JP2002333426A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP2002333426A
JP2002333426A JP2001136000A JP2001136000A JP2002333426A JP 2002333426 A JP2002333426 A JP 2002333426A JP 2001136000 A JP2001136000 A JP 2001136000A JP 2001136000 A JP2001136000 A JP 2001136000A JP 2002333426 A JP2002333426 A JP 2002333426A
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JP
Japan
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solid electrolyte
gas
film
electrode
gas sensor
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Application number
JP2001136000A
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Japanese (ja)
Inventor
Masao Maki
正雄 牧
Katsuhiko Uno
克彦 宇野
Takashi Niwa
孝 丹羽
Kunihiro Tsuruta
邦弘 鶴田
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Tadashi Nakatani
直史 中谷
Makoto Shibuya
誠 渋谷
Hideki Morozumi
英樹 両角
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To heighten the reliability of a gas sensor, and to realize power saving. SOLUTION: In this gas sensor, plural solid electrolyte coatings 6 equipped with a pair of electrodes are formed on a board equipped with a heating element through an insulating film, and porous oxidation catalysts 7 are provided on the surface of each one electrode 5.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明の主たる対象は、一般
家庭で用いる一酸化炭素などの可燃性ガス警報器に搭載
するガスセンサに関し、設置自由度の高い電池駆動型に
適用することを目的とする。また、ガス警報器として、
とくに高信頼性で、省電力型を目指すものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention mainly relates to a gas sensor mounted on a flammable gas alarm of carbon monoxide or the like used in ordinary households, and has an object to be applied to a battery-driven type having a high degree of freedom in installation. . Also, as a gas alarm,
The goal is to achieve high reliability and low power consumption.

【0002】[0002]

【従来の技術】家庭内で快適な暮らしを実現する上で安
全安心の観点から検出したいガスとしては、燃料ガス漏
れによるメタンやプロパン、不完全燃焼による一酸化炭
素などが挙げられる。すでに燃料ガスの需要の増加と住
宅の気密化が進むとともにガス漏れ爆発事故が増加した
ことから、ガス漏れ事故を防止するためのガス漏れ警報
機が広く普及してきている。ガス漏れ警報器の普及とと
もにガス漏れ爆発事故は減少してきている。現在のガス
漏れ警報器は、家庭用のAC電源により駆動するもので
ある。ガス漏れ警報器として設置の自由度に制約がある
AC電源よりは、設置自由度の優れた電池で駆動するも
のが望まれている。現在警報器に使用されるセンサは、
90%以上が半導体式のもので、残りの数%程度が接触
燃焼式である。
2. Description of the Related Art Gases to be detected from the viewpoint of safety and security in realizing comfortable living at home include methane and propane due to fuel gas leakage, and carbon monoxide due to incomplete combustion. Gas leak alarms for preventing gas leak accidents have become widespread because gas leak explosion accidents have increased as fuel gas demand has increased and housing has become more airtight. With the spread of gas leak alarms, gas leak explosion accidents are decreasing. Current gas leak alarms are powered by household AC power. It is desired that a gas leak alarm be driven by a battery having a superior degree of freedom in installation, rather than an AC power supply having a degree of freedom in installation. The sensors currently used for alarms are:
90% or more are of the semiconductor type, and the remaining several percent are of the catalytic combustion type.

【0003】一方、一酸化炭素については、従来、家庭
で不完全燃焼警報の目的に用いる有効なセンサが提案さ
れておらず、事故がなかなか減少しないことから、室内
に自由に設置して用いることのでき、安価であり、小型
で信頼性が高く、電池駆動できる低消費電力型の一酸化
炭素ガス検知センサが強く要望されている。
On the other hand, as for carbon monoxide, no effective sensor has been proposed for the purpose of warning of incomplete combustion at home, and the number of accidents is not easily reduced. Therefore, there is a strong demand for a low power consumption type carbon monoxide gas detection sensor which is inexpensive, inexpensive, small and highly reliable, and can be driven by a battery.

【0004】従来から提案されているガスセンサとくに
一酸化炭素などの可燃性ガスを検知する化学センサとし
ては、電解液に一酸化炭素を吸収して酸化する電極を設
けて、一酸化炭素濃度に比例する電流値から一酸化炭素
濃度を検知する方式(定電位電解式ガスセンサ)、貴金
属などの微量の金属元素を添加して増感したN型半導体
酸化物例えば酸化スズなどの焼結体タイプを用いて、こ
れらの半導体が可燃性ガスと接触した際に電気電導度が
変化する特性を利用してガスを検知する方式(半導体式
ガスセンサ)、20μm程度の白金の細線にアルミナを
添着し、貴金属を担持したものと担持しないものとの一
対の比較素子を用いて一定温度に加熱し、可燃性ガスが
この素子に接触して触媒酸化反応を行った際の発熱差を
検出する方式(接触燃焼式ガスセンサ)などが知られて
いる。例えば[文献1]大森豊明監修:「センサ実用事
典」:フジ・テクノシステム[第14章 ガスセンサの
基礎(春田正毅担当)、P112−130(1986)
に詳しい記述がある。
As a conventionally proposed gas sensor, particularly a chemical sensor for detecting a flammable gas such as carbon monoxide, an electrode is provided which absorbs and oxidizes carbon monoxide in an electrolytic solution, and is proportional to the concentration of carbon monoxide. Method to detect the concentration of carbon monoxide from the current value to be applied (constant-potential electrolytic gas sensor), using a sintered body type such as an N-type semiconductor oxide sensitized by adding a trace metal element such as a noble metal, for example, tin oxide Then, a method of detecting gas by using the property that electric conductivity changes when these semiconductors come in contact with combustible gas (semiconductor type gas sensor), alumina is attached to a thin platinum wire of about 20 μm, A method of detecting a difference in heat generated when a combustible gas is brought into contact with this element to perform a catalytic oxidation reaction by using a pair of comparison elements of a supported element and a non-supported element. Burn gas sensor), and the like are known. For example, [Reference 1] Supervised by Toyoaki Omori: "Sensor Practical Encyclopedia": Fuji Techno System [Chapter 14 Basics of Gas Sensors (Masatoshi Haruta), P112-130 (1986)
Has a detailed description.

【0005】また、ジルコニア電気化学セルを構成し、
電極の一方側に白金/アルミナの触媒層を形成して一酸
化炭素を検出する起電力型の固体電解質式一酸化炭素セ
ンサも提案されている[例えば、H.OKAMOTO、H.OBAYASI
AND T.KUDO,Solid State Ionics、1、319(198
0)参照]。
Further, a zirconia electrochemical cell is constituted,
An electromotive force-type solid electrolyte type carbon monoxide sensor that detects carbon monoxide by forming a platinum / alumina catalyst layer on one side of an electrode has also been proposed [eg, H.OKAMOTO, H.OBAYASI
AND T. KUDO, Solid State Ionics, 1, 319 (198
0)].

【0006】この固体電解質式一酸化炭素センサの原理
は、触媒層側と裸側の電極上で一種の酸素濃淡電池がで
きることによるもので、触媒層側の電極では、酸素がそ
のまま到達し、一酸化炭素が到達しない状態にあるのに
対して、裸側の電極では、酸素も一酸化炭素も到達し、
この一酸化炭素が酸素を還元し、両者の電極の間に酸素
濃淡電池が形成され、起電力出力が現れることを利用す
るものである。
The principle of the solid electrolyte type carbon monoxide sensor is based on the fact that a kind of oxygen concentration cell can be formed on the catalyst layer side and the bare side electrode, and oxygen reaches the catalyst layer side electrode as it is. On the bare electrode, both oxygen and carbon monoxide reach, while carbon oxide does not reach.
This carbon monoxide reduces oxygen, an oxygen concentration cell is formed between both electrodes, and an electromotive force output appears.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】これらの化学センサ
は、いずれも以下の欠点を有している。すなわち定電位
電解ガスセンサ、半導体型ガスセンサ、接触燃焼式ガス
センサとも原理的に還元性ガス(可燃性ガス)に無差別
に反応するため各種工夫をおこなったとしても基本的に
は、一酸化炭素(CO)以外の水素、アルコールなども
検知してしまう特性を持っている。つまりCOの選択性
が悪いという欠点を持っている。
All of these chemical sensors have the following disadvantages. That is, even if a constant potential electrolytic gas sensor, a semiconductor type gas sensor, and a catalytic combustion type gas sensor in principle react indiscriminately to a reducing gas (combustible gas), even if various measures are taken, basically, carbon monoxide (CO ) Has the property of detecting hydrogen, alcohol, etc. That is, there is a disadvantage that the selectivity of CO is poor.

【0008】またいずれのセンサにおいても動作のため
に温度が必要でそのための駆動エネルギーを必要として
いる。例えば、半導体式では、基本的に高温側動作と低
温側動作になる測定温度の動作を繰り返すが、測定温度
での動作は、対象ガスの種類により異なるが、高温動作
は、測定するガスの種類に関係なく、少なくとも450
℃程度の加熱が必要になる。これは、省電力が必要な電
池駆動を意図する際には、大きなエネルギー消費とな
る。
[0008] In addition, any of the sensors requires a temperature for operation and thus requires driving energy. For example, in the semiconductor type, basically, the operation at the measurement temperature at which the high-temperature operation and the low-temperature operation are repeated is repeated. The operation at the measurement temperature differs depending on the type of the target gas. At least 450, regardless of
Heating of about ° C is required. This results in a large energy consumption when a battery drive requiring power saving is intended.

【0009】省電力化を図るために、センサを薄膜化、
小型化して低消費電力を図る場合、電力消費は、センサ
を備えた周辺の空気を加熱するために消費する電力が大
きくて、なかなか低消費電力化が図れない。またパルス
的な動作をさせたり、断続的な動作をさせたりして、低
消費電力化を図る方法も提案されているが、経済的な電
池電源の範囲において、せいぜい1種類のガスセンサを
高々1年程度動作させる程度の能力にすぎず、2種以上
のガスを数年以上持たせるという能力は備えていない。
In order to save power, the sensor is made thinner,
In the case of miniaturization and low power consumption, power consumption for heating the surrounding air provided with the sensor is large, and it is difficult to reduce power consumption. Although a method of reducing power consumption by performing a pulse-like operation or an intermittent operation has been proposed, at most one kind of gas sensor can be used at most within a range of an economical battery power supply. It is only capable of operating for about a year, and does not have the ability to have two or more gases for several years.

【0010】また化学センサ全般に耐久性に課題があっ
た。すなわち、経時的にセンサの感度が低下してしまう
という課題である。これは、化学センサの中心的な機能
を担う電極や触媒が反応の進行とともに経時的に劣化す
ることによるものであり、この劣化は、一般大気中に微
量に存在する炭化水素系の還元性ガスで触媒が還元され
たり、電極表面に硫黄系化合物などが強く吸着したりし
て、一酸化炭素の検出反応が阻害されることによる。
[0010] In addition, there is a problem in durability of the entire chemical sensor. That is, there is a problem that the sensitivity of the sensor decreases over time. This is due to the deterioration of the electrodes and catalysts, which play a central role in the chemical sensor, over time with the progress of the reaction. This deterioration is caused by the hydrocarbon-based reducing gas present in trace amounts in the general atmosphere. , The catalyst is reduced, or a sulfur-based compound or the like is strongly adsorbed on the electrode surface, thereby inhibiting the detection reaction of carbon monoxide.

【0011】また本来の家庭内のガスセンサに対する要
求としては、設置自由度の高い電池で駆動できる低消費
電力型ガスセンサで従来のガス漏れ警報器は、誤動作が
多かったので、信頼性の高い安価なガスセンサが求めら
れている。
[0011] The original demand for a gas sensor in the home is that the conventional gas leak alarm is a low power consumption type gas sensor which can be driven by a battery having a high degree of freedom in installation, and has a large number of malfunctions. There is a need for a gas sensor.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明のガスセンサは、発熱体を備えた基板上
に絶縁膜を介して一対の電極を備えた複数の固体電解質
被膜を形成し、それぞれの片方の電極面に多孔性酸化触
媒を備えて構成する。
In order to solve the above problems, a gas sensor according to the present invention comprises a substrate provided with a heating element and a plurality of solid electrolyte films provided with a pair of electrodes interposed on a substrate provided with an insulating film. Each of the electrode surfaces is provided with a porous oxidation catalyst.

【0013】本発明のガスセンサは、高信頼性および低
消費電力を実現する目的で、小型薄膜化を図った構成を
持つ。小型薄膜化の手段としては、フォトリソや電子ビ
ーム蒸着やスパッタリングなどの半導体微細加工プロセ
ス技術を用いる。また省電力化のため、センサ駆動の時
間をミリ秒のオーダーで極めて短く動作させるパルス駆
動の手段を用いる。またマイクロ加工技術を用いて作製
するガスセンサ素子は、1素子でも複数の素子であって
もプロセス的には、パターニングだけの問題で、生産性
やコストにほ、ほとんど影響しないことが基本になって
いる。基本の考え方は、センサ駆動の熱源として、1つ
の発熱体をパルス駆動させ、複数の固体電解質ガスセン
サ素子等を一度に動作させるものである。
The gas sensor according to the present invention has a configuration in which the size and thickness of the gas sensor are reduced for the purpose of realizing high reliability and low power consumption. As a means for reducing the size of the thin film, a semiconductor fine processing technology such as photolithography, electron beam evaporation, or sputtering is used. Further, in order to save power, a pulse driving means for operating the sensor in a very short time on the order of milliseconds is used. In addition, gas sensor elements manufactured using microfabrication technology, whether a single element or a plurality of elements, are basically subject to patterning problems in process, and have little effect on productivity and cost. I have. The basic idea is that one heating element is pulse-driven to operate a plurality of solid electrolyte gas sensor elements or the like at a time as a heat source for driving the sensor.

【0014】以下でガス検知の動作について説明する。
発熱体への通電により固体電解質素子は、その動作に必
要な400〜500℃の温度まで加熱される。
The operation of gas detection will be described below.
The energization of the heating element heats the solid electrolyte element to a temperature of 400 to 500 ° C. necessary for its operation.

【0015】また片方の電極面に形成した多孔性酸化触
媒は、活性な状態になる。この状況において、一酸化炭
素などの被検出ガスを含まない空気の環境下に置かれた
場合は、電極と固体電解質界面に到達する酸素濃度は等
価であるので、起電力出力は発生しない。一方、一酸化
炭素などの被検出ガスを含まない空気の環境下では、多
孔性酸化触媒を備えた側の電極では、多孔性酸化触媒に
より一酸化炭素などの被検出ガスは、酸化され電極面に
到達しないので電極と固体電解質との界面は高酸素レベ
ルであるのに対して、他方の電極では、一酸化炭素など
の被検出ガスが到達する。電極面上では、この一酸化炭
素などの被検出ガスにより酸素が還元され電極と固体電
解質との界面は低酸素レベルとなる。これにより、一酸
化炭素などの被検出ガス濃度に関係した起電力出力が発
生する。これと同じ現象が他の固体電解質素子上でも同
時に起こる。ミリ秒オーダーでの通電の適切なタイミン
グで固体電解質素子の起電力出力を取り込めば、複数の
起電力データが同時に得られることになる。ミリ秒オー
ダーで通電することで、基板やセンサ周りの空気を過剰
に加熱する熱エネルギーが不要で省電力となる。
Further, the porous oxidation catalyst formed on one electrode surface is activated. In this situation, when placed in an environment of air that does not contain a gas to be detected such as carbon monoxide, no electromotive force output is generated because the oxygen concentration reaching the interface between the electrode and the solid electrolyte is equivalent. On the other hand, in an environment of air that does not contain a gas to be detected, such as carbon monoxide, on the electrode provided with the porous oxidation catalyst, the gas to be detected, such as carbon monoxide, is oxidized by the porous oxidation catalyst and the electrode surface , The interface between the electrode and the solid electrolyte is at a high oxygen level, whereas the other electrode receives a gas to be detected such as carbon monoxide. On the electrode surface, oxygen is reduced by the gas to be detected such as carbon monoxide, and the interface between the electrode and the solid electrolyte has a low oxygen level. As a result, an electromotive force output related to the concentration of the detected gas such as carbon monoxide is generated. The same phenomenon occurs simultaneously on other solid electrolyte elements. If the electromotive force output of the solid electrolyte element is taken in at an appropriate timing of energization in the order of milliseconds, a plurality of electromotive force data can be obtained simultaneously. By supplying electricity in the order of milliseconds, heat energy for excessively heating the air around the substrate and the sensor is unnecessary, and power is saved.

【0016】複数の固体電解質素子からの出力データの
読み込みは、100マイクロ秒のオーダーで十分可能で
あるため、出力データの読み込みタイミングをスイッチ
により順次ずらすことで1個の増幅回路で出力を取り出
すことが可能なため、複数分の信号処理回路を備える必
要はない。
Since reading of output data from a plurality of solid electrolyte elements can be sufficiently performed on the order of 100 microseconds, the output data is read out by one amplifier circuit by sequentially shifting the output data reading timing by a switch. Therefore, it is not necessary to provide a plurality of signal processing circuits.

【0017】また複数の固体電解質素子間で触媒、電極
などを変更した場合、それぞれの素子の出力値がガスの
種類と濃度によって異なるので、この多次元的に得られ
る出力パターンを用いてガス種の定性および濃度の定量
を行うことができる。2種類の混合ガス組成について、
予め求めたガス組成に対する出力パターンの式を与える
ことで連立方程式を解いて、ガス組成を的確に推測する
ことが出来る。これにより一酸化炭素とメタンの混合ガ
スであっても一酸化炭素濃度がいくらで、メタン濃度が
いくらかを的確に求めることができる。3種類の混合ガ
スであれば、3つの固体電解質の出力パターンで同様の
ことができる。
When the catalyst, electrodes, etc. are changed among a plurality of solid electrolyte elements, the output value of each element differs depending on the type and concentration of the gas. Can be qualitatively determined and the concentration can be determined. About two kinds of mixed gas composition,
By giving the equation of the output pattern for the gas composition obtained in advance, the simultaneous equations can be solved and the gas composition can be accurately estimated. Thereby, even if it is a mixed gas of carbon monoxide and methane, it is possible to accurately obtain the carbon monoxide concentration and the methane concentration. With three types of mixed gases, the same can be achieved with three solid electrolyte output patterns.

【0018】またこのパルス駆動動作を周期的に繰り返
すことで省電力で信頼性の高い電池駆動式複合ガス警報
器が実現する。
Further, by repeating this pulse driving operation periodically, a power-saving and highly reliable battery-driven composite gas alarm can be realized.

【0019】発生しているガスが1種類で例えば、一酸
化炭素ガスが発生している場合でも、前記の複数の固体
電解質素子が発生する起電力出力を加算することでガス
センサとしての一酸化炭素ガスに対する感度を向上させ
ることができる。前記感度向上に加え、起電力出力値を
相互に比較演算することでゼロ点の異常や触媒の劣化状
況などの故障に関わるセンサの異常を判断することもで
き信頼性の向上が見込まれる。
Even when one kind of gas is generated, for example, when carbon monoxide gas is generated, carbon monoxide as a gas sensor is obtained by adding the electromotive force outputs generated by the plurality of solid electrolyte elements. Sensitivity to gas can be improved. In addition to the above-described sensitivity improvement, by comparing the electromotive force output values with each other, it is possible to judge an abnormality of a sensor related to a failure such as an abnormality at a zero point or a deterioration state of a catalyst, so that reliability is expected to be improved.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態は、発
熱体を備えた基板上に絶縁膜を介して一対の電極を備え
た複数の固体電解質被膜を形成し、それぞれの一方の電
極面に多孔性酸化触媒を備えて構成する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In a first embodiment of the present invention, a plurality of solid electrolyte films having a pair of electrodes are formed on a substrate having a heating element via an insulating film, and each of the solid electrolyte films is formed on one side. The electrode surface is provided with a porous oxidation catalyst.

【0021】発熱体としては、貴金属および金属酸化物
などが適用可能であるが、その体積固有抵抗が適切で、
高温酸化雰囲気で安定で、耐薬品性の面でも優れている
白金膜が望ましい。白金膜は、スパッタリングや電子ビ
ーム蒸着などのドライプロセスおよび無電解メッキに代
表されるウエットプロセスで形成することが可能である
が、パターニングの容易性からドライプロセスの適用が
望ましい。パターニングの方法は、メタルマスク下での
PVD、またはフォトリソ加工技術を用いてエッチング
する方法やメタルマスク代わりのパターン化アルミ蒸着
膜によるリフトオフ加工等の方法により行う。基材との
組み合わせにより、チタン、クロムのプレ下地処理を介
して製膜しても良い。
As the heating element, noble metals and metal oxides can be applied, but their volume resistivity is appropriate.
A platinum film that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere and has excellent chemical resistance is desirable. The platinum film can be formed by a dry process such as sputtering or electron beam evaporation and a wet process typified by electroless plating, but it is desirable to apply the dry process because of the ease of patterning. The patterning is performed by a method such as PVD under a metal mask, etching using a photolithography technique, or lift-off processing using a patterned aluminum deposition film instead of a metal mask. Depending on the combination with the base material, the film may be formed through a pre-base treatment of titanium or chromium.

【0022】プロセスとしては、同じであるので、発熱
体のパターニング製膜と併せて、発熱体部の温度検出が
可能な抵抗測温体としてのパターンを併せて形成して、
これを用いて室温検知およびセンサの温度の安定性をチ
ェックするための動作温度検知用パターンを形成し、利
用することもできる。
Since the process is the same, a pattern as a resistance thermometer capable of detecting the temperature of the heating element is formed together with the patterning film formation of the heating element.
Using this, an operating temperature detection pattern for detecting room temperature and checking the stability of the temperature of the sensor can be formed and used.

【0023】基板としては、耐熱性の絶縁基板であれば
多くの基板が適用可能であるが、ガスセンサとしての省
電力動作の観点からミリ秒のパルス駆動動作の間に基材
面に余分の熱を伝達せず、駆動時の熱衝撃に耐え、酸素
イオン導電性固体電解質との熱膨張係数が近い素材であ
れば、全て適用可能である。熱膨張係数は異なるが、石
英ガラスを始め、熱遮断のグレーズ層を備えたアルミ
ナ、サファイア、結晶化ガラス、フォルステライト、コ
ージライト、ジルコニア、窒化珪素などの各種セラミッ
クの適用が可能である。
As the substrate, many substrates can be used as long as they are heat-resistant insulating substrates. However, from the viewpoint of a power saving operation as a gas sensor, extra heat is applied to the substrate surface during a millisecond pulse driving operation. Any material can be used as long as the material does not transmit heat, withstands thermal shock during driving, and has a coefficient of thermal expansion close to that of the oxygen ion conductive solid electrolyte. Although different in thermal expansion coefficient, various ceramics such as silica glass, alumina, sapphire, crystallized glass, forsterite, cordierite, zirconia, and silicon nitride having a heat-shielding glaze layer can be applied.

【0024】絶縁膜は、耐熱性絶縁材の中から基材また
はグレーズ層との接合および熱膨張係数差を考慮して選
択し、シリカやアルミナなどを用いる。絶縁膜は、内部
応力を発生させない観点から、絶縁が確保できるレベル
で薄い方が望ましい。通常1μmから数μmの範囲とす
る。絶縁膜の製膜はスパッタリングなどPVDまたは、
CVDなどのドライプロセスで行うのが望ましい。
The insulating film is selected from heat-resistant insulating materials in consideration of bonding with the base material or the glaze layer and a difference in thermal expansion coefficient, and is made of silica or alumina. From the viewpoint of preventing internal stress from occurring, the insulating film is desirably thin at a level at which insulation can be ensured. Usually, the range is from 1 μm to several μm. The insulating film is formed by PVD such as sputtering, or
It is desirable to use a dry process such as CVD.

【0025】固体電解質膜は、酸素イオン導電体を中心
にフッ化物イオン導電体やプロトン導電体のいずれも酸
素濃淡電池出力を取り出すことが可能で適用できる。酸
素イオン導電体として、安定化ジルコニアおよびジルコ
ニア以外にも、酸化ビスマス−酸化モリブデン系、酸化
セリウム−酸化サマリウム系などが良好な特性を備えて
いるが、安定化ジルコニア関係が、入手容易性の面で望
ましい。安定化ジルコニアの中で、イッテルビウム系な
どは優れた導電性を備えているが、PVDによる被膜形
成の観点からイットリア安定化タイプまたはスカンジア
安定化タイプなどが望ましい。
The solid electrolyte membrane can be applied to any of the fluoride ion conductors and the proton conductors, mainly the oxygen ion conductor, so that the output of the oxygen concentration cell can be taken out. As the oxygen ion conductor, bismuth oxide-molybdenum oxide, cerium oxide-samarium oxide and the like have good properties in addition to stabilized zirconia and zirconia. Is desirable. Among the stabilized zirconia, ytterbium-based or the like has excellent conductivity, but from the viewpoint of forming a film by PVD, a yttria-stabilized type or a scandia-stabilized type is preferable.

【0026】固体電解質膜は、前記固体電解質につい
て、前記発熱体の項で記載のパターニング法を用いてス
パッタリング等のPVD製膜法により約1〜2μm程度
複数の島状に製膜する。
The solid electrolyte film is formed into a plurality of islands of about 1 to 2 μm by PVD film forming method such as sputtering using the patterning method described in the section of the heating element.

【0027】電極は、酸素イオンの吸着および固体電解
質への移動性の面から銀、白金、パラジウム、ルテニウ
ムやペロブスカイト型酸化物などが適用可能であるが、
耐熱性および製膜性の観点から白金、ペロブスカイト型
酸化物が望ましい。いずれも前記発熱体の項で記載した
パターニング法を用いて、固体電解質面上にスパッタリ
ング等にて製膜する。
As the electrode, silver, platinum, palladium, ruthenium, perovskite oxide and the like can be applied in terms of oxygen ion adsorption and mobility to the solid electrolyte.
Platinum and perovskite oxides are desirable from the viewpoints of heat resistance and film forming properties. In each case, a film is formed on the solid electrolyte surface by sputtering or the like using the patterning method described in the section of the heating element.

【0028】多孔性酸化触媒は、多孔化手段を考慮して
配合した結晶化ガラスやゾルゲル無機結合材中に酸化触
媒を分散させたペーストをスクリーン印刷等の方法で所
定の箇所に塗布焼成して形成する。酸化触媒としては、
パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属
およびマンガン、鉄、ニッケル、コバルト、銅、クロム
などの遷移金属の酸化物および複合酸化物のいずれも適
用できる。動作温度が固体電解質部分で約400〜50
0℃であるので、多孔性触媒部は、これよりは低い温度
になるが、それでも一酸化炭素の酸化に必要な温度の2
00〜250℃と比較すると十分な温度的余裕がある。
The porous oxidation catalyst is prepared by applying a paste obtained by dispersing an oxidation catalyst in a crystallized glass or a sol-gel inorganic binder compounded in consideration of a porous means to a predetermined portion by a method such as screen printing and baking. Form. As an oxidation catalyst,
Any of precious metals such as palladium, platinum, rhodium and ruthenium and oxides and composite oxides of transition metals such as manganese, iron, nickel, cobalt, copper and chromium can be applied. Operating temperature is about 400-50 in solid electrolyte part
Since the temperature is 0 ° C., the temperature of the porous catalyst portion is lower than that of the temperature, but the temperature is still lower than the temperature required for oxidation of carbon monoxide.
There is a sufficient temperature margin as compared with 00 to 250 ° C.

【0029】以上のようにして、発熱体を備えた基板上
に複数の固体電解質素子が形成され、発熱体のパルス通
電することで、複数の固体電解質素子は、駆動可能な状
態となり、複数種類のガスを検出定量することができ
る。複数の出力値を加算することで感度の増大が得ら
れ、出力パターンを演算判定することで多孔性酸化触媒
や、電極の劣化についても推測することができる。
As described above, a plurality of solid electrolyte elements are formed on a substrate provided with a heating element, and when the heating element is pulsed, the plurality of solid electrolyte elements are in a drivable state. Can be detected and quantified. By adding a plurality of output values, an increase in sensitivity can be obtained. By calculating and determining an output pattern, deterioration of the porous oxidation catalyst and electrodes can be estimated.

【0030】本発明の第二の実施の形態は、複数の固体
電解質皮膜は第2の固体電解質被膜と第二の固体電解質
皮膜とからなり第一の固体電解質被膜上の一対の電極と
第二の固体電解質被膜の一対の電極の膜厚を少なくとも
50%以上変化させ形成して構成する。膜厚が異なる固
体電解質素子の動作は、一般的には、膜厚が薄いと感度
および出力が高くなる。膜厚が厚いと、感度および出力
は小さくなるが、耐久性は優れる。第一の固体電解質被
膜上の一対の電極と第二の固体電解質被膜の一対の電極
の膜厚を少なくとも50%以上変化させ形成した際の、
第一と第二の固体電解質素子のゼロ点及び出力の比を見
ることで電極の劣化状況が判定できる。膜厚が薄い方、
すなわち感度の高い方のゼロ点がプラス側にずれ、出力
も低下してくれば、加算出力値の増幅率を上げることで
電極の劣化に対する修正が可能である。感度、信頼性と
も十分確保できた膜厚を基準にして、5割以上膜厚を増
やした電極については、その出力レベルは低下するが、
特性の安定性は極めて増大する。したがって、電極の劣
化状況の判定に基づいて、センサの出力信号の増幅率を
増大させていけば、長期間、ガスセンサとしての感度は
見かけ上、一定値を維持できることになり、仮に電極が
劣化しても、センサの見かけの感度は変化しないという
極めて信頼性の高い動作が可能になる。このように電極
の膜厚を変化させる方法は、パターンを変えてスパッタ
リングを繰り返し実施することで実現できる。スパッタ
リングと電子ビーム蒸着というように電極の製膜法を変
えても良い。
In a second embodiment of the present invention, the plurality of solid electrolyte films include a second solid electrolyte film and a second solid electrolyte film, and a pair of electrodes on the first solid electrolyte film and a second solid electrolyte film. The thickness of the pair of electrodes of the solid electrolyte film is changed by at least 50% or more. In the operation of the solid electrolyte elements having different film thicknesses, generally, the sensitivity and the output increase as the film thickness decreases. When the film thickness is large, the sensitivity and output are small, but the durability is excellent. When the thickness of the pair of electrodes on the first solid electrolyte coating and the pair of electrodes on the second solid electrolyte coating are changed by at least 50% or more,
The deterioration state of the electrode can be determined by looking at the ratio between the zero point and the output of the first and second solid electrolyte elements. Thinner one,
That is, if the zero point with the higher sensitivity shifts to the plus side and the output also decreases, it is possible to correct the electrode deterioration by increasing the amplification factor of the added output value. The output level of the electrode whose film thickness has been increased by 50% or more based on the film thickness that can sufficiently secure both the sensitivity and reliability is reduced,
The stability of the properties is greatly increased. Therefore, if the amplification factor of the output signal of the sensor is increased based on the determination of the state of deterioration of the electrode, the sensitivity as a gas sensor can be apparently maintained at a constant value for a long time, and the electrode is temporarily deteriorated. However, extremely reliable operation, in which the apparent sensitivity of the sensor does not change, becomes possible. Such a method of changing the film thickness of the electrode can be realized by repeatedly performing sputtering while changing the pattern. The electrode forming method may be changed, such as sputtering and electron beam evaporation.

【0031】本発明の第三の実施の形態は、複数の固体
電解質皮膜は第一の固体電解質と第二の固体電解質被膜
とからなり第一の固体電解質被膜上の一対の電極と第二
の固体電解質被膜の一対の電極を異種の材料を用いて構
成する。先の第二の実施例は、同じ種類の材質の電極で
その膜厚を変化させたが、本実施の形態では、電極の種
類を変える。電極は、酸素の吸着および固体電解質への
移動性の面から銀、白金、パラジウム、ルテニウムや多
くの金属酸化物なかでもペロブスカイト型酸化物などが
適用可能である。またこれらを混合して安定分散させて
電極として用いることもできる。耐熱安定性の面から白
金、ペロブスカイト型酸化物などの良好な特性を備えて
いる。第一の固体電解質被膜の片側電極に形成する多孔
性酸化触媒被膜および第二の固体電解質被膜の片側電極
に形成する多孔性酸化触媒被膜を例えば、白金系触媒を
共通化して用いて、第一の固体電解質被膜の電極を例え
ば白金、第二の固体電解質被膜の電極を、例えばLa
1-xCexCo(Au)O3のペロブスカイト型酸化物と
した場合に一酸化炭素とメタンの混合ガスに対する出力
特性は異なり、第一の固体電解質では、一酸化炭素の大
きな感度を示すのに対して、第二の固体電解質素子で
は、メタンに支配的な出力が得られる。また第二の固体
電解質素子の電極をLaMnO3のペロブスカイト酸化
物電極とした場合は、水素と一酸化炭素の混合ガスに対
して第一の固体電解質素子では、水素と一酸化炭素との
和出力が得られるのに対して、第二の固体電解質素子で
は、一酸化炭素が支配的な出力が得られる。これによ
り、両固体電解質素子の出力特性に関わる連立方程式を
解くことで、水素と一酸化炭素の混合気体のそれぞれの
濃度を知ることができる。
According to a third embodiment of the present invention, the plurality of solid electrolyte films comprise a first solid electrolyte film and a second solid electrolyte film, and a pair of electrodes on the first solid electrolyte film and a second solid electrolyte film. The pair of electrodes of the solid electrolyte film are formed using different materials. In the second embodiment, the thickness of the electrode is changed by using the same type of material, but in the present embodiment, the type of the electrode is changed. As the electrode, silver, platinum, palladium, ruthenium, or a perovskite oxide among many metal oxides can be used in terms of oxygen adsorption and mobility to the solid electrolyte. Further, these can be mixed and stably dispersed to be used as an electrode. It has good properties such as platinum and perovskite oxide from the viewpoint of heat stability. A porous oxidation catalyst coating formed on one electrode of the first solid electrolyte coating and a porous oxidation catalyst coating formed on one electrode of the second solid electrolyte coating, for example, using a platinum-based catalyst in common, The electrode of the solid electrolyte film is, for example, platinum, and the electrode of the second solid electrolyte film is, for example, La.
1-x Ce x Co (Au ) output when the perovskite type oxide of O 3 to the mixed gas of carbon monoxide and methane characteristics are different, the first solid electrolyte, exhibit greater sensitivity of carbon monoxide On the other hand, in the second solid electrolyte element, an output dominant to methane is obtained. When the electrode of the second solid electrolyte element is a LaMnO 3 perovskite oxide electrode, the first solid electrolyte element outputs a sum of hydrogen and carbon monoxide against a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide. On the other hand, in the second solid electrolyte element, an output in which carbon monoxide is dominant is obtained. Thus, by solving simultaneous equations relating to the output characteristics of both solid electrolyte elements, the respective concentrations of the mixed gas of hydrogen and carbon monoxide can be known.

【0032】第一の電極は、白金のままで、第二の一対
の電極について、多孔性酸化触媒を無くして電極の材質
を変更した場合も、ガス種に応じた反転出力の組み合わ
せも含めて固有のセンサ出力特性が得られる。この場合
も両者の固体電解質素子の出力特性を比較することでガ
ス種の推測が可能になる。
In the case where the first electrode is kept platinum and the material of the second pair of electrodes is changed without the porous oxidation catalyst, the combination of the inverted output corresponding to the gas type is included. A unique sensor output characteristic is obtained. Also in this case, it is possible to estimate the gas type by comparing the output characteristics of the two solid electrolyte elements.

【0033】本発明の第四の実施の形態は、第一の固体
電解質被膜上の一方の電極に備えた多孔性触媒と第二の
固体電解質被膜上の一方の電極に備えた多孔性酸化触媒
とを異なる触媒を用いて構成する。多孔性酸化触媒は、
多孔化手段を考慮して配合した結晶化ガラスやゾルゲル
無機結合材中に酸化触媒を分散させたペーストをスクリ
ーン印刷等の方法で所定の箇所に塗布焼成して形成す
る。酸化触媒としては、パラジウム、白金、ロジウム、
ルテニウムなどの貴金属およびマンガン、鉄、ニッケ
ル、コバルト、銅、クロムなどの遷移金属の酸化物およ
び複合酸化物のいずれも適用できる。第一の固体電解質
被膜上の片方の電極に備えた多孔性触媒と第二の固体電
解質被膜上の片方の電極に備えた多孔性酸化触媒とを多
孔性酸化触媒の種類を変えて構成することで、センサの
ゼロ点は、第一、第二の素子とも同じ電極を用いている
ので、同じであるが、ガス種により、出力レベルは、変
化する。第一の素子は多孔性触媒が貴金属系、第二の素
子は、遷移金属酸化物系というように変えることで、ガ
ス種に対する出力の濃度依存性を多少変化させることが
できる。多くの場合、貴金属系触媒は、ラングミュア−
ヒンシェルウッド型の反応機構で、酸素とガスがともに
触媒表面に吸着した後、反応する形態をとるため、検出
ガスに対して低濃度での反応性が高いので低濃度で比較
的高い出力が得られるが逆に高濃度側で飽和する出力特
性を示すのに対して、金属酸化物系触媒は、検出ガスに
対して一次反応型で濃度に対して飽和し難いので高濃度
ガスでも高い出力が得られる。これを利用して被検出ガ
スの高感度検出範囲を拡げることができる。これは、数
十PPMレベルの低濃度での高い出力特性が必要である
一酸化炭素と%オーダーの爆発下限付近での高濃度のガ
ス検出が必要なメタン、イソブタンの両方をうまく補完
し、カバーするのに好ましい特性になる。これは、一つ
の触媒で両者を併用して使っても等価であるが、分けて
使うことでその固有性を強調して取り出すことができ
る。また貴金属系触媒と金属酸化物系触媒とでは空気中
の被毒物質に対する挙動も異なるので、耐久性の確保の
面でも有利になる。
The fourth embodiment of the present invention relates to a porous catalyst provided on one electrode on a first solid electrolyte film and a porous oxidation catalyst provided on one electrode on a second solid electrolyte film. Are configured using different catalysts. The porous oxidation catalyst is
A paste in which an oxidation catalyst is dispersed in a crystallized glass or a sol-gel inorganic binder compounded in consideration of a porous means is applied to a predetermined place by a method such as screen printing to form the paste. As the oxidation catalyst, palladium, platinum, rhodium,
Both oxides and composite oxides of noble metals such as ruthenium and transition metals such as manganese, iron, nickel, cobalt, copper and chromium can be applied. The porous catalyst provided on one electrode on the first solid electrolyte film and the porous oxidation catalyst provided on one electrode on the second solid electrolyte film are formed by changing the type of the porous oxidation catalyst The zero point of the sensor is the same because the same electrode is used for both the first and second elements, but the output level changes depending on the gas type. By changing the first element such that the porous catalyst is based on a noble metal and the second element based on a transition metal oxide, it is possible to slightly change the concentration dependency of the output with respect to the gas type. In many cases, noble metal based catalysts are Langmuir-
This is a Hinschel Wood type reaction mechanism, in which oxygen and gas are both adsorbed on the catalyst surface and then react.Therefore, the reactivity at low concentration with the detection gas is high, so a relatively high output at low concentration is obtained. Although the output characteristic is obtained but conversely saturates on the high concentration side, the metal oxide catalyst is a primary reaction type for the detection gas and hardly saturates with respect to the concentration. Is obtained. By utilizing this, it is possible to extend the high sensitivity detection range of the gas to be detected. This is a good complement to both carbon monoxide, which requires high output characteristics at low concentrations of several tens of PPM level, and methane and isobutane, which require high concentration gas detection near the lower limit of explosion on the order of%. This is a favorable characteristic for This is equivalent when both are used in combination with one catalyst, but by using them separately, their uniqueness can be emphasized and extracted. In addition, noble metal catalysts and metal oxide catalysts have different behaviors against poisoning substances in the air, which is advantageous in terms of ensuring durability.

【0034】本発明の第五の実施の形態は、発熱体を備
えた基板上に絶縁膜を介して、固体電解質素子と半導体
素子を備え、固体電解質素子は一対の電極を備えた固体
電解質被膜で片方の電極面に多孔性触媒を配した前記被
膜を設け、半導体素子は櫛形電極と酸化物半導体感応膜
を設けて構成する。この形態は、共通の熱源である発熱
体を用いて、固体電解質素子と同時に半導体素子を駆動
させ、複数のガス種に対する検出特性を発揮させるもの
である。発熱体へのパルス通電により、固体電解質素子
は、活性状態になるが、半導体素子も動作させる。固体
電解質素子の動作は、先の実施の形態と同様である。半
導体素子の動作について説明する。櫛形電極の材質は、
金、白金など適用可能であるが、プロセスの共用性と耐
熱安定性の観点から白金が望ましい。またパターンの精
度の面からPVDで製膜するのが望ましい。
In a fifth embodiment of the present invention, a solid electrolyte element and a semiconductor element are provided on a substrate provided with a heating element via an insulating film, and the solid electrolyte element is a solid electrolyte film having a pair of electrodes. The above-mentioned coating having a porous catalyst disposed on one of the electrode surfaces is provided, and the semiconductor element is constituted by providing a comb-shaped electrode and an oxide semiconductor sensitive film. In this embodiment, the semiconductor element is driven simultaneously with the solid electrolyte element by using a heating element that is a common heat source, and the detection characteristics for a plurality of gas types are exhibited. The solid electrolyte element is activated by pulse current supply to the heating element, but the semiconductor element is also operated. The operation of the solid electrolyte element is the same as in the previous embodiment. The operation of the semiconductor element will be described. The material of the comb electrode is
Gold, platinum and the like can be applied, but platinum is desirable from the viewpoint of process versatility and heat stability. In addition, it is desirable to form a film by PVD from the viewpoint of pattern accuracy.

【0035】酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウムなどの
N型半導体酸化物は、高温酸化雰囲気下で酸素の表面電
位がこれらの酸化物のフェルミ準より下にあるので酸素
は負電荷吸着し、電子は酸素にトラップされ、酸化物表
面には、電子濃度の低い空間電荷層が形成され、高抵抗
状態になる。しかし還元ガスが存在すると酸化物表面で
還元ガスにより吸着酸素が消費され、酸素にトラップさ
れていた電子が酸化物に戻され、電子欠乏層が消滅し、
素子は低抵抗状態となる。これを利用して還元性ガスを
検出するものである。酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウ
ムなどのN型半導体酸化物にパラジウム、金、銀などの
増感剤を併用してさらに検出感度を上げる。固体電解質
の駆動のために必要な400〜500℃の温度で、酸化
亜鉛、酸化錫、酸化インジウムなどのN型半導体酸化物
にパラジウム、金、銀などの増感剤を併用した半導体ガ
スセンサ素子は、同じ温度領域にメタンに対する最大の
感度を備えているので、パルス駆動で固体電解質素子で
一酸化炭素を検出すると同時に半導体ガスセンサ素子に
よりメタンを同時に検出することができる。発熱体への
ミリ秒オーダーのパルス駆動を止めれば、全体のガスセ
ンサ素子は、その熱容量と周囲の温度環境に応じて温度
降下する。これを利用して、300〜350℃にその最
大感度のあるイソブタンの検知や100〜150℃に最
大感度がある一酸化炭素も検知することも可能である。
ただし半導体式ガスセンサによる一酸化炭素検知は、そ
の感度が最大となる温度領域が低いので、どうしても高
湿度環境での水蒸気や種々の雑ガスに対する誤報のリス
クが増えてしまう課題がある。このため従来は、なかな
か半導体方式の一酸化炭素センサは受け入れられなかっ
た。しかし、本実施の形態のように水蒸気には全く動作
しない固体電解質素子と併用することで複合センサとし
てはうまく補完することができる。
N-type semiconductor oxides such as zinc oxide, tin oxide, and indium oxide have a surface potential of oxygen lower than the Fermi level of these oxides in a high-temperature oxidizing atmosphere, so that oxygen adsorbs negative charges and electron Is trapped by oxygen, a space charge layer having a low electron concentration is formed on the oxide surface, and a high resistance state is established. However, when reducing gas is present, adsorbed oxygen is consumed by the reducing gas on the oxide surface, electrons trapped in oxygen are returned to the oxide, and the electron deficient layer disappears,
The element enters a low resistance state. This is used to detect the reducing gas. The detection sensitivity is further increased by using a sensitizer such as palladium, gold, or silver in combination with an N-type semiconductor oxide such as zinc oxide, tin oxide, or indium oxide. At a temperature of 400 to 500 ° C. necessary for driving the solid electrolyte, a semiconductor gas sensor element using an N-type semiconductor oxide such as zinc oxide, tin oxide, and indium oxide in combination with a sensitizer such as palladium, gold, and silver is Since it has the highest sensitivity to methane in the same temperature range, it is possible to detect carbon monoxide with the solid electrolyte element by pulse driving and simultaneously detect methane with the semiconductor gas sensor element. When the pulse drive to the heating element on the order of milliseconds is stopped, the temperature of the entire gas sensor element drops according to its heat capacity and the surrounding temperature environment. Utilizing this, it is also possible to detect isobutane having a maximum sensitivity at 300 to 350 ° C. and carbon monoxide having a maximum sensitivity at 100 to 150 ° C.
However, the detection of carbon monoxide by a semiconductor gas sensor has a low temperature range in which the sensitivity is maximum, so that there is a problem in that the risk of false reports of water vapor and various miscellaneous gases in a high-humidity environment increases. For this reason, conventionally, a semiconductor type carbon monoxide sensor has not been easily accepted. However, when used in combination with a solid electrolyte element that does not operate on water vapor at all as in this embodiment, a composite sensor can be successfully complemented.

【0036】本発明の第六の実施の形態は、発熱体を備
えた基板上に絶縁膜を介して、一対の電極を備えた固体
電解質被膜で片方の電極面に多孔性触媒を配した前記被
膜および櫛形電極と酸化物半導体感応膜を設けて構成
し、とくに前記酸化物半導体感応膜として、パラジウ
ム、白金、ロジウム、ルテニウムの少なくとも1種以上
の貴金属を担持して成る酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジ
ウムの少なくとも一種以上の酸化物薄膜を用いて構成す
る。
In a sixth embodiment of the present invention, a porous catalyst is disposed on one electrode surface by a solid electrolyte film having a pair of electrodes on a substrate having a heating element via an insulating film. A coating and a comb-shaped electrode and an oxide semiconductor sensitive film are provided, and particularly, as the oxide semiconductor sensitive film, palladium, platinum, rhodium, ruthenium and at least one noble metal supported thereon, zinc oxide, tin oxide, It is constituted by using at least one kind of oxide thin film of indium oxide.

【0037】先ずスパッタリング等の製膜手段で櫛形電
極を形成した上に、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム
の群から選定して成る一種以上の酸化物をスパッタリン
グにて形成し、酸化物被膜の表面にパラジウム、白金、
ロジウム、ルテニウムの群から選定して成る1種以上の
貴金属を担持して酸化物半導体素子部を作製する。酸化
亜鉛、酸化錫、酸化インジウムの群から選定して成る一
種以上の酸化物は、1μmから数μmの範囲で製膜する。
製膜速度を早く、膜厚を大きくすると酸化物半導体被膜
が柱状結晶が成長したり、基材との熱膨張差によりクラ
ックが生成したりするが、むしろガス検出感度の面から
は好都合である。増感剤として用いるパラジウム、白
金、ロジウム、ルテニウムの群から選定して成る1種以
上の貴金属は、貴金属の塩溶液を用いて表面から含浸さ
せ、熱分解させて担持する。このようにして形成した酸
化物半導体感応膜は、メタン、イソブタンなどのガスに
対して良好な検出感度を備えている。
First, after forming a comb-shaped electrode by film forming means such as sputtering, one or more oxides selected from the group of zinc oxide, tin oxide and indium oxide are formed by sputtering, and the oxide film is formed. Palladium, platinum, on the surface
An oxide semiconductor element portion is manufactured by supporting at least one noble metal selected from the group consisting of rhodium and ruthenium. One or more oxides selected from the group consisting of zinc oxide, tin oxide, and indium oxide form a film in the range of 1 μm to several μm.
When the film formation speed is increased and the film thickness is increased, columnar crystals grow in the oxide semiconductor film or cracks are generated due to a difference in thermal expansion with the base material, but it is rather advantageous from the viewpoint of gas detection sensitivity. . One or more noble metals selected from the group of palladium, platinum, rhodium and ruthenium used as a sensitizer are impregnated from the surface using a noble metal salt solution, and thermally decomposed to be supported. The oxide semiconductor sensitive film thus formed has good detection sensitivity to gases such as methane and isobutane.

【0038】[0038]

【実施例】以下本発明の実施例について図1ないし図6
を用いて説明する。
FIG. 1 to FIG. 6 show an embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG.

【0039】(実施例1)図1は本発明の一実施例のガ
スセンサの断面概念図を示すものである。図1におい
て、発熱体1を備えた基材2上に絶縁膜3を介して、複
数の固体電解質素子4A、4B、4Cを備えている。図
1では、3素子形成した例を記載しているが、2個以上
であれば、何素子であっても良い。薄膜プロセスなどに
より、下層から上層に順番にパターン化して形成するの
で、固体電解質素子は、複数個であっても、1個の場合
とプロセスの手間は、ほとんど変わらない。各固体電解
質素子は、固体電解質6上に一対の電極5を備え、前記
一対の電極の片方には、多孔性酸化触媒被膜7を備えた
構成を持つ。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a plurality of solid electrolyte elements 4A, 4B, and 4C are provided on a base material 2 having a heating element 1 with an insulating film 3 interposed therebetween. Although FIG. 1 shows an example in which three elements are formed, any number of elements may be used as long as two or more elements are formed. Since it is formed by patterning in order from the lower layer to the upper layer by a thin film process or the like, even if there are a plurality of solid electrolyte elements, the processing time is almost the same as that of a single solid electrolyte element. Each solid electrolyte element has a configuration in which a pair of electrodes 5 is provided on a solid electrolyte 6, and a porous oxidation catalyst film 7 is provided on one of the pair of electrodes.

【0040】発熱体1は、抵抗体をジグザグなどの形状
にパターン化して基材2上に形成する。
The heating element 1 is formed on a substrate 2 by patterning a resistor into a zigzag or the like shape.

【0041】パターン化の方法は、メタルマスク下で、
薄膜を製膜する方法をはじめ、半導体リソグラフィ加工
プロセスに通常用いられるドライ、ウエットのエッチン
グプロセス、リフトオフプロセスなど各種方法が適用可
能である。発熱体として、白金系貴金属を主成分とする
発熱体を用いて、電子ビーム蒸着や、スパッタリングな
どの薄膜製膜法にて、パターンを形成することで、ガス
センサに適用する際に求められる温度立ち上がりが早
く、信頼性に優れた良好な発熱体が得られる。この発熱
体の主要部に発熱体と同様の薄膜プロセスにて、絶縁膜
3を形成する。この絶縁膜3上に固体電解質の薄膜6を
パターン化して形成する。固体電解質6としては、安定
化ジルコニアなどの酸素イオン導電体をはじめとして、
フッ化物イオン導電体やプロトン導電体などもいずれも
適用できる。固体電解質上にパターン化して形成する一
対の電極5については、酸素イオンの吸着および固体電
解質への移動性の面から銀、白金、パラジウム、ルテニ
ウムやペロブスカイト型酸化物などが適用可能である
が、耐熱性および製膜性の観点から白金、ペロブスカイ
ト型酸化物が望ましい。いずれも前記発熱体の項で記載
したパターニング法を用いて、固体電解質面上にスパッ
タリング等にて製膜する。また多孔性酸化触媒被膜7
は、ガスの透過特性を備えた上で一酸化炭素などの被検
出ガスがその間を透過する際にその被検出ガスを酸化す
る特性を備えたものであればよく、各種の耐熱性多孔体
に酸化触媒を担持したものを用いることができる。これ
も薄膜または厚膜印刷法などによりパターン化して形成
する。
The patterning method is as follows under a metal mask.
Various methods, such as a method for forming a thin film, a dry or wet etching process, and a lift-off process, which are usually used in a semiconductor lithography process, can be applied. By using a heating element mainly composed of platinum-based noble metal as the heating element and forming a pattern by a thin film forming method such as electron beam evaporation or sputtering, the temperature rise required when applied to a gas sensor And a good heating element with excellent reliability can be obtained. An insulating film 3 is formed on the main part of the heating element by the same thin film process as that of the heating element. On the insulating film 3, a thin film 6 of a solid electrolyte is formed by patterning. Examples of the solid electrolyte 6 include an oxygen ion conductor such as stabilized zirconia,
Any of a fluoride ion conductor and a proton conductor can be applied. As for the pair of electrodes 5 formed by patterning on the solid electrolyte, silver, platinum, palladium, ruthenium, perovskite oxide, and the like can be applied in terms of adsorption of oxygen ions and mobility to the solid electrolyte. Platinum and perovskite oxides are desirable from the viewpoints of heat resistance and film forming properties. In each case, a film is formed on the solid electrolyte surface by sputtering or the like using the patterning method described in the section of the heating element. Also, the porous oxidation catalyst film 7
Is sufficient if it has a property of oxidizing a gas to be detected when a gas to be detected such as carbon monoxide permeates between the gas and the heat-resistant porous body. A catalyst carrying an oxidation catalyst can be used. This is also formed by patterning by a thin film or thick film printing method or the like.

【0042】このようにして作製した複数の固体電解質
式ガスセンサ素子4A、4B、4Cの動作に必要な40
0〜500℃の温度は、発熱体1への通電加熱により提
供される。ガスセンサの構成がマイクロ加工技術により
超小型に構成されているので、ミリ秒レベルの通電によ
り4A、4B、4Cの各素子とも動作可能な温度とな
る。4Aの素子の動作について説明する。固体電解質6
の上の形成された電極上5には、片方の電極には一酸化
炭素などの被検出ガスを含有する空気が、他方の電極に
は、多孔性酸化触媒被膜7により一酸化炭素などの被検
出ガスを除去された空気が到達し、両電極間で、一酸化
炭素濃度などの被検出ガスに対応して酸素濃淡電池型起
電力出力が得られる。これにより一酸化炭素などの被検
出ガス濃度が検知できる。
The plurality of solid electrolyte gas sensor elements 4A, 4B, and 4C thus manufactured are required to operate.
A temperature of 0 to 500 ° C. is provided by energizing and heating the heating element 1. Since the configuration of the gas sensor is made very small by the micromachining technology, the temperature of each of the elements 4A, 4B, and 4C becomes operable by energization at the millisecond level. The operation of the 4A element will be described. Solid electrolyte 6
On the electrode 5 formed on the electrode, air containing a gas to be detected such as carbon monoxide is applied to one of the electrodes, and the other electrode is coated with a gas such as carbon monoxide by the porous oxidation catalyst film 7. The air from which the detection gas has been removed reaches, and an oxygen concentration cell type electromotive force output is obtained between the two electrodes corresponding to the gas to be detected such as the concentration of carbon monoxide. Thereby, the concentration of the gas to be detected such as carbon monoxide can be detected.

【0043】全く同様の動作が4B、4Cの異なる固体
電解質素子においても可能で、本ガスセンサは、共通の
発熱体の動作により、複数のセンサ出力を同時に得るこ
とができる。複数のセンサ出力をそのまま、加算するこ
とで、見かけ上のセンサ感度を増加させることが可能に
なる。また複数の固体電解質素子において、電極、触媒
の種類、条件を変化させることで、ガス種に対するそれ
ぞれの固体電解質素子の感度を変えることで複数のガス
種の同時検出が可能になる。また、センサの感度を高感
度のものと低感度のものとを組み合わせることで、低感
度としたガスセンサは、一般に優れた耐久性を備えるの
で、両者ガスセンサの出力比を演算することでセンサの
劣化情報を把握し、感度補正を行うことも可能になる。
このようにしてセンサの信頼性を増加させることができ
る。本実施例の構成にすることで、これまで課題となっ
ていたガスセンサの基本的な課題である省エネルギーの
課題や、誤報の問題、さらにはフェールセーフの問題な
ど従来のガスセンサの課題を克服できる。
Exactly the same operation can be performed in different solid electrolyte elements 4B and 4C, and the present gas sensor can simultaneously obtain a plurality of sensor outputs by operating a common heating element. By adding a plurality of sensor outputs as they are, the apparent sensor sensitivity can be increased. Further, in a plurality of solid electrolyte devices, by changing the types and conditions of electrodes and catalysts, the sensitivity of each solid electrolyte device with respect to the gas type is changed, thereby enabling simultaneous detection of a plurality of gas types. In addition, gas sensors that have a low sensitivity by combining a high-sensitivity sensor and a low-sensitivity sensor generally have excellent durability. Therefore, by calculating the output ratio of both gas sensors, deterioration of the sensor can be achieved. It is also possible to grasp information and perform sensitivity correction.
In this way, the reliability of the sensor can be increased. By adopting the configuration of the present embodiment, it is possible to overcome the problems of the conventional gas sensor, such as the problem of energy saving, the problem of false alarm, and the problem of fail-safe, which are the basic problems of the gas sensor.

【0044】(実施例2)図2は本発明の他の実施例の
ガスセンサの要部断面概念図を示すものである。図2
は、4A、4Bの2種の固体電解質ガスセンサ素子の構
成を示している。図2の各素子は、図2では、省略して
あるが、発熱体1を備えた基材2上に絶縁膜3を介し
て、形成されている。第一の固体電解質素子4Aは、固
体電解質6A上に一対の電極5Aを備え、その片方の電
極上には、多孔性酸化触媒被膜7Aを備えている。第二
の固体電解質素子4Bは、固体電解質6B上に一対の電
極5Bを備え、その片方の電極上には、多孔性酸化触媒
被膜7Bを備えている。本実施例においては、第一の固
体電解質素子4Aと第二の固体電解質素子4Bとの違い
は、第一の固体電解質被膜上の一対の電極と第二の固体
電解質被膜上の一対の電極の膜厚を少なくとも50%以
上変化させ形成してある。他の要素の固体電解質被膜お
よび多孔性酸化触媒被膜は同じである。またパターンの
面からすると第一の固体電解質素子と第二の固体電荷質
素子の多孔性酸化触媒を両者にまたがって形成するよう
にしても良い。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a conceptual sectional view of a main part of a gas sensor according to another embodiment of the present invention. FIG.
Shows the configuration of two types of solid electrolyte gas sensor elements of 4A and 4B. Although not shown in FIG. 2, each element in FIG. 2 is formed on a base material 2 provided with a heating element 1 via an insulating film 3. The first solid electrolyte element 4A includes a pair of electrodes 5A on a solid electrolyte 6A, and a porous oxidation catalyst film 7A on one of the electrodes. The second solid electrolyte element 4B includes a pair of electrodes 5B on a solid electrolyte 6B, and a porous oxidation catalyst film 7B on one of the electrodes. In the present embodiment, the difference between the first solid electrolyte element 4A and the second solid electrolyte element 4B is that the pair of electrodes on the first solid electrolyte coating and the pair of electrodes on the second solid electrolyte coating are different. The thickness is changed by at least 50% or more. The solid electrolyte coating and the porous oxidation catalyst coating of the other elements are the same. In view of the pattern, the porous oxidation catalysts of the first solid electrolyte element and the second solid charge element may be formed over both.

【0045】実施例1と同様に基板上に発熱体から多孔
性酸化触媒まで順次パターン化して積層していくことで
本実施例のガスセンサが作製できる。第一の固体電解質
素子の電極と第二の固体電解質素子の電極について、例
えば、製膜時間などの製膜条件を変更させて、異なった
膜厚、すなわち50%以上膜厚が異なった電極を作製す
る。電極として機能できる膜厚レベルが実現しておれ
ば、膜厚が薄い側の電極と膜厚が2倍以上厚い電極の間
で、ガスセンサとしての特性が異なる。膜厚が薄い電極
では、酸素の拡散が早く、電極が相対的にポーラスにな
るので、酸素の吸着性も高いため、ガスセンサとしての
応答性や感度が高いが、逆に相対的には感度が低下し易
いガスセンサとなる。これに対して、膜厚の厚い電極で
は、応答性や感度が相対的に劣るが、耐久性が極めて高
い特質を持つ。被検出ガスに対してガスセンサとしての
出力のガス濃度に対する特性としては、薄い電極のセン
サが低濃度側では、高出力であるが高濃度での出力が飽
和する傾向を持つのに対して、厚い電極の側では、低濃
度での出力は、少ないが、高濃度間で出力が取れる特性
を備える。これにより両者を組み合わせて用いること
で、ガス濃度の検出濃度範囲を拡大できる。
As in the first embodiment, the gas sensor of this embodiment can be manufactured by sequentially patterning and laminating a heating element to a porous oxidation catalyst on a substrate. For the electrode of the first solid electrolyte element and the electrode of the second solid electrolyte element, for example, by changing the film forming conditions such as the film forming time, electrodes having different film thicknesses, that is, electrodes having a film thickness different by 50% or more are formed. Make it. If a film thickness level capable of functioning as an electrode is realized, the characteristics as a gas sensor differ between an electrode having a smaller film thickness and an electrode having a film thickness more than twice as large. In the case of a thin electrode, the diffusion of oxygen is rapid and the electrode becomes relatively porous, so the oxygen adsorption is high, so the response and sensitivity of the gas sensor are high, but the sensitivity is relatively low. It becomes a gas sensor that is easily lowered. On the other hand, an electrode having a large film thickness is relatively inferior in responsiveness and sensitivity, but has extremely high durability. As a characteristic of the gas concentration of the output of the gas sensor with respect to the gas to be detected, the thin electrode sensor has a high output on the low concentration side, but has a tendency to saturate the output at the high concentration, but has a large output. On the electrode side, the output at a low concentration is small, but the characteristic is such that the output can be obtained at a high concentration. Thus, by using both of them in combination, the detection concentration range of the gas concentration can be expanded.

【0046】また2種類の混合ガスに対して、電極の厚
みが異なった固体電荷質ガスセンサは、ガス種に対応し
て、異なる出力特性になるので、また不完全燃焼時に一
酸化炭素ガスに対する水素ガスの比はほぼ2:1である
ことが知られているので、また予め検量線を作成してお
くことで、これにより連立方程式を解くことで、一酸化
炭素と水素ガスの混合ガスに対して、ほぼ的確にそれぞ
れのガス濃度を推測計算することができる。これは、従
来の単一のガスセンサでは、全く出来なかったガス濃度
の検出方法になる。
The solid-charged gas sensors having different electrode thicknesses for two types of mixed gases have different output characteristics depending on the gas type. It is known that the gas ratio is approximately 2: 1. Also, by preparing a calibration curve in advance, and solving the simultaneous equations, a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen gas can be obtained. Thus, the respective gas concentrations can be estimated and calculated almost exactly. This is a method for detecting gas concentration, which could not be performed with a conventional single gas sensor.

【0047】また耐久性に対しては、膜厚の薄いガスセ
ンサ素子では、高感度の分、感度が低下し易いのに対し
て、膜厚の厚い側の電極は、感度は悪いが、経時的な安
定性に優れ、感度がなかなか低下し難いタフな特性を備
える。例えば、両固体電解質ガスセンサ素子のそれぞれ
のセンサ出力の比を求めることで、高感度なセンサの感
度低下を評価でき、センサ出力値を補正することができ
る。これにより、ガスセンサとしての感度と耐久性とを
うまく両立させることができる。以上により、本実施例
のように構成することで、従来、単一のガスセンサで
は、従来技術では、絶対に出来なかった感度低下に対し
ても信頼性の高い、保安動作を継続することができる。
Regarding the durability, the sensitivity of a gas sensor element having a small film thickness is apt to be reduced due to the high sensitivity, whereas the sensitivity of the electrode having a large film thickness is poor, but the gas sensor element over time has a poor sensitivity. It has excellent stability and has tough characteristics that the sensitivity is not easily reduced. For example, by obtaining the ratio of the sensor outputs of both the solid electrolyte gas sensor elements, it is possible to evaluate a decrease in the sensitivity of a highly sensitive sensor and correct the sensor output value. As a result, the sensitivity and durability of the gas sensor can be well balanced. As described above, with the configuration as in the present embodiment, with a single gas sensor, a highly reliable and safe operation can be continued even with a decrease in sensitivity that could not be achieved with the conventional technology. .

【0048】本実施例では2つの固体電解質素子の例を
記載したが、素子が3つになっても同様の効果が期待で
きる。
In this embodiment, two solid electrolyte elements have been described, but the same effect can be expected when three elements are used.

【0049】このように本実施例の構成により、経時劣
化による信頼性低下の課題を改善することができたり、
混合ガスの同時検出を可能にしたり、従来のガスセンサ
では、到底なし得なかった幾つかの課題を克服できる。
またマイクロ加工プロセスを用いるので、極めて安価に
これらの機能を付与できる。
As described above, according to the configuration of this embodiment, it is possible to improve the problem of reliability deterioration due to deterioration with time,
It enables simultaneous detection of mixed gases, and overcomes several problems that were impossible with conventional gas sensors.
Further, since the micromachining process is used, these functions can be provided at extremely low cost.

【0050】(実施例3)図3は本発明の他の実施例の
ガスセンサの要部の断面概念図を示すものである。
(Embodiment 3) FIG. 3 is a conceptual sectional view of a main part of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.

【0051】図3は、4A、4Cの2種の固体電解質ガ
スセンサ素子を備えたガスセンサの構成の一部を示して
いる。図3の各素子は、図3では、省略してあるが、発
熱体1を備えた基材2上に絶縁膜3を介して、形成され
ている。第一の固体電解質素子4Aは、固体電解質6A
上に一対の電極5Aを備え、その片方の電極上には、多
孔性酸化触媒被膜7Aを備えている。第二の固体電解質
素子4Cは、固体電解質6C上に一対の電極5Cを備
え、その片方の電極上には、多孔性酸化触媒被膜7Cを
備えている。本実施例においては、第一の固体電解質素
子4Aと第二の固体電解質素子4Cとの違いは、第一の
固体電解質被膜上の一対の電極と第二の固体電解質被膜
上の一対の電極の材質を変化させ形成してある。他の要
素の固体電解質被膜および多孔性酸化触媒被膜は同じで
ある。
FIG. 3 shows a part of the configuration of a gas sensor provided with two types of solid electrolyte gas sensor elements 4A and 4C. Although not shown in FIG. 3, each element of FIG. 3 is formed on a base material 2 provided with a heating element 1 via an insulating film 3. The first solid electrolyte element 4A includes a solid electrolyte 6A
A pair of electrodes 5A is provided thereon, and a porous oxidation catalyst film 7A is provided on one of the electrodes. The second solid electrolyte element 4C includes a pair of electrodes 5C on a solid electrolyte 6C, and a porous oxidation catalyst film 7C on one of the electrodes. In the present embodiment, the difference between the first solid electrolyte element 4A and the second solid electrolyte element 4C is that the pair of electrodes on the first solid electrolyte film and the pair of electrodes on the second solid electrolyte film are different. It is formed by changing the material. The solid electrolyte coating and the porous oxidation catalyst coating of the other elements are the same.

【0052】第一の固体電荷質素子と第二の固体電解質
素子の電極の材質が異なることで、両センサは、全く異
なるガスセンサとしての特性を備えることになる。
Since the materials of the electrodes of the first solid-state charge element and the second solid-state electrolyte element are different, both sensors have completely different characteristics as gas sensors.

【0053】本実施例のガスセンサもプロセス的には、
工程的に片側の電極の形成工程分が追加されることにな
るが、ガスセンサを製造する微細加工プロセス全体から
すれば、1工程追加されても、ほとんど差がない。また
パターンの面からすると第一の固体電解質素子と第二の
固体電荷質素子の多孔性酸化触媒を両者にまたがって形
成するようにしても良い。
The process of the gas sensor of this embodiment is also as follows.
Although one electrode forming step is added in the process, there is almost no difference even if one step is added in the entire micromachining process for manufacturing the gas sensor. In view of the pattern, the porous oxidation catalysts of the first solid electrolyte element and the second solid charge element may be formed over both.

【0054】2種類の固体電解質素子について、被検出
ガスが2種類の混合ガスである場合に第一の固体電解質
素子のガス濃度を変化させたときのセンサ出力特性と第
二の固体電解質素子とで、全く異なる特性を持つので、
予め検量線を作成しておくことで連立方程式を解いて、
組成を推測することができる。これは、実施例2の同じ
電極で、膜厚を50%以上変化させた電極の場合より
も、特徴的な組み合わせが可能で精度高く、ガス組成を
推定することができる。例えば、電極を貴金属系と金属
酸化物系というように変化させると両電極間で、ガスに
対する吸着特性や、酸素の移動特性、触媒酸化特性など
大幅に変化することになるので、固体電解質素子間での
ガス種に対する大きな選択性の差を実現でき有利にな
る。また片方の固体電解質素子の電極に感度が少し劣っ
ても、極めて耐久安定性の高い材料を用いることで、実
施例2に記載した感度低下に対する補正操作も同様に実
施できる。例えば、ロジウムで合金化した白金はその例
である。白金電極と比較すると、連続動作させた場合の
熱によるシンタリングに伴う感度低下は、極めて少な
い。
For two types of solid electrolyte elements, when the gas to be detected is a mixed gas of two types, the sensor output characteristics when the gas concentration of the first solid electrolyte element is changed and the second solid electrolyte element And have completely different characteristics,
By solving the simultaneous equations by creating a calibration curve in advance,
The composition can be inferred. This is because the characteristic composition is possible and the gas composition can be estimated more accurately than in the case of the same electrode of Example 2 in which the film thickness is changed by 50% or more. For example, if the electrodes are changed from a noble metal type to a metal oxide type, gas adsorption characteristics, oxygen transfer characteristics, catalytic oxidation characteristics, etc. will significantly change between the two electrodes. This is advantageous because a large difference in selectivity for the gas type can be realized. Further, even if the sensitivity of the electrode of one of the solid electrolyte elements is slightly inferior, by using a material having extremely high durability stability, the correction operation for the decrease in sensitivity described in the second embodiment can be similarly performed. For example, platinum alloyed with rhodium is an example. Compared with a platinum electrode, the sensitivity decrease due to heat sintering when operated continuously is extremely small.

【0055】このように本実施例の構成により、経時劣
化による信頼性の低下の課題を改善することができた
り、混合ガスの同時検出を可能にしたり、従来のガスセ
ンサでは、到底なし得なかった諸課題を克服することが
できる。またマイクロ加工プロセスを用いるので、極め
て安価にこれらの機能を付与できる。
As described above, according to the configuration of this embodiment, it is possible to improve the problem of the decrease in reliability due to the deterioration over time, to enable the simultaneous detection of the mixed gas, and to achieve the conventional gas sensor. Can overcome various issues. Further, since the micromachining process is used, these functions can be provided at extremely low cost.

【0056】(実施例4)図4は本発明の他の実施例の
ガスセンサの要部断面概念図を示すものである。
(Embodiment 4) FIG. 4 is a conceptual sectional view of a main part of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.

【0057】図4は、4A、4Dの2種の固体電解質ガ
スセンサ素子を備えたガスセンサの構成の一部を示して
いる。図4の各素子は、図4では、省略してあるが、発
熱体1を備えた基材2上に絶縁膜3を介して、形成され
ている。第一の固体電解質素子4Aは、固体電解質6A
上に一対の電極5Aを備え、その片方の電極上には、多
孔性酸化触媒被膜7Aを備えている。第二の固体電解質
素子4Dは、固体電解質6D上に一対の電極5Dを備
え、その片方の電極上には、多孔性酸化触媒被膜7Dを
備えている。本実施例においては、第一の固体電解質素
子4Aと第二の固体電解質素子4Dとの違いは、第一の
固体電解質素子4Aと第二の固体電解質素子4Dとで、
多孔性酸化触媒被膜を変化させ形成してある。多孔性酸
化触媒被膜4A、4Bは、触媒の種類をはじめとして、
結合材、多孔化手段、製膜手段、製膜方法等を変化させ
ることで、異なる特性を備えた多孔性酸化触媒被膜とな
る。多孔性酸化触媒被膜として重要な特性は、ガスの酸
化活性および酸素の拡散特性である。これらは触媒の種
類、膜厚、多孔度などを変えることで異なる特性を備え
る。触媒としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの
貴金属系と鉄、マンガン、銅、ニッケル、コバルトなど
の遷移金属酸化物系とで異なった特性を持つ。例えば、
遷移金属酸化物または複合酸化物系の触媒は、炭化水素
の酸化について選択的に良好な酸化活性を備える場合が
多い。この場合、一酸化炭素には感度が悪くても、炭化
水素には良好な感度を持つ特性となる。また酸化亜鉛、
酸化インジウム、酸化錫などの酸化物なども貴金属との
組み合わせで、ガスに対して特殊な選択性を備える場合
が多い。また、同じ多孔性酸化触媒被膜であっても膜厚
を変えることでガス種に対する酸化特性は異なる。多孔
性触媒側ガス濃度、酸素/電極/固体電解質/電極/ガ
ス濃度、酸素の濃淡電池構成で、多孔性酸化触媒を変え
ることで異なるガス種に対して異なるガスセンサ出力特
性を持つことになる。このようにして多孔性酸化触媒を
変えることで、複合ガスに対して固有のセンサ感度が得
られるので、2つの出力特性の式が得られる事になる。
共存しているガスの種類が明らかな場合は、2つの固体
電解質素子の出力特性を用いて、組成比を的確に推測す
ることができる。さらに多孔性触媒を備えていない電極
に異なる多孔性触媒被膜を形成することでも、異なった
出力特性のガスセンサを形成することができ、これを活
用することもできる。
FIG. 4 shows a part of the configuration of a gas sensor provided with two types of solid electrolyte gas sensor elements of 4A and 4D. Although not shown in FIG. 4, each element in FIG. 4 is formed on a base material 2 provided with a heating element 1 via an insulating film 3. The first solid electrolyte element 4A includes a solid electrolyte 6A
A pair of electrodes 5A is provided thereon, and a porous oxidation catalyst film 7A is provided on one of the electrodes. The second solid electrolyte element 4D includes a pair of electrodes 5D on a solid electrolyte 6D, and a porous oxidation catalyst film 7D on one of the electrodes. In the present embodiment, the difference between the first solid electrolyte element 4A and the second solid electrolyte element 4D is the difference between the first solid electrolyte element 4A and the second solid electrolyte element 4D.
It is formed by changing the porous oxidation catalyst film. The porous oxidation catalyst coatings 4A and 4B include the type of catalyst,
By changing the binder, the porous means, the film forming means, the film forming method, and the like, a porous oxidation catalyst film having different characteristics can be obtained. Important characteristics as a porous oxidation catalyst film are the oxidation activity of gas and the diffusion characteristics of oxygen. These have different characteristics by changing the type, thickness, porosity, etc. of the catalyst. As the catalyst, noble metals such as platinum, palladium, and rhodium have different characteristics from transition metal oxides such as iron, manganese, copper, nickel, and cobalt. For example,
Transition metal oxide or composite oxide catalysts often have selectively good oxidation activity for hydrocarbon oxidation. In this case, even if the sensitivity is low for carbon monoxide, the characteristics have good sensitivity for hydrocarbons. Also zinc oxide,
Oxides such as indium oxide and tin oxide also often have special selectivity to gas in combination with precious metals. Further, even with the same porous oxidation catalyst film, the oxidation characteristics with respect to gas species are different by changing the film thickness. With the porous catalyst side gas concentration, oxygen / electrode / solid electrolyte / electrode / gas concentration, and oxygen concentration cell configuration, changing the porous oxidation catalyst results in different gas sensor output characteristics for different gas types. By changing the porous oxidation catalyst in this way, a unique sensor sensitivity is obtained for the composite gas, and thus two equations of output characteristics are obtained.
When the type of coexisting gas is clear, the composition ratio can be accurately estimated using the output characteristics of the two solid electrolyte elements. Further, by forming a different porous catalyst film on an electrode having no porous catalyst, gas sensors having different output characteristics can be formed and can be utilized.

【0058】またガスセンサの製造法として、マイクロ
加工プロセスを用いるので、極めて安価に上記の機能を
付与できる。
Since the micromachining process is used as a method for manufacturing the gas sensor, the above functions can be provided at extremely low cost.

【0059】(実施例5)図5は本発明の他の実施例の
ガスセンサの要部断面概念図を示すものである。
(Embodiment 5) FIG. 5 is a conceptual sectional view of a main part of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.

【0060】図5は、発熱体1を備えた基材2上に絶縁
膜3を介して、固体電解質素子4および半導体素子10
が形成されている。すなわち、絶縁膜3を介して、固体
電解質素子4は、固体電解質被膜6上に一対の電極5を
備え、その片方の電極上には、多孔性酸化触媒被膜7を
備えている。一方、半導体素子10は、絶縁膜3を介し
て櫛形電極8上に酸化物半導体感応膜9を備えている。
発熱体のパルス通電により400〜500℃の温度環境
に加熱された固体電解質素子4の動作は、先の実施例と
同様である。すなわち、検出対象ガスの存在する場合に
は、酸素濃淡電池が形成され、一対の電極5間に被検出
ガス濃度に応じた起電力出力が得られる。
FIG. 5 shows a solid electrolyte element 4 and a semiconductor element 10 on a substrate 2 provided with a heating element 1 via an insulating film 3.
Are formed. That is, the solid electrolyte element 4 includes the pair of electrodes 5 on the solid electrolyte coating 6 via the insulating film 3, and the porous oxidation catalyst coating 7 on one of the electrodes 5. On the other hand, the semiconductor element 10 includes the oxide semiconductor sensitive film 9 on the comb-shaped electrode 8 via the insulating film 3.
The operation of the solid electrolyte element 4 heated to a temperature environment of 400 to 500 ° C. by the pulsed power of the heating element is the same as that of the previous embodiment. That is, when the gas to be detected exists, an oxygen concentration cell is formed, and an electromotive force output according to the concentration of the gas to be detected is obtained between the pair of electrodes 5.

【0061】一方、櫛形電極8上に形成された酸化物半
導体感応膜は、発熱体のパルス通電により、酸化物半導
体の電子は負電荷吸着した酸素にトラップされ、酸化物
半導体表面に電子濃度の低い空間電荷層が形成され、素
子は高抵抗状態になる。そこに被検出ガス(還元ガス)
が存在すると吸着酸素が被検出ガスとの燃焼反応により
消費されて、酸素にトラップされていた電子が酸化物半
導体に戻され電子欠乏層が消滅し、素子は低抵抗状態に
なる。このようにして被検出ガスの存在に応じて、酸化
物半導体感応膜の抵抗値は、変化する。櫛形電極の抵抗
値を追跡することで、被検出ガスの存在による抵抗値変
化を検出できる。酸化物半導体感応膜の材料の構成によ
り、被検出ガスの種類に応じて、感度が最大になる温度
が異なる。例えば、一般的にメタンでは、400〜50
0℃、イソブタンでは、300〜400℃、一酸化炭素
では、100〜200℃が大きな感度が得られることが
知られている。本実施例の発熱体へのパルス通電により
酸化物半導体素子は、400〜500℃の条件に加熱さ
れ高抵抗状態になるが、発熱体への通電が終了すると徐
々に温度が下がり始め、室温に向けて平衡していく。櫛
形電極間の抵抗値を検出する温度を被検出ガスの感度が
最大となる温度に設定すれば、目的の被検出ガスを高感
度で検知することが可能になる。
On the other hand, in the oxide semiconductor sensitive film formed on the comb-shaped electrode 8, the electrons of the oxide semiconductor are trapped by the oxygen adsorbed by the negative charge and the electron concentration of A low space charge layer is formed and the device goes into a high resistance state. Gas to be detected (reducing gas)
Is present, the adsorbed oxygen is consumed by the combustion reaction with the gas to be detected, the electrons trapped by oxygen are returned to the oxide semiconductor, the electron deficient layer disappears, and the element enters a low resistance state. Thus, the resistance value of the oxide semiconductor sensitive film changes according to the presence of the gas to be detected. By tracking the resistance value of the comb-shaped electrode, a change in resistance value due to the presence of the gas to be detected can be detected. The temperature at which the sensitivity is maximized differs depending on the type of the gas to be detected depending on the material configuration of the oxide semiconductor sensitive film. For example, generally for methane, 400 to 50
It is known that a high sensitivity is obtained at 0 ° C, 300-400 ° C for isobutane, and 100-200 ° C for carbon monoxide. The oxide semiconductor element is heated to a temperature of 400 to 500 ° C. and changes to a high resistance state by pulse current supply to the heating element of this embodiment. And equilibrate. If the temperature at which the resistance value between the comb-shaped electrodes is detected is set to a temperature at which the sensitivity of the gas to be detected is maximized, the target gas to be detected can be detected with high sensitivity.

【0062】このようにして、絶縁被膜上に形成した固
体電解質素子と酸化物半導体素子とを組み合わせること
で複数のガス種の同時検出が可能になる。固体電解質素
子の特長と酸化物半導体素子の特長とを組み合わせるこ
とで弱点を補完しながら両者の利点を有効に活用できる
ことになる。混合ガスに対して、予め回帰式を作成して
おくことで、この2つの素子を組み合わせて連立方程式
を解くことで、混合ガスの組成を算出することができる
のは、先の実施例と同様である。酸化物半導体素子のみ
で温度に対する感度の差を利用して、複数種のガスを検
知しようという方法もあるがこの場合は、選択性に無理
が発生し、一酸化炭素の検出を選択性を上げるために5
0〜100℃などの低温に設定することが必要で、アル
コールなどの雑ガスによる誤報の可能性や、水蒸気によ
る誤報のリスクが発生する。これに対して、本実施例の
構成は、高温側で動作させるので、このような誤報のリ
スクはほとんど無くなる。
By combining the solid electrolyte element formed on the insulating film and the oxide semiconductor element in this manner, simultaneous detection of a plurality of gas types becomes possible. By combining the features of the solid electrolyte element and the features of the oxide semiconductor element, the advantages of both can be effectively utilized while complementing the weak points. By preparing a regression equation for the mixed gas in advance, it is possible to calculate the composition of the mixed gas by combining these two elements and solving the simultaneous equations, as in the previous embodiment. It is. There is also a method of detecting a plurality of gases using the difference in sensitivity to temperature with only the oxide semiconductor element, but in this case, excessive selectivity occurs, and the detection of carbon monoxide is increased. 5 for
It is necessary to set the temperature to a low temperature such as 0 to 100 ° C., which may cause a false report due to miscellaneous gases such as alcohol and a risk of a false report due to water vapor. On the other hand, the configuration of the present embodiment is operated on the high temperature side, and therefore, there is almost no risk of such false alarm.

【0063】本実施例のガスセンサを作製するためのプ
ロセス的な手間は、固体電解質素子1個または、複数個
配置する構成の場合とほとんど変わらない。このように
安価で高信頼のガスセンサが実現できる。
The process labor for manufacturing the gas sensor of this embodiment is almost the same as the case where one or a plurality of solid electrolyte elements are arranged. Thus, an inexpensive and highly reliable gas sensor can be realized.

【0064】(実施例6)図6は本発明の他の実施例の
ガスセンサの酸化物半導体感応膜の要部断面概念図を示
すものである。図6において、被膜の断片9は、ガスが
拡散する空隙の細孔13を含んで形成され、パラジウ
ム、白金、ロジウム、ルテニウムの群から選定してなる
1種以上の貴金属11を担持してなる酸化亜鉛、酸化
錫、酸化インジウムの群から選定してなる1種以上の酸
化物12を含む薄膜として形成されている。酸化亜鉛、
酸化錫、酸化インジウムの群から選定してなる1種以上
の酸化物は、N型半導体酸化物としての特性を備える。
またパラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムの群から
選定してなる1種以上の貴金属は、活性なd電子を持
ち、ガス種を分子状で吸着したり、半導体酸化物の電子
状態を変化させたりすることで、ガス種をスピルオーバ
ーさせてN型半導体酸化物の吸着酸素との反応性を増大
させたり、ガスとの還元反応に伴う抵抗変化を大きくし
たりして増感作用を果たす。
(Embodiment 6) FIG. 6 is a conceptual sectional view showing a principal part of an oxide semiconductor sensitive film of a gas sensor according to another embodiment of the present invention. In FIG. 6, the coating fragments 9 are formed to include pores 13 of voids through which gas diffuses and carry one or more noble metals 11 selected from the group of palladium, platinum, rhodium, and ruthenium. It is formed as a thin film containing at least one oxide 12 selected from the group consisting of zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. Zinc oxide,
At least one oxide selected from the group consisting of tin oxide and indium oxide has properties as an N-type semiconductor oxide.
At least one noble metal selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, and ruthenium has active d-electrons, adsorbs gas species in a molecular form, and changes the electronic state of the semiconductor oxide. Thereby, the gas species is spilled over to increase the reactivity of the N-type semiconductor oxide with the adsorbed oxygen, or to increase the resistance change accompanying the reduction reaction with the gas, thereby achieving a sensitizing effect.

【0065】このようにして有効に被検出ガスを検出す
ることができる。また被膜形成は、最初にスパッタリン
グなどの薄膜プロセス技術により、酸化亜鉛、酸化錫、
酸化インジウムの群から選定してなる1種以上の酸化物
の薄膜を形成する。薄膜をμmレベル以上に形成した際
に柱状結晶の被膜が成長したりするので、うまく空隙の
細孔が形成される。また形成した酸化亜鉛、酸化錫、酸
化インジウムの群から選定してなる1種以上の酸化物の
薄膜上にパラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムの群
から選定してなる1種以上の貴金属の含有溶液を担持す
ることで、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウムの群から
選定してなる1種以上の酸化物の薄膜の一部が溶解し
て、有効に空隙の細孔が形成される。薄膜プロセスによ
り形成した酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウムの群から
選定してなる1種以上の酸化物の薄膜は、酸化物粉末を
焼結したり、金属塩を熱分解したりして作製した酸化物
よりは、ずっと微粒化した状態にあり、優れた酸化物半
導体としての活性を備えている。このようにして、高活
性の酸化物半導体感応膜が形成される。プロセス的に
は、一貫した薄膜のプロセス技術により、形成されるの
で特性が安定しており、信頼性が高く、安価にガスセン
サが製造できる。
Thus, the gas to be detected can be effectively detected. In addition, the film is formed by zinc oxide, tin oxide,
A thin film of one or more oxides selected from the group of indium oxide is formed. When a thin film is formed at a level of μm or more, a columnar crystal film grows, so that pores of voids are formed well. A solution containing at least one noble metal selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium, and ruthenium on a thin film of at least one oxide selected from the group consisting of zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. , A part of one or more oxide thin films selected from the group consisting of zinc oxide, tin oxide, and indium oxide dissolves, and voids are effectively formed. One or more oxide thin films selected from the group of zinc oxide, tin oxide, and indium oxide formed by a thin film process were prepared by sintering oxide powder or thermally decomposing metal salts. It is much finer than an oxide and has excellent activity as an oxide semiconductor. Thus, a highly active oxide semiconductor sensitive film is formed. In terms of process, the gas sensor is manufactured by a consistent thin film process technology, so that the characteristics are stable, the reliability is high, and the gas sensor can be manufactured at low cost.

【0066】以下に本発明の効果に関わる実験結果を記
載する。
The results of experiments relating to the effects of the present invention are described below.

【0067】(試作センサ1)基材として3mm角で板厚
が0.5mmの石英基材を用いてこの上にスパッタリング
にて、0.5μmの膜厚で中央部の約0.5mm角の領域
にパタ−ニングして抵抗値が20Ωの白金抵抗膜を形成
し、さらに絶縁膜として、その表面に約1mm角の領域に
スパッタリングにて、2μmの膜厚でシリカ被膜を形成
した。この状態で、1000℃で2時間加熱エージング
して、被膜を安定化させた。エージングの結果抵抗値
は、約10Ωとなった。さらにこの上のヒータ膜に対応
する部分に中央部を100μm空けて0.2mm×0.5m
m固体電解質被膜パターンを2つ形成した。すなわち、
固体電解質は、約2μmの膜厚で酸素イオン導電体であ
るイットリア安定化ジルコニア(8Y品)を前記の寸法
にてパターン化してスパッタリングにて形成した。さら
に、前記それぞれのスパッタリング膜上に両側の電極と
も、膜厚が0.5μmで寸法が100μm×50μmの一
対の電極を同じくスパッタリングで形成した後、700
℃で1時間エージングして被膜を安定させた。それぞれ
の固体電解質素子について素子片方の電極上に白金、パ
ラジウム各1wt%を含むγアルミナゾル系ペーストを用
いて、約10μmの焼成膜厚で、150μm×70μmの
多孔性酸化触媒被膜を形成した。これに白金リード線を
接合し、ニッケルピンに溶接し、ガスセンサとした。
(Prototype sensor 1) A 3 mm square quartz substrate having a thickness of 0.5 mm was used as a substrate, and a 0.5 μm thick film having a film thickness of 0.5 μm and a central portion of about 0.5 mm square was formed thereon. A platinum resistance film having a resistance value of 20 Ω was formed by patterning the region, and a silica coating having a thickness of 2 μm was formed on the surface of the platinum resistance film by sputtering in a region of about 1 mm square as an insulating film. In this state, heat aging was performed at 1000 ° C. for 2 hours to stabilize the coating. As a result of aging, the resistance value was about 10Ω. Furthermore, the central portion is spaced apart by 100 μm in a portion corresponding to the heater film on the above, and 0.2 mm × 0.5 m
m Two solid electrolyte coating patterns were formed. That is,
The solid electrolyte was formed by sputtering a yttria-stabilized zirconia (8Y product), which is an oxygen ion conductor, to a thickness of about 2 μm with the above dimensions. Further, a pair of electrodes having a thickness of 0.5 μm and dimensions of 100 μm × 50 μm were formed on the respective sputtering films by sputtering in the same manner, and then 700
Aged at 1 ° C. for 1 hour to stabilize the coating. For each solid electrolyte element, a 150 μm × 70 μm porous oxidation catalyst film was formed on one electrode of the element using a γ-alumina sol-based paste containing 1 wt% each of platinum and palladium with a fired film thickness of about 10 μm. A platinum lead wire was joined to this and welded to a nickel pin to obtain a gas sensor.

【0068】(試作センサ2)基材は前記と同じものを
用いて、試作素子1と同様の手順で2つの固体電解質被
膜パターンを形成し、電極膜も同じパターンで、しか
し、一方の膜厚は、素子1と同様に0.5μmでさらに
他方の膜厚は、1.2μmで形成し、他のプロセスは、
素子1と同様の構成にてガスセンサを作製した。
(Trial sensor 2) Using the same substrate as above, two solid electrolyte coating patterns were formed in the same procedure as the prototype element 1, and the electrode film had the same pattern, but one of the film thicknesses Is formed with a thickness of 0.5 μm and the other layer with a thickness of 1.2 μm, similarly to the element 1.
A gas sensor was manufactured in the same configuration as the element 1.

【0069】(試作センサ3)基材は前記と同じものを
用いて、試作素子1と同様の手順で2つの固体電解質被
膜パターンを作製し、電極膜も同じパターンで、しか
し、それぞれの電極について膜厚は、両者とも0.5μ
mとしたが、片方の素子の電極は、白金電極で、他方の
素子の電極は、LaCoO3のペロブスカイト酸化物電
極をいずれもスパッタリングにてパターン化して形成し
た。他のプロセスは素子1と全く同様にしてガスセンサ
を作製した。
(Prototype Sensor 3) Using the same substrate as above, two solid electrolyte coating patterns were prepared in the same procedure as the prototype element 1, and the electrode films were also the same pattern. The film thickness of both is 0.5μ
The electrode of one element was a platinum electrode, and the electrode of the other element was formed by patterning a LaCoO 3 perovskite oxide electrode by sputtering. The other processes were the same as in the case of the element 1 to produce a gas sensor.

【0070】(試作センサ4)基材は前記と同じものを
用いて、試作素子1と同様の手順で2つの固体電解質被
膜パターンを作製し、電極膜までは試作素子1と同様の
手順にて形成した後、それぞれの固体電解質素子につい
て片方の素子については、その片方の電極上に白金、パ
ラジウム各1wt%を含むγアルミナゾル系ペーストを用
いて、約10μmの焼成膜厚で、150μm×70μmの
多孔性酸化触媒被膜を形成し、他方の素子については、
LaCoO3を5wt%含むγアルミナゾル系ペースト
を用いて、約10μmの焼成膜厚で、150μm×70μ
mの多孔性酸化触媒被膜を形成した。これに白金リード
線を接合し、ニッケルピンに溶接し、ガスセンサとし
た。
(Prototype Sensor 4) Using the same substrate as above, two solid electrolyte coating patterns were prepared in the same procedure as in Prototype Element 1, and up to the electrode film in the same procedure as in Prototype Element 1. After the formation, for one of the solid electrolyte elements, about 150 μm × 70 μm with a fired film thickness of about 10 μm using a γ-alumina sol-based paste containing 1 wt% each of platinum and palladium on one of the electrodes. A porous oxidation catalyst film is formed, and for the other element,
Using a γ-alumina sol-based paste containing 5 wt% of LaCoO 3, with a fired film thickness of about 10 μm, 150 μm × 70 μm
m porous oxidation catalyst film was formed. A platinum lead wire was joined to this and welded to a nickel pin to obtain a gas sensor.

【0071】(試作素子5)基材は、前記と同じものを
用いて、試作素子1と同様の手順で、ただし片側の固体
電解質膜のみ、膜厚0.5μmの一対の白金電極および
多孔性酸化触媒を形成して素子としたが、他方について
は、0.2mm×0.5mmの領域に0.5μmの膜厚にて
白金の櫛形電極を形成し、スパッタリングにて約2μm
の膜厚で酸化錫被膜を形成し、表面に0.5重量%相当
のパラジウムを担持した構成のガスセンサを作製した。
(Prototype element 5) The same base material as described above was used, and the procedure was the same as that of Prototype element 1. However, only one solid electrolyte membrane, a pair of 0.5 μm-thick platinum electrodes and a porous An oxidation catalyst was formed to form an element. On the other hand, a platinum comb-shaped electrode having a thickness of 0.5 μm was formed in an area of 0.2 mm × 0.5 mm, and about 2 μm was formed by sputtering.
Then, a tin oxide film was formed with a film thickness of, and a gas sensor having a structure in which 0.5% by weight of palladium was supported on the surface was produced.

【0072】以上の各センサ試作品について、流通型試
験装置に設置し、大気条件下で試験ガスを流して25秒
に1回10ミリ秒通電し、動作温度が450℃となるよ
うに制御し、9.9ミリ秒後の100マイクロ秒の平均
出力値を測定した、センサの出力特性を評価した結果を
表1に示す。各試作ガスセンサのうち、固体電解質素子
については、そのまま起電力出力を測定し、酸化物半導
体素子については、抵抗値変化を電圧変換して測定し
た。また酸化物半導体素子については、メタンの測定時
は、同じタイミングで、またイソブタンについては、3
50℃に冷却した時点で測定した。
Each of the above sensor prototypes was installed in a flow-through test apparatus, and a test gas was flowed under atmospheric conditions and energized for 10 milliseconds once every 25 seconds to control the operating temperature to 450 ° C. Table 1 shows the results of evaluating the output characteristics of the sensor by measuring the average output value for 100 microseconds after 9.9 milliseconds. Of each of the prototype gas sensors, the electromotive force output was measured as it was for the solid electrolyte element, and the resistance change was measured for the oxide semiconductor element by voltage conversion. In the case of oxide semiconductor elements, the same timing is used for measurement of methane, and the same timing is used for isobutane.
It was measured when cooled to 50 ° C.

【0073】(試作センサ1)試作センサ1では、一酸
化炭素を500ppm通気させて、出力を評価したとこ
ろ、素子1では、20.5mV、素子2では、23.5mV
の出力が得られた。これを加算すると44mVの出力にな
り、極めて高感度なセンサ出力が得られる。
(Prototype Sensor 1) The output of the prototype sensor 1 was evaluated by passing 500 ppm of carbon monoxide, and the output was evaluated as 20.5 mV for the element 1 and 23.5 mV for the element 2.
Was obtained. When this is added, the output becomes 44 mV, and an extremely sensitive sensor output can be obtained.

【0074】(試作センサ2)試作センサ2について、
同様に一酸化炭素を500ppm通気させて、初期に出力
を評価したところ、素子1では、19.6mV、素子2で
は、5.3mVの出力であった。次に同センサを100pp
mの亜硫酸ガスを100時間通気させた後、同様の試験
を実施したところ、素子1は、12.2mVに出力が低下
したが、素子2は、出力の変化が無かった。素子2の素
子1と素子2のセンサ出力の比を用いて、素子1の出力
を出力低下後、補正して警報信号を出せば、感度の高い
素子が感度低下してもこれを補正することができる。
(Prototype Sensor 2) Regarding the prototype sensor 2,
Similarly, the output was evaluated at an initial stage by passing 500 ppm of carbon monoxide, and the output was 19.6 mV in the element 1 and 5.3 mV in the element 2. Next, 100pp
After a similar test was performed after 100 m of sulfur dioxide gas was passed, the output of the device 1 was reduced to 12.2 mV, but the output of the device 2 was not changed. By using the ratio of the sensor output of the element 2 and the sensor output of the element 2 to reduce the output of the element 1 and then to output an alarm signal, even if the sensitive element has a reduced sensitivity, this can be corrected. Can be.

【0075】(試作センサ3)試作センサ3について、
試験1は、一酸化炭素を500ppm単独で通気させて、
試験2は水素を250ppm単独で、試験3は両者の混合
ガスを通気して評価した。
(Prototype Sensor 3) With respect to the prototype sensor 3,
In test 1, 500 ppm of carbon monoxide was aerated alone.
In Test 2, 250 ppm of hydrogen was used alone, and in Test 3, the mixed gas of both gases was ventilated.

【0076】[0076]

【表1】 [Table 1]

【0077】必ずしも、出力の加成性はないが、試験3
の混合ガスについて、素子2は、一酸化炭素の選択性が
高いので、素子2の出力からは、一酸化炭素がほぼ50
0ppm含まれていることが、また素子1の出力からは、
回帰式を基に演算することで水素が250ppm含まれて
いることが推測できる。たまたま素子2は、極めて優れ
た選択性を示したが、この素子2のような高い選択性を
備えた素子でなくてもそれぞれの回帰出力式をもとに連
立式を逆算することで、組成の推測が出来る。
Although the output is not necessarily additive, Test 3
Since the element 2 has a high selectivity for carbon monoxide, the output of the element 2 indicates that carbon monoxide is almost 50%.
0 ppm, and from the output of element 1,
By calculating based on the regression equation, it can be estimated that 250 ppm of hydrogen is contained. Although the element 2 happened to show extremely excellent selectivity, even if it is not an element having high selectivity like the element 2, the simultaneous calculation based on the respective regression output equations can be used to calculate the composition. Can be guessed.

【0078】(試作センサ4)試作センサ4について、
試験4は、一酸化炭素を500ppm単独で通気させて、
試験5はメタンを2000ppm単独で、試験6は両者の
混合ガスを通気して評価した。
(Prototype Sensor 4) Regarding the prototype sensor 4,
In test 4, 500 ppm of carbon monoxide was aerated alone,
In Test 5, methane was evaluated by 2,000 ppm alone, and in Test 6, the mixed gas of both was ventilated.

【0079】[0079]

【表2】 [Table 2]

【0080】メタンは、酸化が困難なガスであるが、素
子1の白金族触媒と素子2のペロブスカイト系複合酸化
物触媒で、その濃度、分散性、担体とのマッチングなど
も関係するが、素子1は、一酸化炭素の酸化性が顕著
な、素子2はメタンの酸化性が顕著な触媒になっていた
と考えられ、センサ出力にその差異が現れている。これ
も素子1と素子2とで、一酸化炭素、メタンの混合ガス
に対する出力特性の違いを用いて、試作センサ4と同様
に、その組成を推測することができる。
Methane is a gas that is difficult to oxidize. The methane is a platinum group catalyst of the element 1 and a perovskite-based composite oxide catalyst of the element 2, and its concentration, dispersibility, matching with the carrier, etc. are also concerned. It is considered that No. 1 was a catalyst having remarkable oxidizing property of carbon monoxide and element 2 was a catalyst having remarkable oxidizing property of methane, and the difference appears in the sensor output. Also in this case, the composition of the element 1 and the element 2 can be estimated using the difference in the output characteristics with respect to the mixed gas of carbon monoxide and methane, similarly to the prototype sensor 4.

【0081】(試作センサ5)試作センサ5について、
固体電解質素子側は、500ppmの一酸化炭素に対し
て、約24mVの出力を示した。一方、酸化物半導体素子
の側は、2000ppmのメタンに対して、空気に対し
て、約80倍の抵抗値変化を示した。また2000ppm
のイソブタンに対しても、約115倍の抵抗値変化を示
した。また試験6の混合ガスに対して、素子1は約24
mVの出力を示し、素子2は、85倍の抵抗値変化を示し
た。素子2は、一酸化炭素に対する感度を少し備えてい
るためと考えられる。このようにして、混合ガスの組成
を検出することができる。
(Prototype Sensor 5) Regarding the prototype sensor 5,
The solid electrolyte element output about 24 mV with respect to 500 ppm of carbon monoxide. On the other hand, on the side of the oxide semiconductor element, a change in resistance value of about 80 times with respect to 2000 ppm of methane with respect to methane. 2000ppm
Also showed about 115-fold change in resistance. For the mixed gas of Test 6, the device 1
The element 2 showed an output of mV, and the element 2 showed a change in resistance value of 85 times. This is probably because the element 2 has a little sensitivity to carbon monoxide. Thus, the composition of the mixed gas can be detected.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明のガスセンサは次の効果が得られ
る。
The gas sensor of the present invention has the following effects.

【0083】(1)被検出ガスに対する複数素子のセン
サ出力を加算することで、大きな検出感度を得ることが
でき、信頼性高いガス検知ができる。
(1) By adding the sensor outputs of a plurality of elements to the gas to be detected, a large detection sensitivity can be obtained, and highly reliable gas detection can be performed.

【0084】(2)プロセス的に半導体産業などで適用
されるマイクロ加工技術を用いており生産性に優れ、安
価にガスセンサを製造することができる。またセンサが
小型薄膜で形成されているので、従来に比して著しい省
電力化が期待できる。これによりガス警報器としての設
置自由度の高い、電池駆動型複合ガスセンサが実現でき
る。
(2) A gas sensor can be manufactured inexpensively by using a micro-machining technique applied in the semiconductor industry or the like in terms of process, with excellent productivity. Further, since the sensor is formed of a small thin film, remarkable power saving can be expected as compared with the related art. As a result, a battery-driven composite gas sensor having a high degree of freedom in installation as a gas alarm can be realized.

【0085】(3)従来からのガスセンサの大きな課題
である。長期間使用した際のセンサ機能部の劣化に伴う
出力低下の問題、すなわちフェールセーフにならないと
いう問題に対して、高感度のセンサの感度低下を特性が
安定したセンサの特性に基づいて補正することで、長期
間使用時の感度低下を実質的に回避できる。
(3) This is a major problem of the conventional gas sensor. To compensate for the problem of output drop due to deterioration of the sensor function part after long-term use, that is, the problem of fail-safe operation, correct the drop in sensitivity of high-sensitivity sensors based on the characteristics of sensors with stable characteristics. Thus, it is possible to substantially avoid a decrease in sensitivity during long-term use.

【0086】(4)分離が困難な一酸化炭素と水素との
共存ガスの組成の推測検出が可能であるなど複数のセン
サの出力を有効に組み合わせることで、共存ガスに対し
て精度の高い組成検出ができる。
(4) It is possible to estimate and detect the composition of a coexisting gas of carbon monoxide and hydrogen, which is difficult to separate. Can be detected.

【0087】以上のように、ガスセンサとして、従来か
らの化学センサの課題を大幅に解決した実用性の高いセ
ンサが得られる。
As described above, as the gas sensor, a highly practical sensor which largely solves the problems of the conventional chemical sensor can be obtained.

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

【図1】本発明の実施例1に係わるガスセンサの断面概
念図
FIG. 1 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例2に係わるガスセンサの断面概
念図
FIG. 2 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例3に係わるガスセンサの断面概
念図
FIG. 3 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例4に係わるガスセンサの断面概
念図
FIG. 4 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例5に係わるガスセンサの断面概
念図
FIG. 5 is a conceptual sectional view of a gas sensor according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例6に係わるガスセンサの要部断
面概念図
FIG. 6 is a conceptual sectional view of a main part of a gas sensor according to a sixth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 発熱体 2 基板 3 絶縁膜 4A、4B、4C 固体電解質素子 5 電極 6 固体電解質 7 多孔性酸化触媒被膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heating element 2 Substrate 3 Insulating film 4A, 4B, 4C Solid electrolyte element 5 Electrode 6 Solid electrolyte 7 Porous oxidation catalyst film

フロントページの続き (72)発明者 丹羽 孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鶴田 邦弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 梅田 孝裕 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 中谷 直史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 渋谷 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 両角 英樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2G046 AA02 AA03 AA19 AA21 BA01 BA04 BA09 BC03 BE03 CA09 DC12 DD01 FB00 FB02 FB04 FE15 FE29 FE31 FE33 FE34 FE39 FE48 FE49 Continuing on the front page (72) Inventor Takashi Niwa 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Person Takahiro Umeda 1006 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture (72) Inside the Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 1006 Kadoma, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. FB04 FE15 FE29 FE31 FE33 FE34 FE39 FE48 FE49

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 発熱体を備えた基板上に絶縁膜を介して
一対の電極を備えた複数の固体電解質被膜を形成し、そ
れぞれの一方の電極面に多孔性酸化触媒を備えたガスセ
ンサ。
1. A gas sensor comprising: a plurality of solid electrolyte films provided with a pair of electrodes formed on a substrate provided with a heating element via an insulating film; and a porous oxidation catalyst provided on one of the electrode surfaces.
【請求項2】 複数の固体電解質皮膜は第一の固体電解
質被膜と第二の固体電解質皮膜とからなり、第一の固体
電解質被膜上の一対の電極と第二の固体電解質被膜の一
対の電極の膜厚を少なくとも50%以上変化させ形成し
て成る請求項1記載のガスセンサ。
2. A plurality of solid electrolyte membranes comprising a first solid electrolyte membrane and a second solid electrolyte membrane, a pair of electrodes on the first solid electrolyte membrane and a pair of electrodes of the second solid electrolyte membrane. 2. The gas sensor according to claim 1, wherein the film thickness is changed by at least 50% or more.
【請求項3】 複数の固体電解質皮膜は第一の固体電解
質被膜と第二の固体電解質皮膜とからなり、第一の固体
電解質被膜上の一対の電極と第二の固体電解質被膜の一
対の電極を異種の材料を用いてなる請求項1記載のガス
センサ。
3. A plurality of solid electrolyte films comprising a first solid electrolyte film and a second solid electrolyte film, wherein a pair of electrodes on the first solid electrolyte film and a pair of electrodes of the second solid electrolyte film. 2. The gas sensor according to claim 1, wherein said gas sensor is made of a different material.
【請求項4】 複数の固体電解質皮膜は第一の固体電解
質被膜と第二の固体電解質皮膜とからなり、第一の固体
電解質被膜上の一方の電極に備えた多孔性触媒と第二の
固体電解質被膜上の一方の電極に備えた多孔性酸化触媒
とを異なる触媒を用いてなる請求項1記載のガスセン
サ。
4. A plurality of solid electrolyte membranes comprising a first solid electrolyte membrane and a second solid electrolyte membrane, wherein a porous catalyst provided on one electrode on the first solid electrolyte membrane and a second solid electrolyte membrane are provided. The gas sensor according to claim 1, wherein a catalyst different from the porous oxidation catalyst provided on one electrode on the electrolyte coating is used.
【請求項5】 発熱体を備えた基板上に絶縁膜を介し
て、固体電解質素子と半導体素子を備え、固体電解質素
子は一対の電極を備えた固体電解質被膜で一方の電極面
に多孔性触媒を配した前記被膜を設け、半導体素子は櫛
形電極と酸化物半導体感応膜を設けたガスセンサ。
5. A solid electrolyte element and a semiconductor element are provided on a substrate provided with a heating element via an insulating film, and the solid electrolyte element is a solid electrolyte film having a pair of electrodes and a porous catalyst is provided on one electrode surface. A gas sensor provided with a comb-shaped electrode and an oxide semiconductor sensitive film as a semiconductor element.
【請求項6】 酸化物半導体感応膜として、パラジウ
ム、白金、ロジウム、ルテニウムの少なくとも1種以上
の貴金属を担持して成る酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジ
ウムの少なくとも一種以上の酸化物薄膜を用いてなる請
求項5記載のガスセンサ。
6. An oxide semiconductor sensitive film using at least one oxide thin film of zinc oxide, tin oxide and indium oxide carrying at least one noble metal of palladium, platinum, rhodium and ruthenium. The gas sensor according to claim 5, wherein
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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