JPH01109250A

JPH01109250A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH01109250A
Application number: JP62267074A
Authority: JP
Inventors: Norimi Kikuchi; 菊池　紀實; Masamichi Itsuponmichi; 一本道　正道
Original assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1989-04-26
Also published as: EP0313390A3; KR910006223B1; KR890007056A; EP0313390A2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、セラミックス基板を用いたガスセンサに関す
る。

（従来の技術）ガスセンサとして近時、半導体式ガスセンサが実用化さ
れている。半導体式ガスセンサは、半導体とこの半導体
に吸着したガス分子との間の電荷の移動を、電気伝導の
変化として検出するもので、都市ガス警報器用のセンサ
等に広く使用されている。

このような半導体式ガスセンサとして、セラミックス基
板を用いた抵抗形のものが開発されている。このガスセ
ンサは、たとえばセラミックス基板の一面（表面）に電
極と、ガスを接触させるためのガス検知層を形成し、他
面（裏面）にヒータを形成した構成となすもので、ガス
が触媒層に触れた時のガス分子と触媒層との間の電荷の
移動により、電極の電気伝導度すなわち抵抗値が変化し
、電極を流れる電流値が変化してガスの存在を検出する
。ガス検知層は、たとえば感ガス特性を有する半導体膜
（厚膜）と半導体膜に重ねて形成された触媒層とで構成
される。このように構成されたガスセンサで、ヒータに
は電流を通じて発熱させ触媒層を加熱するが、これは触
媒層の感度′と応答性を高めるとともに、触媒層の汚れ
を除去するためである。

また、セラミックス基板を用、いたガスセンサとして、
電極間の電気容量の変化によりガスの存在を検出するコ
ンデンサ形のものも実用化されている。

（発明が解決しようとする問題点）このように構成した半導体式ガスセンサは、厚膜化が容
易である、小形化である等の製造面および実装面の利点
を有するが、その反面、次のような改善すべき点が残さ
れていた。たとえば、従来のガスセンサは、電極および
触媒層とし一部とをセラミックス基板の互いに相反する
面に形成しているので、ヒータと触媒層との間にはセラ
ミックス基板が介在している。このため、ヒータの熱が
セラミックス基板を介して触媒層に伝導するので、熱伝
導の度合が低く触媒層を効果的に加熱できない、また、
し−夕はセラミックス基板の面に露出して形成するので
、ヒータの熱の一部が直接空気中に放出されて触媒層の
加熱に使用されないので、熱損失が大である。そして、
触媒層を効果的に加熱できないとセンサの感度と応答性
が低下するという問題がある。また、センサの感度を一
定に保つためには、ヒータによる加熱を均一にすること
が必要であるが、従来のものではヒータ抵抗を焼結後に
調整することが難しく、充分な均一化が困難であった。

さらに近時、ガスセンサのセラミックス基板にセンサ以
外の部品を実装することが要望されているが、従来のガ
スセンサでは対応が困難であった。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、
感度が良くかつ均一で信頼性に優れ、製造の容易なセラ
ミックス基板を用いたガスセンサを提供することを目的
とする。

［発明の構成〕（問題点を解決するための手段）本発明は、セラミックスからなる基板と、この基板の表
面に形成されたヒータと、ヒータに重ねて形成された絶
縁層と、この絶縁層の表面に形成されたガス検知層と、
セラミックス基板の裏面に形成された導体層と、ヒータ
およびガス検知層に接続される電極部とを具備するガス
センサである。

ガスセンサのガス検知層は、感ガス特性を有する半導体
とガス検知感度を高める触媒で構成される。そして、ヒ
ータの熱はこのヒータを設けた基板の表面と同じ面に設
けた触媒に伝導して、これを効率よく加熱する。

また、セラミックス基板の裏面に形成された導体層には
、他のＩＣ１抵抗体あるいはコンデンサ等の部品を接続
することにより、セラミックス基板を有効に使用するこ
とが可能とな′る。導体層は複数層を形成することによ
り多機能となる。

なお、セラミックス基板の裏面に形成する導体層として
、し−２を適用すれば、ヒータの抵抗を均一に調整する
ことが可能となり、ガスセンサの感度を安定にし信頼性
を向上することができる。

すなわち、セラミックス基板の裏面に形成した辷−タ（
導体層）と表面に形成したし一部をスルーホールにより
導通し、焼結後必要に応じて裏面に形成されたヒータの
一部を切除することにより、ヒータ抵抗を調節すること
ができる。ヒータの部分的な切除は、たとえばレーザ加
工等により容易に行うことができる。

ヒータに用いる導体としては、高融点金ｇ（タングステ
ン系）を主成分とするものが適用されるなかでも、タン
グステン−白金系合金が耐酸化性に優れる点で好ましい
、白金の割合は５０〜８０１１１％が適する。

本発明のガスセンサは、まずセラミックスグリーンシー
トの所定の面にヒータを形成し、さらに必要に応じてセ
ラミックスでなる絶縁層を重ねて形成したものを同時に
焼成する。同時に焼成することによりセラミックスとヒ
ータが一体に焼成され、熱応力に安定なガスセンサを得
ることができる９次いでガス検知層を形成をして焼付け
る。

（実施例）以下、本発明を図面で示す実施例について説明する。

本発明のガスセンサの構成の一実施例を第１図ないし第
５図について説明する。

図において符号１はアルミナ（＾１２０り等のセラミッ
クスからなる四角形の基板で、この基板ｌの厚さは約０
．３〜Ｇ、　６ｓｉである。２．２Ａはたとえばタング
ステン−白金系合金からなるし一部で、このヒータ２は
基板１の表面および裏面にその全体にわたり蛇行して形
成されている。ヒータ２．２Ａは、後述するヒータ端子
に設けられたスルーホール４Ａにより接続されている。

裏面に設けられたｂ−夕２Ａは、第４図に示すように格
子状に形成され、その一部をレーザ等により切断するこ
とにより（たとえば４Ｂ）、導電経路を変更することが
できる。この変更により辷−夕の抵抗値を調整すること
が可能である。ヒータ２．２Ａの厚さは約１０〜２０Ｊ
ＪＩＩである。３は絶縁材料、たとえば基板１と同じア
ルミナ等のセラミックスからなる絶縁層で、この絶縁層
３はｂ−夕２は重ねて基板１の一方の面全体を覆って瘤
成しである。

絶縁層３の厚さは約４０〜６０μ−である、なお、３Ａ
は、セラミックス基板裏面のヒータ２Ａを被覆する絶縁
層である。絶縁ＪＩ３Ａは１０〜２０μｌである。４．
４は導体からなるヒータ端子で、このヒータ端子４．４
は絶縁層３の表面において２つの角部に分散して形成さ
れ、絶縁層３に形成したスルーホールを通してし一部２
の各端部に接続している。ヒータ端子４．４の厚さは約
４０〜６０μ曙である。６．６は電極材料、たとえば白
金等からなる電極で、この電極６．６は櫛歯形をなし、
絶縁層３の表面に組合せて形成しである。また、絶縁層
３の表面においてヒータ端子４．４を形成した一対の角
部を除く他の一対の角部には、電極６．６と同等の材料
からなる電極端子７．７が形成してあり、この電極端子
７．７は電極６．６と一体に接続している。電極６．６
と電極端子７．７の厚さは約３〜６．μ躍である。８．
８Ａはガス検知層で、このガス検知層８．８Ａは電極６
．６に重ねて絶縁層３の表面に形成しである。８はガス
感知性物質すなわち酸化物半導体、たとえばセンサの用
途に応じてメタンガスに感度が大きい５ｎ０２、−酸化
炭素に対して感度が大きいｕＯ！、アルコールに対して
ガス選択性の大きいＬａＮ　ｉＯ！などを用いるが、異
種の酸化物半導体を組合せて構成することもできる。こ
の層の厚さは５μ以下である。

８Ａはガス検知感度を高める触媒層であり、酸化物半導
体層を被覆して形成される。

このように構成したガスセンサを使用する場合には、電
極端子７．７を検出回路に接続し、電極６とガス検知層
８．８Ａと電極６とを結んで信号用の電流を流す、ガス
がガス検知層８．８Ａに触れるとガス検知層８．８Ａの
抵抗値が変化し、信号電流の電流値が変化するので、検
出回路がガスの存在を検出する。また、ヒータ端子４．
４を電源回路に接続し、し−夕２に電流を流して発熱さ
せる、し−夕２の熱は絶縁層３を介してガス検知層８．
８Ａに伝導し、ガス検知層８．８Ａが所定温度に加熱さ
れる。この場合、絶縁層３は前述したように厚さ４０〜
６０μｍで基板１の厚さに比して大変薄いものである。

このため、ヒータ２から絶縁Ｍ３を介してガス検知層８
．８Ａへの熱伝導は、基板１を介しての熱伝導に比して
大変良好であり、ガス検知層８．８Ａが効果的に加熱さ
れる。また、ヒータ２が基板１と絶縁層３に包囲されて
いるので、し−夕２の熱は空気中へ直接放出されること
がなく、ガス検知層８．８Ａの加熱に有効に利用できる
。このため、ヒータ２でガス検知層８．８Ａを充分加熱
して、その感度と応答性の向上を図ることができる。ま
た、前述のようにヒータの抵抗を、セラミックス基板裏
面に設けたヒータ部により調整できるので、ガス検知層
８．８Ａの加熱をより均一に行うことができる。

本実施例によってヒータ抵抗を調整して得られたガスセ
ンサは、所定のヒータ抵抗値±５％の範囲の抵抗値を有
するものであり、抵抗調整を行わないガスセンサが±８
％〜１０％であるのに対し、精度を向上することができ
た。

次に前述した実施例のガスセンサの製造方法を第２図の
ｍ造に基づき説明する。セラミックス粉末を加圧成形あ
るいはドクタブレード法により成形して基板用のグリー
ンシート１（便宜上基板と同じ符号を使用する。）を得
、このグリーンシート１の表面および裏面のし−層材料
のペーストをスクリーン印刷してヒータ２．２Ａを形成
する。

次にグリーンシート１の表面にヒータ２．２Ａと重ねて
絶縁層３．３Ａを形成する。絶縁層３にはスルーホール
５を形成する。絶縁７１３．３Ａを形成する方法として
は、絶縁層材料のペーストをスクリーン印刷する方法、
グリーンシート１と同じセラミックスのグリーンシート
をグリーンシート１の表面に絶縁性接着剤を介して重合
接着する方法がある３次いで、絶縁Ｊ’！３のスルーホ
ール５にヒータ材料のペーストをスクリーン印刷により
充填し、かつ絶縁層３の表面にヒータ端子材料のペース
トをスクリーン印刷してヒータ端子４．４を形成する。

また、端子４はスルーホール４Ａにより、裏面のヒータ
２Ａと接続する。さらに、絶縁層３の表面に電極材料の
ペーストをスクリーン印刷して電極６．６および電極端
子７．７を形成する。このようにして製作した積層体を
空気雰囲気中にて、たとえば温度１５００℃で焼成する
。この焼成処理により積層体の全体が焼成される。その
後、絶縁Ｗ１３の表面に電極６に重ねてガス検知層材料
のペーストをスクリーン印刷してガス検知層８を形成し
、このガス検知層８をたとえば温度５００℃で焼成する
。ガス検知層材料のペーストの一例としては、オクチル
酸スズにニオビウムレジネートを原子比で１／１０Ｇと
なるように添加し、テレピネオール等の有機溶剤とバイ
ンダを添加したものを用いる。

前述した製造方法は１個のガスセンサを製造する場合で
あるが、複数のガスセンサを同時に製造することもでき
る。この場合は、複数の基板を材料取りできる大きさの
基板シートを使用して前述の製造工程を行って多数のガ
スセンサを同時に製造し、ぞの後に各ガスセンサを分割
する。

なお、前述した実施例のガスセンサは、１個の基板に１
種類のガス検知層を設けた単一機能のものであるが、１
ｆ［の基板に興なる物質からなる複数のガス検知層を設
けて複数のガス検出機能をもたせても良い。

［発明の効果］以上説明したように本発明のガスセンサによれば、ヒー
タでガス検知層を効果的に加熱して感度と応答性を向上
することができ、かつヒータの抵抗値を均一なものとす
ることができ、信頼性の高いガス検知特性を有するもの
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスセンサの一実施例を示す平面図、
第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿う断面図、第３図は表面
のヒータおよび絶ａｍを示す平面図、第４図は裏面のヒ
ータおよび絶縁層を示す平面図、第５図は電極およびガ
ス検知層を示す平面図である。１・・・・・・・・・・・・基板２．２Ａ・・・ヒータ３．３Ａ−ＭａＪＩ６・・・・・・・・・・・・電極８．８Ａ・・・ガス検知層第１１第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミックスからなる基板と、この基板の表面に
形成されたヒータと、ヒータに重ねて形成された絶縁層
と、この絶縁層の表面に形成されたガス検知層と、セラ
ミックス基板の裏面に形成された導体層と、ヒータおよ
びガス検知層に接続される電極部とを具備したことを特
徴とするガスセンサ。
（２）導体層は、ヒータであってセラミックス基板の表
面に形成されたヒータと導通したものである特許請求の
範囲第１項記載のガスセンサ。
（３）ヒータは、タングステン−白金系合金からなるも
のである特許請求の範囲第１項または第２項記載のガス
センサ。