JP2003107037A

JP2003107037A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2003107037A
Application number: JP2001300694A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Uno; 克彦宇野; Masao Maki; 政雄牧; Takashi Niwa; 孝丹羽; Kunihiro Tsuruta; 邦弘鶴田; Takahiro Umeda; 孝裕梅田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を抑えて電池駆動を可能とするとと
もに、ヒータの劣化を抑えて長期間安定して使用できる
ガスセンサ得る。【解決手段】基板１１上にヒータ１２、絶縁膜１３、
固体電解質膜１４、電極１５を薄膜で形成することによ
り、熱容量を低減し、瞬間的な昇温が可能になり、パル
ス駆動によって消費電力を大幅に低減し、電池での駆動
が可能になる。ヒータ１２は抵抗を分割して一対設ける
ことにより、電流密度小さくしてヒータの負荷を低減
し、エレクトロマイグレーションによる断線や短絡を防
止するので長期間安定に使用し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス燃焼機器から
のガス洩れや、室内燃焼機器の不完全燃焼により発生す
る一酸化炭素さらには各種有毒ガスや臭気を検知するガ
スセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスセンサは種々の方式、形状の
ものがあるが、その一例として図３に示すような固体電
解質を用いたものがある。図３において１はアルミナな
どのセラミック板より成る絶縁体で裏面にヒータ２が設
定されている。３は絶縁板１上に併設された固体電解質
で、上面に一対の白金電極４ａ、４ｂが形成されてい
る。５は内部に１０Å〜１００Å程度の多数の微小な通
気孔を有する多孔体である。多孔体５上には片方の白金
電極４ａに対応する位置に酸化触媒６を設置している。
７は絶縁板１、固体電解質３、多孔体５を一体的に固定
するとともに、固体電解質３と多孔体５の間隙を封止す
る封止材で、三者をその外周で固定している。８はリー
ド線であり、電極４ａ、４ｂおよびヒータ２に導電性の
ペーストで接合されている。

【０００３】一般にガスセンサは一酸化炭素、メタン、
プロパン、水素、臭気などに感応し、ガス洩れ警報機
や、ＣＯ警報機、臭いセンサなどの用途に用いられてい
る。図４に示す固体電解質型センサは次のような原理で
ガスの検知を行う。なお、以下の説明では検知ガスを一
酸化炭素（以下ＣＯと記す）とした場合について説明す
る。図４において電源（図示せず）からヒータ２に電力
を供給し固体電解質３を所定温度（４００℃〜５００
℃）に加熱すると、電極４と固体電解質２と空気の界面
で電子の授受が行われ、酸素イオンが発生する。ここ
で、ＣＯが存在すると、酸化触媒６の乗った電極４´で
はＣＯは酸化触媒６によって酸化され、電極４´までＣ
Ｏは到達しない。もう一方の電極４ではＣＯは電極４表
面でＣＯ２に酸化される。その結果両電極間の電極反応
に差が生じ、酸素イオンの平衡が崩れ、両電極間に電位
差が発生する。電位差はリード線８によって検出回路
（図示せず）へ導かれＣＯ濃度を検出することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年ガスセンサとして
は小型、省電力化の動きが顕著となり、電池駆動を目的
とした開発に拍車がかかっている。しかし、上記従来の
方式では、絶縁体１、固体電解質３、多孔体５は板状の
ものが使用され、これらを所定温度に加熱するために数
１００mWから数Wの電力が必要であった。その対策とし
て、半導体プロセス技術を用いれば、たとえば１mm角以
下の領域にスパッタなどにより、ヒータ、絶縁膜、固体
電解質膜を形成することにより、小型化、省電力化を図
ることが可能である。

【０００５】このようにして形成したガスセンサは電池
で長期間作動させるために、パルス的にヒータに電圧を
印加して瞬間的に動作温度まで昇温してＣＯを検知する
方法がとられるが、瞬間的に昇温するために大電流を流
すことになり、電流密度が高くなってエレクトロマイグ
レーションが起こり、ヒータ抵抗が徐々に増加し、ヒー
タの断線や短絡が生じる場合があった。

【０００６】通常、動作温度が得られるようにヒータを
所定の抵抗値に設定するためヒータのパターニングを行
う。電流密度下げるためには、ヒータの断面積を大きく
する必要があるが、ヒータパターンの幅を広くすると、
微小な領域にパターニングすることが困難になってい
た。また、ヒータの厚みを増すこともできるが、この場
合、厚みによる段差が大きくなって、絶縁膜の絶縁性や
固体電解質の成膜性に課題があった。

【０００７】本発明は前記従来の課題を解決するもので
ヒータの電流密度を低減してヒータにかかる負荷を軽減
し長期間安定して使用できるガスセンサを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために本発明のガスセンサは、耐熱低熱伝導性の基板
と、前記基板上に形成された薄膜状の一対のヒータと、
前記ヒータから延長されたヒータ端子と、前記ヒータを
覆うように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けら
れた酸素イオン導電性の固体電解質膜と、前記固体電解
質膜上に形成された一対の電極と、前記一対の電極の片
方を被覆する酸化触媒とから構成したものである。

【０００９】これによって、耐熱低熱伝導性の基板上に
ヒータ、絶縁膜、固体電解質膜、電極を薄膜で形成する
ことにより、瞬間的に固体電解質膜の温度を上昇させる
ので、パルス的な駆動が可能となり、ヒータの消費電力
を低減することができるので電池での駆動が可能とな
る。また、ヒータを一対設けることにより抵抗を分割し
て電流密度を低減するので、エレクトロマイグレーショ
ンによりヒータ抵抗が徐々に変化して抵抗が増加し、断
線や短絡に至らしめる不具合を防止することができる。
また、ヒータパターンの幅を増やす必要も無ないので、
パターニングも容易である。さらに、ヒータの厚みを増
やす必要も無いのでヒータ部の段差による絶縁膜の絶縁
不良や、固体電解質膜の成膜性が悪化することも無い。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、ガスセ
ンサを耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成され
た薄膜状の一対のヒータと、前記ヒータから延長された
ヒータ端子と、前記ヒータを覆うように設けられた絶縁
膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン導電性の固
体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成された一対の
電極と、前記一対の電極の片方を被覆する酸化触媒とか
ら構成することにより、瞬間的に固体電解質膜の温度を
上昇させるので、パルス的な駆動が可能となり、ヒータ
の消費電力を低減することができるので電池での駆動が
可能となる。また、ヒータを一対にして設けることによ
り抵抗を分割して電流密度を低減するので、エレクトロ
マイグレーションによりヒータ抵抗が徐々に変化して抵
抗が増加し、断線や短絡に至らしめる不具合を防止する
ことができる。また、ヒータパターンの幅を増やす必要
も無ないので、パターニングも容易である。さらに、ヒ
ータの厚みを増やす必要も無いのでヒータ部の段差によ
る絶縁膜の絶縁不良や、固体電解質膜の成膜性が悪化す
ることも無い。

【００１１】請求項２に記載の発明は、ガスセンサを耐
熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成された薄膜状
の一対のヒータと、前記ヒータを覆うように設けられた
絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン導電性
の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成され、前
記一対のヒータの両方に均等に対応するように設けられ
た一対の電極と、前記一対の電極の片方を被覆する酸化
触媒とから構成することにより、固体電解質膜および一
対の電極を均等に加熱するので、電極反応を両電極間で
均等に起こさせることができる。

【００１２】請求項３に記載の発明は請求項１または２
記載の発明の構成に加えて一対のヒータから延長された
ヒータ端子の陽極もしくは陰極の少なくとも一方の端子
を共通とした構成としているので、ヒータ端子につなが
るリード線の数を低減するとともに、ヒータ端子部の面
積を低減させるので、ヒータ端子部からの放熱を低減
し、消費電力の低減を図ることができる。

【００１３】請求項４に記載の発明はガスセンサを耐熱
低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成された薄膜状の
一対のヒータと、前記ヒータから延長されたヒータ端子
と、前記ヒータを覆うように設けられた絶縁膜と、前記
絶縁膜上に設けられた酸素イオン導電性の固体電解質膜
と、前記固体電解質膜上に前記一対のヒータのそれぞれ
に対向するように形成された一対の電極と、前記一対の
電極の片方を被覆する酸化触媒とから構成しているの
で、一対の電極のそれぞれを個別のヒータで加熱するの
で、両電極に対応する部分の温度を個別にコントロール
することができる。

【００１４】請求項５に記載の発明はガスセンサを請求
項４の構成に加え一対のヒータの抵抗値を異ならせた構
成とすることにより、同一電源を用いて両電極に対応す
る部分の温度を個別にコントロールすることができる。

【００１５】請求項６記載の発明はガスセンサを請求項
５の構成に加え、酸化触媒が設定された方のヒータの抵
抗値を他方より小さくした構成としているので、たとえ
ば、酸化触媒の熱容量が大きい場合は、酸化触媒側のヒ
ータ温度を高くすることにより、両電極部分での温度を
同一に保つことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おけるガスセンサ斜視図を示すものである。

【００１８】図１において、１０はセンサ素子である。
１１は耐熱性で低熱伝導性の基板で、ここでは約２mm×
２mm×０．３mmの石英ガラスを用いている。１２ａ、１
２ｂは基板１１上に設けられた白金よりなる一対のヒー
タでスパッタ法、電子線蒸着法などによって所定の温度
になるように抵抗値が等しく設定されている（以下、両
方のヒータを指す時はヒータ１２と記す）。１３は絶縁
膜でアルミナ、シリカ、窒化珪素などの絶縁材料の薄膜
をスパッタ法、電子線蒸着法などによってヒータ１２を
覆うように形成している。１４は絶縁膜１３上に絶縁膜
１３より小さな面積に形成された固体電解質膜であり、
酸素イオン導電性を有する固体電解質（８％イットリア
安定化ジルコニア）をスパッタ法で約０．４mm×０．６
mmの大きさに形成している。固体電解質としては酸素イ
オン導電性を有するすべての固体電解質を使用すること
ができるがジルコニアに少量のイットリアを混合して焼
成したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が比較的
安価で入手も簡単である。１５ａ、１５ｂは電極で、白
金をスパッタ法で感応膜上に形成している（以下、両方
の電極を指す時は電極１５と記す）。白金に一部パラジ
ウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属を混入させて
も良い。その他、一般に固体電解質型に用いる電極材料
すべてが使用可能である。

【００１９】また、電極１５ａ、１５ｂはそれぞれのヒ
ータ１２ａ、１２ｂの両方に均等に対応するように設け
られている。１６は片方の電極１５ａ上に設定された酸
化触媒で、酸化触媒１６は測定対象ガスを酸化分解する
ものであれば良いが、白金、パラジウム、ルテニウム、
ロジウムなどの貴金属やバナジウム、マンガン等の酸化
物あるいはこれらの混合物よりなる。１７ａ、１７ｂは
ヒータ１２から延長されたヒータ端子である（以下、両
方のヒータ端子を指す場合はヒータ端子１７と記す）。
ヒータ端子１７はヒータ１２ａ、１２ｂのそれぞれに対
して全く別個に（すなわち４箇所に）設けてもよいが図
１の実施例では共用するように形成している。１８ａ、
１８ｂは電極１５ａ、１５ｂの間で検出した出力を取り
出すための電極端子である（以下両方の電極端子を指す
場合は電極端子１８と記す）。ヒータ１２とヒータ端子
１７および電極１５と電極端子１８はそれぞれ同一材料
で一体的に形成されている。ヒータ端子１７及び電極端
子１８にはリード線１９が接続されている。

【００２０】以上の構成において電源（図示せず）から
ヒータ端子１７、を介してヒータ１２に電力を供給し固
体電解質１４を所定温度（４００℃〜５００℃）に加熱
する。固体電解質膜１４が所定の温度に達すると電極１
５ａ、１５ｂと固体電解質膜１４と空気の界面で電子の
授受が行われ、酸素イオンが発生する。ここで、空気中
にＣＯが存在すると、酸化触媒１６の乗った電極１５ａ
ではＣＯは酸化触媒１６によって酸化され、電極１５ａ
までＣＯは到達しない。もう一方の電極１５ｂではＣＯ
は電極１５ｂ表面でＣＯ２に酸化される。この酸化反応
には固体電解質膜１４内の酸素イオンが使われ、その結
果両電極間の電極反応に差が生じ、固体電解質酸素イオ
ンの平衡が崩れ、両電極間に電位差が発生する。この電
位差を検出することによりＣＯ濃度を検出することがで
きる。基板１１に用いている石英ガラスは熱伝導率が
１．５W/mKと絶縁膜１３（３５〜４５W/mK）や感応膜１
４（６W/mK）に対して小さく、したがってヒータ１２で
加熱した場合に、基板１１の温度はほとんど上昇するこ
となくヒータ１２の直上の固体電解質膜１４の領域およ
びその近傍のみの温度を上昇させることができので、加
熱のための消費電力を大幅に低減することができる。

【００２１】また、熱衝撃強度も大きいので短時間で所
定の温度まで昇温することが可能である。したがって、
ヒータ１２をパルス的に駆動させて大幅に消費電力が低
減できるため、電池電源での駆動も可能である。ここ
で、ヒータ１２を一対のヒータで形成せずに、一本のヒ
ータで形成した場合は、瞬間的に昇温するために大電流
を流すことになり、電流密度が高くなってエレクトロマ
イグレーションが起こり、ヒータ抵抗が徐々に増加し、
ヒータの断線や短絡が生じる危険性も考えられる。通
常、動作温度が得られるようにヒータを所定の抵抗値に
設定するためヒータのパターニングを行う。電流密度下
げるためには、ヒータの断面積を大きくする必要がある
が、ヒータパターンの幅を広くすると、微小な領域にパ
ターニングすることが困難になっていた。

【００２２】また、ヒータの厚みを増すこともできる
が、この場合、厚みによる段差が大きくなって、この段
差部で絶縁膜に亀裂が生じて絶縁性が悪くなったり、固
体電解質の成膜性が悪くなって出力特性が悪くなる危険
性があった。実施例１では同じ抵抗値のヒータ１２ａ、
１２ｂを一対設けることにより、ヒータ１２かかる負荷
を１／２に分割して電流密度を低減するので、エレクト
ロマイグレーションによりヒータ抵抗が徐々に変化して
抵抗が増加し、断線や短絡に至らしめる不具合を防止す
ることができる。また、ヒータパターンの幅を増やす必
要も無ないので、パターニングも容易である。さらに、
ヒータの厚みを増やす必要も無いのでヒータ部の段差に
よる絶縁膜の絶縁不良や、固体電解質膜の成膜性が悪化
することも無い。

【００２３】さらに、ヒータ端子１７はそれぞれのヒー
タ１２ａ、１２ｂに対して個別に設けてもよいが、図２
（ａ）、（ｂ）に示すようにヒータ端子１７を共通に設
けることもできる。ヒータ端子１７はヒータ１２に連続
して一体的に構成されているので、ヒータ端子１７が多
いほど放熱面積が多くなり、所定温度を得るための電力
量も増加する。また、ヒータ１２に電力を供給するリー
ド線１９の数も低減できるので、ヒータ端子１７を共通
に形成するほうが有利である。また、電極１５ａ、１５
ｂはそれぞれのヒータ１２ａ、１２ｂの両方に均等に対
応するように設けられているので、ヒータ１２ａとヒー
タ１２ｂの抵抗値に差異が生じた場合でも加熱条件を等
しくして、電極１５ａ、１５ｂの加熱状態を均一にする
ので、安定した出力が得られる。

【００２４】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
おけるガスセンサ斜視図を示すものである。

【００２５】基本的な構成は図１と同じであるので、異
なる点のみ説明する。図３において電極１５ａ、１５ｂ
は一対のヒータ１２ａ、１２ｂのそれぞれに対応する
（ヒータ１２ａ上に電極１５ａ、ヒータ１２ｂ上に電極
１５ｂが対応する）ように設けられている。この構成
は、ヒータ１２ａ、１２ｂのそれぞれ異なった温度に設
定する場合有効である。酸化触媒１６を厚膜印刷で形成
した場合は、固体電解質膜１４、電極１５に比べて酸化
触媒１６の容量が大きいため、ヒータ１２ａとヒータ１
２ｂの抵抗値が同一であると電極１５ａでは酸化触媒１
６に放熱してしまい、電極１５ａの温度が電極１５ｂの
温度より低くなり電極１５ａと電極１５ｂで電極反応に
差異が生じ、安定した出力が得られない。

【００２６】そこで、ヒータ１２ａの抵抗値をヒータ１
２ｂの抵抗値よりも低くしてヒータ１２ａの設定温度を
高くすることにより、酸化触媒１６へ放熱しても電極１
５ａと電極１５ｂが同一温度になるようにすることによ
り安定した出力を得ることができる。設定温度はヒータ
１５ａ、１５ｂのパターンを若干異ならせることで対応
可能である。また、ヒータ端子１７の少なくとも一方の
端子を共通とした構成としているので、ヒータ端子１７
につながるリード線１９の数を低減するとともに、ヒー
タ端子１７の総面積を低減させるので、ヒータ端子１７
からの放熱を低減し、消費電力の低減を図ることができ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、耐熱低熱
伝導性の基板上にヒータ、絶縁膜、固体電解質膜、電極
を薄膜で形成することにより、熱容量を小さくして瞬間
的に固体電解質膜の温度を上昇させることができる。し
たがってパルス的な駆動が可能となり、ヒータの消費電
力を低減して電池での駆動が可能となる。また、ヒータ
を一対にして設けることにより抵抗を分割して電流密度
を低減するので、エレクトロマイグレーションによりヒ
ータ抵抗が徐々に変化して抵抗が増加し、断線や短絡に
至らしめる不具合を防止することができる。また、ヒー
タパターンの幅を増やす必要も無ないので、パターニン
グも容易である。さらに、ヒータの厚みを増やす必要も
無いのでヒータ部の段差による絶縁膜の絶縁不良や、固
体電解質膜の成膜性が悪化することも無い。一対のヒー
タの両方に均等に対応するように一対の電極設けること
により、固体電解質膜および一対の電極を均等に加熱す
るので、電極反応を両電極間で均等に起こさせ、安定し
た出力を得ることができる。さらに、一対のヒータのそ
れぞれに対向するように一対の電極を形成することによ
り、一対の電極のそれぞれを個別のヒータで加熱するの
で、ヒータの抵抗値を異ならせることにより両電極に対
応する部分の温度を個別にコントロールすることができ
る。特に酸化触媒の容量が大きい場合は、酸化触媒側の
ヒータ温度を高くすることにより、酸化触媒で放熱され
ても両電極部分での温度を同一に保つことができるので
安定した出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるガスセンサの斜視図

【図２】本発明の実施例１におけるガスセンサの他構成
の斜視図

【図３】本発明の実施例２におけるガスセンサの斜視図

【図４】従来のガスセンサの斜視図

【符号の説明】

１１基板１２ａ、１２ｂヒータ１３絶縁膜１４固体電解質膜１５ａ、１５ｂ電極１６酸化触媒１７ａ、１７ｂヒータ端子

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC03 BE12 BF22 BH08 BJ02 BJ05 BM01 BM04 BM07 ZA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に
形成された薄膜状の一対のヒータと、前記ヒータから延
長されたヒータ端子と、前記ヒータを覆うように設けら
れた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン導
電性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成され
た一対の電極と、前記一対の電極の片方を被覆する酸化
触媒とを有するガスセンサ。
【請求項２】耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に
形成された薄膜状の一対のヒータと、前記ヒータを覆う
ように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた
酸素イオン導電性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜
上に形成され、前記一対のヒータの両方に均等に対応す
るように設けられた一対の電極と、前記一対の電極の片
方を被覆する酸化触媒とを有するガスセンサ。
【請求項３】一対のヒータから延長されたヒータ端子
の陽極もしくは陰極の少なくとも一方の端子を共通とし
た請求項１または２記載のガスセンサ。
【請求項４】耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に
形成された薄膜状の一対のヒータと、前記ヒータから延
長されたヒータ端子と、前記ヒータを覆うように設けら
れた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン導
電性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に前記一対
のヒータのそれぞれに対向するように形成された一対の
電極と、前記一対の電極の片方を被覆する酸化触媒とを
有するガスセンサ。
【請求項５】一対のヒータの抵抗値を異ならせた請求
項４記載のガスセンサ。
【請求項６】酸化触媒が設定された方のヒータの抵抗
値を他方より小さくした請求項５記載のガスセンサ。