supported on alumina is formed as a selective combustion layer on the SnO 2 thin film element of FIG. 3A. A sintered body in which Pt or Pd is supported on alumina well burns a gas such as H 2, as used in a contact combustion type gas sensor. Thus, H 2 and CO gas does not reach the SnO 2 film is consumed in the selected combustion layer, CH 4 gas causes the resistance change in SnO 2 film without being consumed in the selected combustion layer. Further, from FIG. 4A, the CO gas sensitivity is higher in the temperature range relatively lower than that of CH 4 , and is particularly selective to H 2 gas at 300 ° C. or lower. From the above,
It can be seen that a sensor having high sensitivity only to a specific gas can be obtained by selecting the selected combustion layer and the operating temperature.
【0014】次に、電池寿命と間欠動作間隔との関係
は、次のように表わされる。 電池寿命=Cbat/(Iappl×duty比) …(6) Cbat:電池容量 Iappl:ヒータへの印加電流 (6)式に従う電池寿命とduty比との関係を図5に
示す。これは、ヒータへの印加電流を10mAとし、電
池容量を1000〜10000mAhに変化させた場合
の計算結果例を示す。5年以上(4.38万時間)の動
作保証を考えると、5000mAhの電池を使用した場
合、そのduty比は1/100以下が必要とされるこ
とになる。また、一般的な都市ガス警報器として本件セ
ンサを用いる場合、少なくとも20secに1回程度の
検知が必要とされることから、duty比との関係によ
り、ヒータ通電時間が制約されることは自明である。Next, the relationship between the battery life and the intermittent operation interval is expressed as follows. Battery life = Cbat / (Iappl × duty ratio) (6) Cbat: Battery capacity Iappl: Current applied to heater FIG. 5 shows the relationship between battery life and duty ratio according to equation (6). This shows an example of calculation results when the current applied to the heater is 10 mA and the battery capacity is changed from 1000 to 10000 mAh. Considering the operation guarantee of 5 years or more (43,380 hours), when a 5000 mAh battery is used, the duty ratio needs to be 1/100 or less. In addition, when the present sensor is used as a general city gas alarm device, since it is necessary to perform detection at least once every 20 seconds, it is obvious that the heater energizing time is restricted by the relationship with the duty ratio. is there.
【0015】図6は間欠動作条件にて測定した各種ガス
雰囲気でのガス感度を示す。センサと直列に組み込んだ
シャント抵抗間の電圧から抵抗値が求められる。間欠動
作は10secに1回100msecヒータに通電する
ことにより、行なわれる。CH4 ガス2000ppm雰
囲気でのガス感度(Air雰囲気での抵抗値との比:R
air/Rgas)が約5であるのに対し、COガス1
00ppm,H2 ガス1000ppm雰囲気での感度は
どちらも2以下を示し、CH4 ガスに対して選択的であ
ることが分かる。また、この場合、450℃までのヒー
タの応答速度は5msec以下であることから、抵抗値
が定常になるまでの時間の殆どは、Air中酸素の吸着
や各種ガスの時間ということになる。また、上記プロセ
スにより作製したセンサの450℃昇温時の消費電力は
30mWであった。5000mAhのリチウム電池を用
い、ヒータに3Vの定電圧を印加し、duty比=1/
100にて動作させた場合、その電池寿命は5.7年と
推定される。FIG. 6 shows gas sensitivities in various gas atmospheres measured under intermittent operation conditions. The resistance value is obtained from the voltage between the shunt resistors incorporated in series with the sensor. The intermittent operation is performed by energizing the heater for 100 msec once every 10 sec. Gas sensitivity in a 2000 ppm atmosphere of CH 4 gas (ratio to resistance in an air atmosphere: R
air / Rgas) is about 5, while CO gas 1
Both of the sensitivities in the atmosphere of 00 ppm and 1000 ppm of H 2 gas show 2 or less, indicating that the sensitivity is selective to CH 4 gas. Further, in this case, since the response speed of the heater up to 450 ° C. is 5 msec or less, most of the time until the resistance value becomes steady is the time for the adsorption of oxygen in Air and the time for various gases. The power consumption of the sensor manufactured by the above process when the temperature was raised to 450 ° C. was 30 mW. Using a 5000 mAh lithium battery, a constant voltage of 3 V was applied to the heater, and the duty ratio = 1 /
When operated at 100, its battery life is estimated to be 5.7 years.
【0016】次に、COガスセンサとして用いる場合に
は、選択燃焼層を全く取り除くか、または選択燃焼層中
の触媒量を下げる、若しくは0としたものを用いる必要
がある。これは、H2 の燃焼効率の高い膜では、COも
かなりの量燃焼してしまうからである。図7は選択燃焼
層を全く取り除いたセンサにてハイ/ロー(Hi/L
o)電圧レベル切り替えによる方法で測定したCOと
(100ppm)とH2 (1000ppm)のガス選択
比(Rgas(H2 )/Rgas(CO))の関係を示
す。Hiレベル電圧を30msec印加した後、直ちに
Loレベル電圧に切り替え70msec印加した後に感
度を測定した。Hi電圧印加時のセンサ温度はこの場合
450℃であるが、SnO2 表面において酸素吸着が十
分に行なわれ、水や有機物などの除去効果を期待できる
300℃以上であることが望ましい。図7から200℃
以下で、H2 に対してCOの感度が選択的であることが
分かる。Next, when used as a CO gas sensor, it is necessary to remove the selective combustion layer at all, or to reduce the amount of catalyst in the selective combustion layer, or to use a sensor which is set to zero. This is because the high combustion efficiency of the H 2 film, CO also because results in significant amounts combustion. FIG. 7 shows a high / low (Hi / L) signal obtained by removing the selective combustion layer at all.
o) The relationship between the gas selectivity of CO (100 ppm) and H 2 (1000 ppm) (Rgas (H 2 ) / Rgas (CO)) measured by the method of switching the voltage level. Immediately after the Hi level voltage was applied for 30 msec, the voltage was switched to the Lo level voltage, and the sensitivity was measured after applying 70 msec. In this case, the sensor temperature at the time of applying the Hi voltage is 450 ° C., but it is preferable that the sensor temperature is 300 ° C. or higher at which the oxygen adsorption is sufficiently performed on the SnO 2 surface and the effect of removing water and organic substances can be expected. 7 ° C from 200 ° C
In the following, it can be seen that the sensitivity of CO to H 2 is selective.
【0017】[0017]
【発明の効果】この発明によれば、選択燃焼層としてア
ルミナ等からなる焼結体を用いた薄膜半導体センサにお
いて、センサ部の大きさや膜厚およびダイアフラム径と
の比を適宜な値とし、かつ適切な動作条件にて駆動する
ことで高いガス選択性を有しながら低消費電力化を実現
することが可能となる利点が得られる。According to the present invention, in a thin-film semiconductor sensor using a sintered body made of alumina or the like as a selective combustion layer, the size, thickness and ratio of the sensor portion to the diaphragm diameter are set to appropriate values, and By driving under appropriate operating conditions, there is obtained an advantage that low power consumption can be realized while having high gas selectivity.
【図1】この発明の実施の形態を説明するための概略断
面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining an embodiment of the present invention.
【図2】消費電力とダイアフラム径との関係説明図であ
る。FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between power consumption and diaphragm diameter.
【図3】センサ部膜厚と昇温速度との関係説明図であ
る。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship between a film thickness of a sensor portion and a heating rate.
【図4】ガス感度説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of gas sensitivity.
【図5】電池寿命とduty比との関係説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a battery life and a duty ratio.
【図6】間欠動作の場合のガス感度説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of gas sensitivity in the case of an intermittent operation.
【図7】CO感度のH2 選択性説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of H 2 selectivity of CO sensitivity.
1…ヒータ層、2…検知膜(センサ部)、3…選択燃焼
層。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... heater layer, 2 ... detection film (sensor part), 3 ... selective combustion layer.
フロントページの続き (72)発明者 井上 文宏 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 Fターム(参考) 2G046 AA11 AA19 AA21 BA01 BB02 BB04 BC05 BE03 BE08 DB04 DC09 DD03 EA08 EA09 EA11 EB06 FB02 FE31 FE38 FE41 FE44 Continuation of the front page (72) Inventor Fumihiro Inoue 1-1, Tanabe-Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Fuji Electric Co., Ltd. (72) Inventor Koichi Tsuda 1-1-1, Tanabe-Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Fuji F term (reference) in Denki Co., Ltd. 2G046 AA11 AA19 AA21 BA01 BB02 BB04 BC05 BE03 BE08 DB04 DC09 DD03 EA08 EA09 EA11 EB06 FB02 FE31 FE38 FE41 FE44
Claims (5)
1μm形成されたSi基板の一側面中央部がダイアフラ
ム様にくりぬかれた基板面上に、窒化Si膜(500Å
〜5000Å)とCVD−SiO2 膜(2μm以下)か
らなる支持層を介して薄膜ヒータを1000Å〜1μm
形成し、さらに電気絶縁層としてSiO2 および窒化S
i膜を2000Å〜2μm形成した後、ヒータおよびガ
ス検知膜用の電極としてPt/TaまたはPt/Ti膜
を2000Å〜2μm形成した後、その最表面にガス選
択燃焼層を5μm〜100μm形成してなることを特徴
とする薄膜ガスセンサ。1. A thermally oxidized SiO 2 film having a thickness of 1000Å on both surfaces.
A central portion of one side of the Si substrate having a thickness of 1 μm is formed on the substrate surface having a hollow like a diaphragm.
1000Å~1μm the thin film heater through the support layer ~5000A) and made of CVD-SiO 2 film (2 [mu] m or less)
Formed, and SiO 2 and nitrided S
After the i-film is formed at 2000 to 2 μm, a Pt / Ta or Pt / Ti film is formed at 2000 to 2 μm as an electrode for a heater and a gas detection film, and then a gas selective combustion layer is formed at the outermost surface at 5 to 100 μm. A thin-film gas sensor characterized in that:
またはアルミナを主成分としこれにPtまたはPdを含
む触媒を担持させた焼結体よりなることを特徴とする請
求項1に記載の薄膜ガスセンサ。2. The gas selective combustion layer according to claim 1, wherein the gas selective combustion layer is made of an alumina sintered body or a sintered body having alumina as a main component and carrying a catalyst containing Pt or Pd. Thin film gas sensor.
燃焼層の大きさは300μm以下で、ダイアフラムの大
きさとの比は1/2以下であることを特徴とする請求項
1または2に記載の薄膜ガスセンサ。3. The method according to claim 1, wherein the size of the thin film heater, the gas detection film and the selective combustion layer is 300 μm or less, and the ratio to the size of the diaphragm is 1/2 or less. Thin film gas sensor.
ms以下で、オン,オフ比が1/100以下のパルス信
号により駆動されることを特徴とする請求項1ないし3
のいずれかに記載の薄膜ガスセンサ。4. The thin-film heater has a heating time of 200 hours.
4. The driving method according to claim 1, wherein the driving is performed by a pulse signal having an on / off ratio of 1/100 or less in a period of 1 ms or less.
The thin film gas sensor according to any one of the above.
ヒータをパルス電圧信号により駆動するとともに、その
電圧のハイ,ローレベルによって動作温度を切り換え、
ハイレベルのときは300℃以上に昇温し、ローレベル
のときは200℃以下に保持することを特徴とする請求
項1ないし4のいずれかに記載の薄膜ガスセンサ。5. When performing CO gas detection, the thin film heater is driven by a pulse voltage signal, and the operating temperature is switched according to the high and low levels of the voltage.
5. The thin-film gas sensor according to claim 1, wherein the temperature is raised to 300 [deg.] C. or more at a high level, and kept at 200 [deg.] C. or less at a low level.
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