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(In Japanese)ナノギャップ電極を有するガスセンサ及びその製造方法 meetings

Patent code P200017193
File No. 19T065,S2019-0628-N0
Posted date Sep 15, 2020
Application number P2019-154058
Publication number P2021-032746A
Date of filing Aug 26, 2019
Date of publication of application Mar 1, 2021
Inventor
  • (In Japanese)真島 豊
  • (In Japanese)ファン チョン トゥエ
  • (In Japanese)土佐 翼
  • (In Japanese)小澤 正邦
Applicant
  • TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY
  • (In Japanese)国立大学法人東海国立大学機構
Title (In Japanese)ナノギャップ電極を有するガスセンサ及びその製造方法 meetings
Abstract (In Japanese)
【課題】
 酸素を検知するガスセンサの応答速度を向上させることを目的の一つとする。
【解決手段】
 ガスセンサは、第1電極及び第2電極を含み、第1電極の一端と前記第2電極の一端とがナノギャップを形成するように離隔して配置されたナノギャップ電極と、金属酸化物のナノ粒子と、を含み、金属酸化物のナノ粒子は、前記ナノギャップに配置されている。金属酸化物のナノ粒子をナノギャップ電極の中に配置することで、応答速度の速いガスセンサを得ることができる。
【選択図】
 図1
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

現在、温度センサ、湿度センサ、加速度センサ、光センサ、ガスセンサ等、様々なセンサが日常生活を支える電気器具、車両、船舶、航空機等で使用されている。例えば、自動車には、エンジンの燃焼効率を向上させ、排気ガスが環境基準を満たすようにするために、エンジンに供給する空気と燃料の混合比率を制御する必要があり、その制御システムの中で固体電解質を用いた酸素ガスセンサが用いられている(例えば、特許文献1参照)。

酸素を検知するガスセンサとしては、固体電解質(ジルコニア)を用いたものが実用化されている。固体電解質を用いた酸素ガスセンサは、基準ガスを必要としており、酸素に対する感度が十分でなく、応答速度が遅いといった問題を有している。例えば、自動車のエンジンが高速回転するときは、20ミリ秒ごとに燃料が噴射されるが、固体電解質を用いた酸素ガスセンサは応答速度が数十秒であるため、エンジンの回転に追従できないという問題を有している。

一方、酸素ガスセンサとして、酸化物半導体を用いた抵抗型酸素ガスセンサが知られている。しかし、現在の抵抗型酸素ガスセンサの応答速度は数十秒であり、産業のニーズを満たしているとはいえない状況にある(例えば、特許文献2参照)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、金属酸化物の抵抗変化を利用したガスセンサの構造及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
第1電極及び第2電極を含み、前記第1電極の一端と前記第2電極の一端とがナノギャップを形成するように離隔して配置されたナノギャップ電極と、
金属酸化物のナノ粒子と、
を含み、
前記金属酸化物のナノ粒子は、前記ナノギャップに配置されている
ガスセンサ。

【請求項2】
 
前記第1電極の一端と、前記第2電極の一端とが、5nm以上、100nm以下の長さで離隔している、
請求項1に記載のガスセンサ。

【請求項3】
 
前記金属酸化物のナノ粒子のサイズが、3nm以上、40nm以下である
請求項1又は2に記載のガスセンサ。

【請求項4】
 
前記金属酸化物のナノ粒子が、前記ナノギャップの中に、1個以上、20個以下配置されている
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項5】
 
前記金属酸化物のナノ粒子が、多孔質体である
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項6】
 
前記金属酸化物のナノ粒子が、酸素空孔を含む
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項7】
 
前記金属酸化物が、酸化セリウム、酸化チタン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化ロジウム、酸化ハフニウムから選ばれた少なくとも一種である
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項8】
 
前記第1電極及び前記第2電極が、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rd)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)から選ばれた一種又は複数の元素を含む
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項9】
 
前記ナノギャップ電極が基板に設けられ、
前記基板が、アルミナ基板、ジルコニア基板、又は酸化シリコン膜が表面に形成されたシリコン基板である
請求項1乃至8のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項10】
 
前記ナノギャップの部分に前記金属酸化物の被膜を有し、前記金属酸化物のナノ粒子は前記被膜に含まれている
請求項1乃至9のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項11】
 
前記第1電極と前記第2電極との組が、複数個配置され、かつ電気的に並列に接続されている
請求項1乃至10のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項12】
 
酸素に対する応答速度が10秒以下である
請求項1乃至11のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項13】
 
基板上に第1電極の一端と第2電極の一端とがナノギャップを形成するように離隔して配置されたナノギャップ電極を形成し、
前記ナノギャップ電極の上から、金属水和物による金属前駆体を含む溶液を塗布して塗膜を形成し、
前記塗膜を乾燥させ、熱処理により前記ナノギャップの部分に金属酸化物のナノ粒子を成長させる
ガスセンサの製造方法。

【請求項14】
 
前記ナノギャップ電極を、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rd)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)から選ばれた一種又は複数の元素を含む金属で形成する
請求項13に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項15】
 
前記金属水和物に含まれる金属元素が、セリウム、チタン、コバルト、ニッケル、ニオブ、タングステン、タンタル、ロジウム、ハフニウムから選ばれた少なくとも一種である
請求項13又は14に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項16】
 
前記金属酸化物として、酸化セリウム、酸化チタン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化ロジウム、酸化ハフニウムから選ばれた少なくとも一種が形成される
請求項15に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項17】
 
前記溶液が、金属酸化物のナノ粒子を含むナノ粒子コロイド溶液である
請求項13又は14に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項18】
 
前記ナノギャップ電極のナノギャップ長を5nm以上100nm以下の長さに形成し、前記ナノ粒子を3nm以上40nm以下の大きさに形成する
請求項13乃至17のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項19】
 
前記ナノギャップ電極のナノギャップの間に前記ナノ粒子を1個以上、20個以下の個数で配置する
請求項18に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項20】
 
前記ナノギャップの部分に、前記熱処理により前記金属酸化物の被膜を形成し、前記金属酸化物のナノ粒子は前記被膜に含まれるように形成する
請求項13乃至19のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法。

【請求項21】
 
前記塗膜を、スピンコート法又は浸漬法で形成する
請求項13乃至20のいずれか一項に記載のガスセンサの製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2019154058thum.jpg
State of application right Published
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