JP2001281190A - 半導体式ガスセンサー - Google Patents

半導体式ガスセンサー

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JP2001281190A
JP2001281190A JP2000092975A JP2000092975A JP2001281190A JP 2001281190 A JP2001281190 A JP 2001281190A JP 2000092975 A JP2000092975 A JP 2000092975A JP 2000092975 A JP2000092975 A JP 2000092975A JP 2001281190 A JP2001281190 A JP 2001281190A
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sensor
semiconductor
heater
heating
gas sensor
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Takashi Kaimoto
隆 貝本
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Nippon Tungsten Co Ltd
Original Assignee
Nippon Tungsten Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、ガス濃度測定に使用される半導体式
ガスセンサーにおいて、外気温や電圧の変動に影響され
ない半導体式ガスセンサーを提供することを目的とす
る。 【解決手段】半導体センサーとセンサー加熱用ヒーター
とが高熱伝導性絶縁基板上に設けられた半導体式ガスセ
ンサーにおいて、センサー加熱用ヒーターを板状のPT
Cセラミックスとし、半導体センサーとセンサー加熱用
ヒーターとが高熱伝導性絶縁基板を挟んで相対向して設
ける構造とすることにより外気温や電圧変動に影響され
ず正確にガス濃度を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、センサー加熱用ヒータ
ーとしてPTCセラミックスヒーターを用いる半導体式
ガスセンサーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、半導体式ガスセンサーは多孔
質の半導体セラミックスの抵抗値変化を検知し、その変
化率によって目的とするガスの濃度を測定する方法がと
られている。しかしながら、この半導体セラミックスの
センサー感度は例えば、S n O 2系のガスセンサでは3
00〜350℃、Z n O系のガスセンサーでは400〜
450℃で最大となるため、ヒーターによってセンサー
を加熱し感度が最大になる温度に維持するようにコント
ロールして常に一定の感度を保っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法によると、以下のような問題が生じる。即ち、電源
電圧の変動(例えば90V〜110V)や警報機取付場
所の周囲温度変化、これらいわゆる外乱により警報を発
する温度が経時的に大きく変動するという問題がある。
外気温の変動に対して、測定感度が低下しないようにニ
クロム線等用いたヒーターでセンサーを加熱しているの
だが、一般に100Vの交流電源では実効電圧で90V
〜110V電圧の変動があり一定温度に加熱できないの
で電源電圧を一定に保つため、コンデンサ等を用いた定
電圧回路を用いればセンサーの動作を安定化するのに効
果があるが、故障しやすく問題があった。この問題点を
解決するために特開昭51−120292号や特開昭5
3−88794号、特開昭54−134698号等にお
いては定電圧ダイオードによって安定化するとともに、
前記ガスセンサーに直列に負特性サーミスタを接続する
ことによって改善を行っている。しかしながら、この場
合、装置自体が大がかりとなり、コストがかかる上、装
置が複雑で故障し易かった。これらを解決する手段とし
て、特開平5−209854号においてはPTCセラミ
ックスを用いる事で、温度安定性を良くして、センサー
の動作を安定させる方法が示されている。しかしなが
ら、直接センサー部を搭載している為に誤起電力を検出
する事があった。また、PTCセラミックス自身は表面
温度が各部均一でない為、温度応答性や安定性に対して
も充分ではなかった。そこで本発明は、電圧や外温の変
動の影響を受けずガス濃度を正確に測定でき、装置自体
をコンパクトで簡単な構造とした半導体式ガスセンサー
の提供を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、半導体センサーとセンサー加熱用ヒーターとが高熱
伝導性絶縁基板上に設けられた半導体式ガスセンサーに
おいて、センサー加熱用ヒーターを板状のPTCセラミ
ックスとし、半導体センサーとセンサー加熱用ヒーター
とが高熱伝導性絶縁基板を挟んで相対向して設ける構造
とする。高熱伝導性絶縁基板をアルミナ、窒化アルミ、
炭化珪素、マグネシア等を主体としたあるいは含有する
材料とすると、熱伝導性がよく効率的にセンサー加熱用
ヒーターの熱がほとんど直接的に半導体センサーに伝達
され、センサー加熱用ヒーターがPTCセラミックスで
あるので90V−110V程度の電圧の変動があっても加
熱温度を一定に保持しやすいので、センサー感度を外温
に影響されず一定に保つことができる。また半導体セン
サーおよびセンサー加熱用ヒーターの電極はそれぞれ1
面上に1対設ける構造とすると、センサーの反対側にセ
ンサー加熱用ヒーターが高熱伝導性絶縁基板と密着して
設けることができ、熱伝導性を向上する事が出来るので
センサー感度を外温に影響されず一定に保つことができ
る。更に電極を櫛歯状に設ける構造とすることにより、
各電極間で均一に電流が流れるのでセンサー加熱用ヒー
ター表面が各部均一な温度で発熱しセンサー部を均一に
加熱することができ、センサー感度を安定性させ正確な
ガス濃度測定が可能となる。そして、前記のような構造
にすれば簡単な構造となり、装置自体をコンパクトに
し、温度や電圧変動の影響を受けない半導体式ガスセン
サーを得ることができる。
【0005】
【発明の実施の形態】請求項1記載の本発明は、半導体
センサーとセンサー加熱用ヒーターとが高熱伝導性絶縁
基板上に設けられた半導体式ガスセンサーにおいて、セ
ンサー加熱用ヒーターが板状のPTCセラミックスから
なり、半導体センサーとセンサー加熱用ヒーターとが高
熱伝導性絶縁基板を挟んで相対向して設けられているこ
とを特徴とする半導体式ガスセンサーであり、センサー
加熱用ヒーターの熱がほとんど直接的に半導体センサー
に伝達され、さらにセンサー加熱用ヒーターがPTCセ
ラミックスであるので加熱温度を一定に保持できるの
で、センサー感度を外温に影響されず一定に保つことが
できる。また、電圧が変動しても、オームの法則に従う
従来の抵抗体と異なり本発明のPTCセラミックスを用
いたものは90V−110V程度での電圧変動では発熱
温度は変化しないので、センサー感度を電圧変動に影響
を受けず一定に保つことができる。請求項2記載の本発
明は、半導体センサーおよびセンサー加熱用ヒーターの
電極がそれぞれ1面上に1対設けられた構造であり、セ
ンサーの反対側にセンサー加熱用ヒーターを高熱伝導性
絶縁基板を介して密着できて、効率よくセンサーを加熱
することができるので、外温に影響されずガス濃度を正
確に測定できる。請求項3記載の本発明は、センサー加
熱用ヒーターの電極が櫛歯状に設けられているので、各
電極間で均一に電流が流れるのでセンサー加熱用ヒータ
ー表面が均一な温度で発熱しセンサー部を均一に加熱す
る事ができ、ガス濃度を正確に測定する事が出来る。以
下実施例により本発明を詳細に説明する。
【0006】
【実施例】実施例1〜実施例3に示すような本発明の半
導体式ガスセンサーと比較例の従来の半導体式ガスセン
サーを作成して、温度や電圧変動による影響を比較し
た。その結果を以下に示す。ここで、図1は本発明のガ
スセンサーを示す斜視図である。図4は従来のガスセン
サーを示す断面図である。図1において1はセンサー、
2はPTCセラミックス、3はセンサー素子電極、4は
センサー用リード線、5はヒーター用リード線、6はP
TCセラミックスの電極層、7は高熱伝導性絶縁基板で
ある。 実施例1 チタン酸バリウムを主成分とし、副成分として微量の稀
土類元素等を添加した原料を成形後、焼成して酸化物半
導体であるキュリー点350℃にもつ板状のPTCセラ
ミックス(1mm×20mm×20mm)を得た。このPT
Cセラミックス2の上面に1対の電極、下面全体の焼結
上がり面に電極を形成した。得られたPTCサーミスタ
と予め電極が形成された市販のS n O 2系のガスセンサ
ー(1.5mm×15mm×15mm)を市販のアルミナ基板
(1.5mm×30mm×50mm)にシリコーン樹脂系接着
剤(アルミナ、シリカ微粒子含有)で接着して取付け図
1に示すような本発明の半導体式ガスセンサーを作成し
た。前記のようにして作成した本発明の半導体式ガスセ
ンサーを0℃、20℃及び50℃の窒素ガスの一定濃度
(30ppm)を測定したが、本発明の半導体式ガスセ
ンサーは各温度で温度による影響がなく濃度が測定でき
たのに対し、下記比較例の半導体式ガスセンサーはガス
センサーの温度を一定に保持できず、実際のガス濃度よ
り小さい濃度を示した。又20℃で一定濃度の窒素ガス
の濃度を測定したが、本発明の半導体式ガスセンサーで
は電圧の変動が、90V−110Vの範囲で起きた場合
でも、100V一定の条件で測定した場合でも窒素ガス
濃度は同一の値を示した。このように本発明の半導体式
ガスセンサーは外気温や電圧変動にも影響を受けなかっ
たが、下記比較例の半導体式ガスセンサーを用いると電
圧の変動周期が長くなるにつれ、測定値が上下変動し
た。このように、比較例に示す従来の半導体式ガスセン
サーは、外気温や電圧の変動に影響され正確にガス濃度
を測定できなかったが、本発明の半導体式ガスセンサー
は、外気温や電圧の変動に影響されることなく、正確に
ガス濃度が測定できた。 実施例2 実施例1と同仕様のガスセンサーに関して、図1及び図
2に示すようにセンサー及びセンサー加熱用ヒーターの
それぞれの電極を1面上に1対設けたものを使用して前
記と同様に動作確認を行った。本発明の半導体式ガスセ
ンサーは、半導体センサーおよびセンサー加熱用ヒータ
ーの電極がそれぞれ1面上に1対設けられている構造で
あり、センサーの反対側にセンサー加熱用ヒーターを高
熱伝導性絶縁基板を介して密着できるので効率よくセン
サーを加熱することができ外温に影響されずガス濃度を
正確に測定できた。これに対して、図4に示すような電
極が1面上に1対設けられていない構造のものは、装置
の設計上電極を高熱伝導性基板に設ける必要があり、セ
ンサーとセンサー加熱用ヒーターとを高熱伝導性絶縁基
板に相対して設けることができるが、熱伝導を妨げる電
極層が設けられる構造となるので、センサーを効率よく
加熱することができず、外気温に影響を受け実際のガス
濃度より低い測定値となり、正確にガス濃度を測定する
ことができなかった。 実施例3 実施例1、実施例2と同仕様のガスセンサーのセンサー
加熱用ヒーターの電極を図3のように櫛歯の形状とした
ものを作成し前記と同様に動作確認を行った。半導体セ
ンサーおよびセンサー加熱用ヒーターの電極が櫛歯状に
設けられていて各電極間で均一に電流が流れるのでセン
サー加熱用ヒーター表面が均一な温度で発熱しセンサー
部を均一に加熱する事ができ、外気温の変化に影響され
ずガス濃度を正確に測定する事ができた。以上の実施例
では、高熱伝導性絶縁基板としてアルミナを主体とした
材料を用いた例を示したが、窒化アルミや炭化珪素やマ
グネシア等を主体としたあるいは含有する高熱伝導性絶
縁材料を用いても同様の結果となった。 比較例 市販のアルミナ基板(1.5mm×30mm×50mm)の1面
にNiCr合金を面全体に蛇行状にスクリーン印刷した
後、焼成して抵抗線ヒーターを形成した後、反対面に予
め電極が形成された市販のS n O 2系のガスセンサー
(1.5mm×15mm×15mm)をシリコーン樹脂系接着
剤(アルミナ、シリカ微粒子含有)で接着して取付け半
導体式ガスセンサーを形成し、前記と同様に動作確認を
行った。アルミナ基板上でヒーターが形成された部分と
形成されていない部分があるので、センサーが均一に効
率よく加熱されず、外気温の変化により実際のガス濃度
より低い値しか測定できなかった。また電圧が90V−
110Vの範囲で変動したが、ヒーター温度も電圧に従
って変動しセンサーを一定温度で加熱できず、電圧の変
動により測定エラーが生じた。
【0007】
【発明の効果】以上本発明によると、測定場所の温度変
化や電圧の変動に影響を受けず正確に、ガス濃度を測定
することができる。また従来の半導体式ガスセンサーよ
り装置自体をコンパクトで簡単な構造にすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスセンサーの斜視図
【図2】PTCセラミックスの斜視図
【図3】櫛歯状の電極を有するPTCセラミックスの斜
視図
【図4】従来のガスセンサーの断面構造図
【符号の説明】
1 センサー 2 PTCセラミックス 3 センサー
素子電極 4 センサー用リード線 5 ヒーター用リ
ード線 6 PTCセラミックスの電極層 7高熱伝導
性絶縁基板

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体センサーとセンサー加熱用ヒーター
    とが高熱伝導性絶縁基板上に設けられた半導体式ガスセ
    ンサーにおいて、センサー加熱用ヒーターが板状のPT
    Cセラミックスからなり、半導体センサーとセンサー加
    熱用ヒーターとが高熱伝導性絶縁基板を挟んで相対向し
    て設けられていることを特徴とする半導体式ガスセンサ
    ー。
  2. 【請求項2】半導体センサーおよびセンサー加熱用ヒー
    ターの電極がそれぞれ1面上に1対設けられていることを
    特徴とする請求項1記載の半導体式ガスセンサー。
  3. 【請求項3】センサー加熱用ヒーターの電極が櫛歯状に
    なっていることを特徴とする請求項1または請求項2に
    記載の半導体式ガスセンサー。
JP2000092975A 2000-03-28 2000-03-28 半導体式ガスセンサー Withdrawn JP2001281190A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102345495A (zh) * 2010-07-23 2012-02-08 罗伯特·博世有限公司 测量介质温度的方法和温度传感器
ITUB20154867A1 (it) * 2015-11-06 2017-05-06 Eltek Spa Dispositivo riscaldatore elettrico, particolarmente per veicoli

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017077447A1 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Eltek S.P.A. Electric heater device, in particular for vehicles

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