JP2003262608A - Gas concentration detecting apparatus and gas sensor element used for the same - Google Patents

Gas concentration detecting apparatus and gas sensor element used for the same

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Publication number
JP2003262608A
JP2003262608A JP2002061429A JP2002061429A JP2003262608A JP 2003262608 A JP2003262608 A JP 2003262608A JP 2002061429 A JP2002061429 A JP 2002061429A JP 2002061429 A JP2002061429 A JP 2002061429A JP 2003262608 A JP2003262608 A JP 2003262608A
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JP
Japan
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thin film
gas
power
heat
heating element
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002061429A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunihiro Tsuruta
邦弘 鶴田
Masao Maki
正雄 牧
Katsuhiko Uno
克彦 宇野
Takashi Niwa
孝 丹羽
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2002061429A priority Critical patent/JP2003262608A/en
Publication of JP2003262608A publication Critical patent/JP2003262608A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power-thrifty gas concentration detecting apparatus superior in detection accuracy capable of detecting the concentration of gas in a short time. <P>SOLUTION: The gas concentration detecting apparatus is provided with the gas sensor element 9 with both a heating element 10 and a gas sensing part 11, an electric power pulse supply means 12 for intermittently supplying pulse power for the heating element 10 at intervals (A), a sensor output detecting means 13 for detecting the sensor output from the gas sensing part 11, an electric power pulse elapsed time measuring means 15 for measuring an elapsed time from the start of the supply of pulse power, and an electric power supply means 16 adapting to the initial period of drive for supplying the pulse power at short intervals (B) in the case that the elapsed time is shorter than a predetermined time (I). Since the pulse power is supplied for the heating element 10 at the short intervals (B) to accelerate an aging process of the gas sensing part 11 when the gas sensor element 9 is started and the pulse power is supplied at the long intervals (A) after the lapse of the predeterminated time (I), it is possible to achieve the power-thrifty gas concentration detecting apparatus stabled in a short time with high detection accuracy. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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】本発明は、大気中の一酸化炭
素や炭化水素の濃度を検出するガス濃度検出装置であ
り、特に検出精度に優れた省電力量タイプのガス濃度検
出装置およびガスセンサ素子を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas concentration detecting device for detecting the concentration of carbon monoxide or hydrocarbons in the atmosphere, and particularly to a power saving type gas concentration detecting device and a gas sensor element having excellent detection accuracy. Is provided.

【0002】[0002]

【従来の技術】一酸化炭素などに感応する従来のガス濃
度検出装置とそれに使用するガスセンサが、特許第27
91473号公報に記載されている。このガス濃度検出
装置の構成は、図12(a)に示す通りであり、ガスセ
ンサ1はヒータ2とガス感応膜3を少なくとも有してお
り、ヒータ2には電力パルスを間欠に加えるパルス発生
手段4が電気的に接続され、ガス感応膜3にはそのセン
サ出力を検出するためのピークホールド回路5が電気的
に接続されている。ガス濃度検出装置は、省電力量を実
現するために、ガスセンサ1のサイズを極力小型化し、
内蔵しているヒータ2に電力を短時間に印加してガス感
応部3を動作温度400℃まで短時間に昇温している。
そして、決められたインターバルごとに電力を短時間に
印加するサイクルを繰り返すことでガス感応部3を動作
温度まで間欠的に暖め、ガス濃度を検出している。
2. Description of the Related Art A conventional gas concentration detecting device sensitive to carbon monoxide and the like and a gas sensor used therefor are disclosed in Patent No. 27.
No. 91473. The configuration of this gas concentration detecting device is as shown in FIG. 12A, the gas sensor 1 has at least a heater 2 and a gas sensitive film 3, and the heater 2 has a pulse generating means for intermittently applying a power pulse. 4 is electrically connected, and the gas sensitive film 3 is electrically connected to a peak hold circuit 5 for detecting the sensor output. The gas concentration detection device reduces the size of the gas sensor 1 as much as possible in order to realize power saving.
Electric power is applied to the built-in heater 2 in a short time to raise the temperature of the gas sensitive section 3 to an operating temperature of 400 ° C. in a short time.
Then, the gas sensitive unit 3 is intermittently warmed up to the operating temperature by repeating the cycle of applying the electric power for a short time at the determined intervals, and the gas concentration is detected.

【0003】図12(b)は、このガスセンサの断面図
であり、アルミナなどの非ガラス質基板6の表面にガラ
ス断熱層7を形成し、この上部に酸化ルテニウムなどの
膜状ヒータ2を形成した後、さらにオーバーコート用ガ
ラス8をさらに積層し、その上部に酸化スズなどのガス
感応膜3を順々に積層している。特公平7−99361
号公報および実公平7−10286号公報にも、アルミ
ナ等の耐熱絶縁性基板の片面に、酸化ルテニウムや白金
等のヒータ膜と、酸化スズ等のガス感応部を設けた構成
のガスセンサが記載されている。
FIG. 12B is a cross-sectional view of this gas sensor. A glass heat insulating layer 7 is formed on the surface of a non-glass substrate 6 made of alumina or the like, and a film heater 2 made of ruthenium oxide or the like is formed on the glass heat insulating layer 7. After that, the overcoat glass 8 is further laminated, and the gas sensitive film 3 of tin oxide or the like is sequentially laminated thereon. Japanese Patent Fair 7-99361
Japanese Patent Publication No. 7-10286 and Japanese Utility Model Publication No. 7-10286 also describe a gas sensor having a structure in which a heater film made of ruthenium oxide or platinum and a gas sensitive portion made of tin oxide are provided on one surface of a heat-resistant insulating substrate made of alumina or the like. ing.

【0004】一方、Sensors and Actuators B65(2
000)190−192に記載された酸化錫系ガスセン
サに関する文献には、金属ケイ素基板ウエハー(以下、
シリコンウエハーと記す)の上部に、下から順に膜厚4
70nmの酸化珪素と膜厚150nmの窒化珪素とから
なる絶縁微薄膜を形成し、さらにその上部に、下から順
に膜厚30nmの金属チタンと膜厚240nmの白金か
らなるヒータを積層する旨が記載されている。さらに、
学気学会論文誌E.118巻12号.平成10年版の6
02頁には、「シリコン基板に製作させた集積型ガス濃
度検出装置」の文献が紹介されている。このガスセンサ
は、シリコンウエハーの表面に熱酸化により酸化珪素か
らなる絶縁微薄膜を形成し、その上部に、白金とタング
ステンからなるヒータ膜、酸化珪素とアルミナを積層し
た絶縁薄膜、酸化スズや酸化鉄さらに酸化タングステン
のガス感応薄膜を、下から順々に積層した構成である。
そして、白金とタングステンからなるヒータ膜は、その
上下にクロムを形成して耐久性を高めている。
On the other hand, Sensors and Actuators B65 (2
000) 190-192 regarding the tin oxide-based gas sensor, a metal silicon substrate wafer (hereinafter,
Silicon wafer) and the film thickness of 4 from the bottom.
It is described that an insulating micro thin film made of 70 nm silicon oxide and 150 nm silicon nitride is formed, and a heater made of titanium metal having a thickness of 30 nm and platinum having a thickness of 240 nm is stacked on the insulating thin film in that order from the bottom. Has been done. further,
Gakki society journal E. Vol. 118, No. 12. 1998 version 6
On page 02, the document “Integrated Gas Concentration Detector Made on Silicon Substrate” is introduced. In this gas sensor, an insulating micro thin film made of silicon oxide is formed on the surface of a silicon wafer by thermal oxidation, and a heater film made of platinum and tungsten, an insulating thin film in which silicon oxide and alumina are laminated, tin oxide and iron oxide are formed on the insulating micro thin film. Further, the gas sensitive thin film of tungsten oxide is laminated in order from the bottom.
The heater film made of platinum and tungsten has chromium formed on the upper and lower sides thereof to improve durability.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のガス濃度検出装
置は、ヒータに電力を短時間に印加するサイクルを繰り
返すことでガス感応部を動作温度まで間欠的に暖め、ガ
ス濃度を検出している。しかしながら、ヒータの作動を
長期間停止したにのちその再起動を行なうと、ヒータ作
動停止中に吸着した各種ガスの脱離が酸化スズ等のガス
感応部において容易に行われないので、センサ出力の安
定化に長時間を要し、再起動からしばらくの間は検出精
度が悪い課題があった。
The conventional gas concentration detecting device detects the gas concentration by intermittently warming the gas sensitive portion to the operating temperature by repeating the cycle of applying electric power to the heater in a short time. . However, if the heater operation is stopped for a long time and then restarted, various gases adsorbed during the heater operation stop are not easily desorbed in the gas sensitive part such as tin oxide, so the sensor output It took a long time to stabilize, and there was a problem that the detection accuracy was poor for a while after the restart.

【0006】本発明は、前記する従来の課題を解決し、
簡単な制御技術を用いることで、短時間にセンサ出力が
安定して検出精度に優れた小型省電力量タイプのガス濃
度検出装置を提供することを目的とするものである。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems,
An object of the present invention is to provide a small-sized energy-saving type gas concentration detection device in which the sensor output is stable in a short time and the detection accuracy is excellent by using a simple control technique.

【0007】また、ガスセンサに内蔵している従来のヒ
ータは、大電力を短時間に印加してガス感応部の動作温
度まで短時間に昇温するため、長期間使用すると劣化が
起こって所定の動作温度まで昇温できない。そのため、
安定したセンサ出力が得られず検出精度が悪い課題があ
った。
Further, the conventional heater incorporated in the gas sensor applies a large amount of electric power in a short time to heat up to the operating temperature of the gas sensitive portion in a short time, so that it deteriorates when used for a long time and a predetermined amount is generated. Cannot raise to operating temperature. for that reason,
There was a problem that detection accuracy was poor because a stable sensor output could not be obtained.

【0008】本発明は、前記する従来の課題を解決し、
耐久信頼性の優れたヒータ膜を用いることで所定の動作
温度まで昇温ができ、このことで安定したセンサ出力が
得られ検出精度に優れる小型省電力量タイプのガスセン
サ素子を提供することを目的とするものである。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems,
An object of the present invention is to provide a small power-saving type gas sensor element that can raise the temperature to a predetermined operating temperature by using a heater film with excellent durability and reliability, which provides stable sensor output and excellent detection accuracy. It is what

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のガス濃度検出装
置は、上記課題を解決するために、発熱体とガス感受部
を少なくとも有するガスセンサ素子と、発熱体にパルス
電力を間隔(A)で間欠的に供給する電力パルス供給手
段と、ガス感受部からのセンサ出力を検出するセンサ出
力検出手段と、パルス電力供給開始からの経過時間を計
測する電力パルス経過時間計測手段と、計測された経過
時間が所定時間(I)未満の場合にパルス電力を短い間
隔(B)で供給する制御を行なう駆動初期対応電力供給
手段とを、少なくとも備えているとした。
In order to solve the above-mentioned problems, a gas concentration detecting device of the present invention has a gas sensor element having at least a heating element and a gas sensing section, and a pulse power to the heating element at intervals (A). Power pulse supply means for intermittent supply, sensor output detection means for detecting the sensor output from the gas sensing unit, power pulse elapsed time measurement means for measuring the elapsed time from the start of pulse power supply, and measured progress It is assumed that at least the drive initial corresponding power supply means for performing control to supply the pulse power at a short interval (B) when the time is less than the predetermined time (I).

【0010】ガスセンサ素子の再起動とともに、駆動初
期対応電力供給手段が作動して、発熱体にパルス電力を
短い間隔(B)で供給することを電力パルス供給手段に
指示するので、ガス感受部のエイジング処理が加速して
行なわれる。そして、センサ出力が安定化する所定時間
(I)に到達すると、駆動初期対応電力供給手段が停止
して、電力パルス供給手段は、発熱体にパルス電力を通
常の間隔(A)で供給する。この短い間隔(B)でのパ
ルス電力供給により、ガスセンサ素子の安定化が加速さ
れ、短時間に検出精度の高いガス濃度検出装置が得られ
る。また、発熱体に電力をパルスで供給しているので、
省電力量タイプのガス濃度検出装置となる。
When the gas sensor element is restarted, the drive initial corresponding power supply means operates to instruct the power pulse supply means to supply pulse power to the heating element at a short interval (B). The aging process is accelerated. Then, when a predetermined time (I) at which the sensor output stabilizes is reached, the drive initial corresponding power supply means is stopped, and the power pulse supply means supplies pulse power to the heating element at a normal interval (A). By the pulse power supply at this short interval (B), stabilization of the gas sensor element is accelerated, and a gas concentration detection device with high detection accuracy can be obtained in a short time. Also, since the electric power is supplied to the heating element in pulses,
It is a power-saving type gas concentration detection device.

【0011】また、本発明のガスセンサ素子は、上記課
題を解決するために、絶縁性耐熱基板の表面上部に下か
ら順々に積層した発熱体の薄膜と耐熱絶縁性薄膜とガス
感受部を少なくとも備えた構成としさらに、発熱体は、
白金を主成分とするヒータ主薄膜と、その下部に0.1
倍以下の膜厚で配置したチタンもしくはジルコニウムも
しくはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分
とする金属ヒータ補助微薄膜とで構成されるとした。
In order to solve the above-mentioned problems, the gas sensor element of the present invention comprises at least a thin film of a heating element, a heat-resistant insulating thin film, and a gas sensing part, which are sequentially stacked from the bottom on the upper surface of an insulating heat-resistant substrate. In addition to the configuration provided, the heating element,
A heater main thin film containing platinum as a main component and 0.1
It is assumed that it is composed of a metal heater auxiliary fine thin film containing as a main component at least one material selected from titanium, zirconium, or chromium and arranged with a film thickness not more than twice.

【0012】白金のヒータ主薄膜と、その下部に膜厚を
薄くして配置したチタン、ジルコニウム、クロムなどの
金属ヒータ補助微薄膜との2層で構成される発熱体であ
るので、耐久信頼性の優れた発熱体となり、所定の動作
温度まで常に昇温ができる。そのため、安定したセンサ
出力が長期間得られて検出精度に優れる小型省電力量タ
イプのガスセンサ素子がいつまでも得られる。
Since it is a heating element composed of two layers of a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary thin film of titanium, zirconium, chromium or the like disposed below the platinum heater thin film, durability and reliability are improved. It becomes an excellent heating element and can always raise the temperature to a predetermined operating temperature. Therefore, a small power-saving type gas sensor element that can obtain a stable sensor output for a long period of time and is excellent in detection accuracy can be obtained forever.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明は、各請求項に記載した形
態で実施することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention can be implemented in the modes described in each claim.

【0014】請求項1記載の発明は、発熱体とガス感受
部を少なくとも有するガスセンサ素子と、前記発熱体に
電力を間隔(A)で間欠的に供給する電力パルス供給手
段と、前記電力パルス供給手段が発する電力パルスの間
隔を制御するコントローラと、前記ガス感受部からのセ
ンサ出力を検出するセンサ出力検出手段を少なくとも備
え、前記コントローラは、前記電力パルス供給手段のパ
ルス供給開始からの経過時間を計測する電力パルス経過
時間計測手段と、駆動初期に電力パルスの間隔を短く制
御する駆動初期対応電力供給手段とを少なくとも備えて
おり、前記駆動初期対応電力供給手段は、前記電力パル
ス経過時間計測手段で計測された経過時間が所定時間
(I)未満の場合に前記電力パルス供給手段のパルス電
力を間隔(A)より短い間隔(B)で供給する制御を行
なうガス濃度検出装置とした。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gas sensor element having at least a heating element and a gas sensing section, power pulse supply means for intermittently supplying power to the heating element at intervals (A), and the power pulse supply. At least a controller for controlling the interval of the power pulse emitted by the means, and a sensor output detection means for detecting the sensor output from the gas sensing unit, the controller, the elapsed time from the pulse supply start of the power pulse supply means At least a power pulse elapsed time measuring unit for measuring and a drive initial corresponding power supplying unit for controlling a power pulse interval to be short at the initial stage of driving are provided, and the drive initial corresponding power supplying unit is the power pulse elapsed time measuring unit. When the elapsed time measured at is less than the predetermined time (I), the pulse power of the power pulse supply means is shorter than the interval (A). The gas concentration detection device controls the supply at a certain interval (B).

【0015】ガスセンサ素子の再起動とともに、駆動初
期対応電力供給手段が作動して、発熱体にパルス電力を
短い間隔(B)で供給することを電力パルス供給手段に
指示するので、ガス感受部のエイジング処理が加速して
行なわれる。そして、センサ出力が安定化する所定時間
(I)に到達すると、駆動初期対応電力供給手段が停止
し、電力パルス供給手段は、発熱体にパルス電力を通常
の間隔(A)で供給する。本発明は、これらのことによ
りガスセンサ素子の安定化が加速されるので、短時間に
検出精度の高いガス濃度検出装置が得られる。また、発
熱体に電力をパルスで供給しているので、省電力量タイ
プのガス濃度検出装置となる。
When the gas sensor element is restarted, the drive initial corresponding power supply means operates to instruct the power pulse supply means to supply the pulsed power to the heating element at a short interval (B). The aging process is accelerated. Then, when a predetermined time (I) at which the sensor output stabilizes is reached, the drive initial corresponding power supply means stops, and the power pulse supply means supplies pulse power to the heating element at the normal interval (A). According to the present invention, the stabilization of the gas sensor element is accelerated by the above, and thus a gas concentration detection device with high detection accuracy can be obtained in a short time. Further, since the electric power is supplied to the heat generating element in pulses, the gas concentration detecting device is of a power saving type.

【0016】請求項2記載の発明は、特に、請求項1記
載のコントローラに、センサ出力の異常有無を判断する
センサ出力異常判断手段と、センサ出力の異常時に電力
パルスの間隔を短く制御する異常時対応電力供給手段と
をさらに備えており、前記異常時対応電力供給手段は、
電力パルス経過時間計測手段で計測された経過時間が所
定時間(I)以上で所定時間(II)未満であり前記セン
サ出力異常判断手段でセンサ出力が異常と判断された場
合に電力パルス供給手段のパルス電力を間隔(A)より
短い間隔(C)で供給する制御を行なう構成とした。
According to a second aspect of the present invention, in particular, the controller according to the first aspect includes a sensor output abnormality determining means for determining whether or not there is an abnormality in the sensor output, and an abnormality for controlling the power pulse interval to be short when the sensor output is abnormal. The power supply means for time correspondence is further provided, and the power supply means for abnormal time is
When the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means is the predetermined time (I) or more and less than the predetermined time (II) and the sensor output abnormality determining means determines that the sensor output is abnormal, the power pulse supplying means The control is such that the pulse power is supplied at an interval (C) shorter than the interval (A).

【0017】パルス供給開始からの経過時間が所定時間
(I)以上の時点でセンサ出力が異常と判断されること
は、何らかの原因でガスセンサ素子は、充分なるエイジ
ング処理がなされず、センサ出力が安定していないこと
を意味する。本発明は、この場合には異常時対応電力供
給手段が発熱体にパルス電力を短い間隔(C)で供給す
るので、エイジング処理が加速して行なわれる。その結
果、本発明は、これを構成するガスセンサ素子がこれら
のことにより短時間でその安定化がなされるので、短時
間に一層検出精度の高いガス濃度検出装置が得られる。
If the sensor output is judged to be abnormal when the elapsed time from the start of pulse supply is equal to or longer than the predetermined time (I), the gas sensor element is not sufficiently aged for some reason and the sensor output is stable. It means not doing. According to the present invention, in this case, the power supply means for dealing with an abnormality supplies pulse power to the heating element at short intervals (C), so that the aging process is accelerated. As a result, according to the present invention, since the gas sensor element constituting the present invention is stabilized in a short time by these, a gas concentration detecting device with higher detection accuracy can be obtained in a short time.

【0018】請求項3記載の発明は、特に、請求項1記
載のコントローラに緊急パルス供給手段を併設し、電力
パルス経過時間計測手段で計測された経過時間が所定時
間(II)に到達した時点でセンサ出力異常判断手段がセ
ンサ出力を異常と判断した場合には、電力パルス供給手
段に間隔(B)で発熱体の再起動を行なわせる構成とし
た。
According to a third aspect of the present invention, in particular, the controller according to the first aspect is provided with an emergency pulse supply means, and when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means reaches a predetermined time (II). When the sensor output abnormality determining means determines that the sensor output is abnormal, the electric power pulse supplying means restarts the heating element at the interval (B).

【0019】パルス供給開始からの経過時間が所定時間
(II)の時点でセンサ出力が異常と判断されることは、
何らかの原因で、センサ出力が安定していないことを意
味する。本発明は、この場合には緊急パルス供給手段
が、電力パルス供給手段に発熱体の再起動を行なわせる
制御指令を出すので、ガスセンサ素子は、エイジング処
理が再度なされ、センサ出力の安定化が再度試みられ
る。その結果、一層検出精度の高いガス濃度検出装置が
得られる。
It is determined that the sensor output is abnormal when the elapsed time from the start of pulse supply is the predetermined time (II),
It means that the sensor output is not stable for some reason. In the present invention, in this case, the emergency pulse supply means issues a control command to cause the power pulse supply means to restart the heating element, so that the gas sensor element is subjected to the aging process again and the sensor output is stabilized again. Will be tried. As a result, a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained.

【0020】請求項4記載の発明は、特に、請求項3記
載の緊急パルス供給手段が複数回作動すると、警報を発
する構成とした。
According to the invention described in claim 4, in particular, when the emergency pulse supply means according to claim 3 is activated a plurality of times, an alarm is issued.

【0021】緊急パルス供給手段が複数回作動すること
は、何らかの原因で、ガスセンサ素子が劣化したことを
意味する。本発明は、この場合には警報を発するので、
ガスセンサ素子の劣化が判明し、このことで一層検出精
度の高いガス濃度検出装置が得られる。
The fact that the emergency pulse supply means operates a plurality of times means that the gas sensor element has deteriorated for some reason. The present invention issues an alarm in this case, so
Deterioration of the gas sensor element is found, and a gas concentration detecting device with higher detection accuracy can be obtained.

【0022】請求項5記載の発明は、特に、請求項1記
載のコントローラにさらに備えたガス検知時パルス供給
手段は、電力パルス経過時間計測手段で計測された経過
時間が所定時間(II)以上であり、センサ出力異常判断
手段が予め決めた閾値出力以内においてセンサ出力を異
常と判断した場合に、電力パルス供給手段にパルス電力
を間隔(A)より短い間隔(D)で供給する制御を行な
う構成とした。
According to a fifth aspect of the present invention, in particular, the gas detection time pulse supply means further provided in the controller according to the first aspect is that the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means is a predetermined time (II) or more. When the sensor output abnormality determination means determines that the sensor output is abnormal within the predetermined threshold output, the power pulse supply means is controlled to supply the pulse power at an interval (D) shorter than the interval (A). It was configured.

【0023】経過時間が所定時間(II)以上の場合にお
いてセンサ出力異常判断手段が閾値出力以内においてセ
ンサ出力を異常と判断することは、高濃度のガスが存在
することを意味する。本発明は、この場合にはガス検知
時パルス供給手段が発熱体にパルス電力を短い間隔
(D)で供給するので、刻々と変化するガス濃度の挙動
を精度良く検知でき、一層検出精度の高いガス濃度検出
装置が得られる。
If the sensor output abnormality determining means determines that the sensor output is abnormal within the threshold output when the elapsed time is equal to or longer than the predetermined time (II), it means that a high concentration gas is present. According to the present invention, in this case, the gas supply pulse supplying means supplies the pulse power to the heating element at short intervals (D), so that the behavior of the gas concentration which changes moment by moment can be detected with high accuracy, and the detection accuracy is higher. A gas concentration detector is obtained.

【0024】請求項6記載の発明は、請求項5記載にお
いてガス検知時パルス供給手段は、電力パルス経過時間
計測手段で計測された経過時間が所定時間(II)以上に
おいて、センサ出力異常判断手段がセンサ出力を予め決
めた閾値出力を越えたと判断した場合に、電力パルス供
給手段に間隔(B)で発熱体の再起動を行なうようにし
た。
According to a sixth aspect of the present invention, in the gas detection time pulse supply means according to the fifth aspect, the sensor output abnormality determining means is provided when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means is a predetermined time (II) or more. When it is determined that the sensor output exceeds the predetermined threshold output, the power pulse supply means restarts the heating element at the interval (B).

【0025】経過時間が所定時間(II)以上の場合にお
いてセンサ出力が閾値出力を越えることは、何らかの原
因で、ガスセンサ素子が安定化しなかったことを意味す
る。本発明は、この場合には、電力パルス供給手段が間
隔(B)で発熱体の再起動を行ない、ガスセンサ素子の
エイジング処理が再度なされ、センサ出力の安定化が再
度試みられる。その結果、一層検出精度の高いガス濃度
検出装置が得られる。
If the sensor output exceeds the threshold output when the elapsed time is equal to or longer than the predetermined time (II), it means that the gas sensor element is not stabilized for some reason. In the present invention, in this case, the power pulse supply means restarts the heating element at the interval (B), the aging process of the gas sensor element is performed again, and the stabilization of the sensor output is retried. As a result, a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained.

【0026】請求項7記載の発明は、絶縁性耐熱基板の
表面上部に下から順々に積層した発熱体の薄膜と耐熱絶
縁性薄膜とガス感受部を少なくとも備えた構成であり、
前記発熱体が、白金を主成分とするヒータ主薄膜と、前
記ヒータ主薄膜の膜厚の0.1倍を越えない膜厚であり
その下部にヒータ主薄膜より膜厚を薄くして配置された
チタンもしくはジルコニウムもしくはクロムの少なくと
も1種の材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜とで
構成されるガスセンサ素子とした。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided at least a heat-generating thin film, a heat-insulating thin film, and a gas sensing part, which are laminated in this order from the bottom on the upper surface of the insulating heat-resistant substrate.
The heating element has a heater main thin film containing platinum as a main component and a film thickness not exceeding 0.1 times the film thickness of the heater main thin film. The gas sensor element is composed of a metal heater auxiliary thin film containing at least one material selected from titanium, zirconium, and chromium as a main component.

【0027】チタンやジルコニウムさらにクロムの金属
ヒータ補助微薄膜は、接合性と展性に優れた材料であ
り、ヒータ主薄膜の膜厚の0.1倍を越えない膜厚とし
てその下部に配置すると、ヒータ主薄膜である白金に良
好に接合して展性を持つ発熱体が得られる。省電力実現
のため大電力を短時間に印加すると、発熱体は短時間に
動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置さ
れた絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜も同時に温度上昇
して熱膨張するのだが、この積層型の発熱体は、この熱
膨張に良好に追随して剥離を生じることがなく、抵抗変
化のない優れた耐久信頼性を示す。また、その上部に積
層されたガス感受部は、耐熱絶縁性薄膜の薄膜を介して
発熱体で発生した熱が効果的に伝達され、短時間で動作
状態となりガス濃度が検知可能となる。そのため、安定
したセンサ出力が長期間得られて検出精度に優れる小型
省電力量タイプのガスセンサ素子がいつまでも得られ
る。
The metal heater auxiliary thin film of titanium, zirconium or chromium is a material having excellent bonding properties and malleability, and if it is arranged below the heater main thin film, the film thickness will not exceed 0.1 times the film thickness of the heater main thin film. A heat generating element having malleability can be obtained by being well bonded to platinum which is the main film of the heater. When a large amount of power is applied for a short time to save power, the heating element rises in temperature to the operating temperature in a short time and thermally expands, and the temperature of the insulating heat-resistant substrate and heat-resistant insulating thin film placed above and below it also rises at the same time. However, the laminated heating element satisfactorily follows the thermal expansion, does not cause peeling, and exhibits excellent durability reliability without resistance change. In addition, the gas sensing portion laminated on the upper part of the heat-transmitting thin film effectively transmits the heat generated by the heating element through the thin film of the heat-resistant insulating thin film, and becomes in an operating state in a short time so that the gas concentration can be detected. Therefore, a small power-saving type gas sensor element that can obtain a stable sensor output for a long period of time and is excellent in detection accuracy can be obtained forever.

【0028】請求項8記載の発明は、請求項7記載の絶
縁性耐熱基板が転移温度が少なくとも650℃を越える
硝子材であるとした。熱伝導率が非常に小さい硝子材の
絶縁性耐熱基板であるので、発熱体で発生した熱は、絶
縁性耐熱基板に僅かしか伝達されず、その多くがガス感
受部に伝達される。そのため、動作温度まで一層少ない
消費電力量で到達でき、消費電力量を一層低減したガス
濃度検出装置が実現できる。またこのことで、発熱体
は、消費電力が小さいので印加される電圧電流値も小さ
くなり、優れた耐久特性が得られる。しかもさらに、絶
縁性耐熱基板は、圧縮応力に非常に強い性質を有する硝
子材であるので発熱に起因する熱膨張に良好に追随し、
これらの相乗効果で発熱体は、一層優れた耐久特性が得
られる。
The invention according to claim 8 is that the insulating heat-resistant substrate according to claim 7 is a glass material having a transition temperature of at least 650 ° C. or higher. Since it is an insulating heat-resistant substrate made of a glass material having a very small thermal conductivity, the heat generated by the heating element is transferred only slightly to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is transferred to the gas sensing unit. Therefore, the operating temperature can be reached with a smaller amount of power consumption, and a gas concentration detection device with a further reduced power consumption can be realized. Further, as a result of this, since the heating element consumes less power, the applied voltage / current value is also reduced, and excellent durability characteristics can be obtained. Moreover, since the insulating heat-resistant substrate is a glass material having a very strong property against compressive stress, it can well follow the thermal expansion caused by heat generation,
Due to these synergistic effects, the heating element can obtain more excellent durability characteristics.

【0029】一方、発熱体は、600℃以上で焼成する
と良好な接合性と展性が得られる性質が有る。本発明の
絶縁性耐熱基板は、転移温度(急激な体積変化が起こる
温度のこと)が650℃以上の硝子材であるので、硝子
材の転移温度を越えない様に発熱体を焼成することがで
きる。そのため、絶縁性耐熱基板は急激な体積変化(転
移)を起こすことがなくなりこれにともない、発熱体は
絶縁性耐熱基板に良好に接着してさらに一層優れた耐久
特性が得られる。
On the other hand, the heating element has the property of obtaining good bondability and malleability when fired at 600 ° C. or higher. Since the insulating heat-resistant substrate of the present invention is a glass material having a transition temperature (a temperature at which a sudden volume change occurs) of 650 ° C. or higher, the heating element may be fired so as not to exceed the transition temperature of the glass material. it can. Therefore, the insulating heat-resistant substrate does not undergo a rapid volume change (transition), and accordingly, the heating element is well bonded to the insulating heat-resistant substrate, and further excellent durability characteristics can be obtained.

【0030】請求項9記載の発明は、請求項7記載の絶
縁性耐熱基板が水酸基を0.20wt%超えないで含有
する石英硝子であるとした。熱伝導率が非常に小さい石
英硝子の絶縁性耐熱基板であるので、発熱体で発生した
熱は、絶縁性耐熱基板に僅かしか伝達されずにその多く
がガス感受部に伝達され、動作温度まで極めて少ない電
力量で到達でき、消費電力量を極めて低減したガス濃度
検出装置が実現できる。
According to the invention of claim 9, the insulating heat-resistant substrate according to claim 7 is a quartz glass containing a hydroxyl group in an amount not exceeding 0.20 wt%. Since it is an insulating heat-resistant substrate made of quartz glass with a very low thermal conductivity, most of the heat generated by the heating element is transferred to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is transferred to the gas sensing unit, up to the operating temperature. It is possible to achieve a gas concentration detection device that can be reached with an extremely small amount of power and that has an extremely reduced power consumption.

【0031】しかも、石英硝子は熱膨張係数が非常に小
さいので、絶縁性耐熱基板の熱膨張が小さくなるが、発
熱体は絶縁性耐熱基板に良好に接着して優れた耐久特性
が得られる。また、石英硝子に含有される水酸基を0.
20wt%未満としたため、チタンやジルコニウムやク
ロムの金属ヒータ補助薄膜が石英硝子製の絶縁性耐熱基
板に一層良好に接着して一層優れた耐久特性が得られ
る。さらに、石英硝子は転移温度が1075℃と耐熱性
に非常に優れているので絶縁性耐熱基板に使用すると、
発熱体や耐熱絶縁性薄膜さらにガス感受部は、焼成温度
に関する制約が減少し簡単な製法で製膜できる。
Moreover, since the coefficient of thermal expansion of quartz glass is very small, the thermal expansion of the insulating heat-resistant substrate is small, but the heating element is well adhered to the insulating heat-resistant substrate to obtain excellent durability characteristics. Further, the hydroxyl group contained in the quartz glass is adjusted to 0.
Since the content is less than 20 wt%, the metal heater auxiliary thin film of titanium, zirconium, or chrome is better adhered to the insulating heat-resistant substrate made of quartz glass, and more excellent durability characteristics are obtained. Furthermore, since quartz glass has a very excellent heat resistance with a transition temperature of 1075 ° C, when it is used as an insulating heat resistant substrate,
The heating element, the heat-resistant insulating thin film, and the gas sensing part can be formed by a simple manufacturing method because restrictions on the firing temperature are reduced.

【0032】請求項10記載の発明は、請求項7記載の
絶縁性耐熱基板が、その中心線表面粗さが0.05〜1
μmであるとした。中心線表面粗さが0.05〜1μm
の絶縁性耐熱基板にすると、発熱体が一層良好に接合し
て熱膨張に良好に追随できるので、剥離を生じることが
なく、一層優れた耐久特性が得られる。
According to a tenth aspect of the invention, the insulating heat-resistant substrate according to the seventh aspect has a center line surface roughness of 0.05 to 1.
It was assumed to be μm. Center line surface roughness is 0.05-1 μm
In the case of the insulating heat-resistant substrate, since the heating element can be more favorably bonded and can follow the thermal expansion satisfactorily, peeling does not occur and more excellent durability characteristics can be obtained.

【0033】請求項11記載の発明は、請求項7記載の
耐熱絶縁性薄膜は転移温度が少なくとも650℃を越え
る硝子材であるとした。耐熱絶縁性薄膜は、圧縮応力に
非常に強い性質を有する硝子材にすると、発熱による熱
膨張に良好に追随するので、一層優れた耐久特性の発熱
体が得られる。一方、発熱体は、600℃以上で焼成す
ると良好な接合性と展性が得られる性質が有る。本発明
の耐熱絶縁性薄膜は、転移温度(急激な体積変化が起こ
る温度のこと)が650℃以上の硝子材であるので、発
熱体を硝子材の転移温度を越えない様に焼成することが
できる。このことで、耐熱絶縁性薄膜は急激な体積変化
(転移)を起こすことがなくなりこれにともない、発熱
体は耐熱絶縁性薄膜に良好に接着して一層優れた耐久特
性が得られる。
The invention according to claim 11 is that the heat-resistant insulating thin film according to claim 7 is a glass material having a transition temperature of at least 650 ° C. or higher. When the heat-resistant insulating thin film is made of a glass material having a property of being extremely strong against compressive stress, it can follow the thermal expansion due to heat generation well, so that a heating element with more excellent durability characteristics can be obtained. On the other hand, the heating element has the property of obtaining good bondability and malleability when fired at 600 ° C. or higher. Since the heat-resistant insulating thin film of the present invention is a glass material having a transition temperature (a temperature at which a sudden volume change occurs) of 650 ° C. or higher, the heating element can be fired so as not to exceed the transition temperature of the glass material. it can. As a result, the heat-resistant insulating thin film does not undergo a rapid volume change (transition), and accordingly, the heating element is well adhered to the heat-resistant insulating thin film, and more excellent durability characteristics can be obtained.

【0034】請求項12記載の発明は、請求項7記載の
耐熱絶縁性薄膜を石英硝子とした。石英硝子は、白金の
ヒータ主薄膜と良好に接合する性質が有るので、耐熱絶
縁性薄膜として発熱体の側に配置すると発熱体に良好に
接合する。また、圧縮応力に非常に強い性質を有すると
とともに熱膨張係数が非常に小さいので、発熱による熱
膨張に良好に追随して、発熱体は一層優れた耐久特性が
得られる。
According to the invention of claim 12, the heat-resistant insulating thin film of claim 7 is made of quartz glass. Quartz glass has a property of being well bonded to the platinum heater main thin film, and therefore, when it is disposed on the heating element side as a heat-resistant insulating thin film, it is well bonded to the heating element. Further, since it has a very strong property against compressive stress and has a very small coefficient of thermal expansion, it can follow the thermal expansion due to heat generation well, and the heating element can obtain more excellent durability characteristics.

【0035】請求項13記載の発明は、請求項7記載の
ガス感受部は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜と、前
記酸素イオン導電性固体電解質薄膜の上部に配置した通
気性の第1電極薄膜および第2電極薄膜を少なくとも備
え、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜はその熱伝導
率が1〜7W/mKの材料であるとした。酸素イオン導電性
固体電解質薄膜は、その熱伝導率を1〜7W/mKとすると
良好な放熱薄膜として働く。そのため、発熱体はその局
部温度上昇が抑制され一層優れた耐久特性が得られる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the gas sensing section according to the seventh aspect, the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film and the breathable first electrode thin film arranged on the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film are provided. And at least a second electrode thin film, and the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is a material having a thermal conductivity of 1 to 7 W / mK. The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film functions as a good heat dissipation thin film when its thermal conductivity is 1 to 7 W / mK. Therefore, the local temperature rise of the heating element is suppressed and more excellent durability characteristics are obtained.

【0036】請求項14記載の発明は、請求項13記載
の第1電極膜は酸化触媒特性に優れた電極膜であり、第
2電極膜は前記第1電極膜より酸化触媒特性に劣る電極
膜であるとした。第1電極膜が酸化触媒特性に優れた電
極膜であり、第2電極膜が第1電極膜より酸化触媒特性
に劣る電極膜であるため、両電極膜が良好な放熱薄膜と
して働く。そのため、発熱体はその局部温度上昇が抑制
され一層優れた耐久特性が得られる。
According to a fourteenth aspect of the present invention, the first electrode film according to the thirteenth aspect is an electrode film having excellent oxidation catalyst properties, and the second electrode film is inferior to the first electrode film in oxidation catalyst properties. And Since the first electrode film is an electrode film having an excellent oxidation catalyst property and the second electrode film is inferior to the first electrode film in an oxidation catalyst property, both electrode films work as good heat dissipation thin films. Therefore, the local temperature rise of the heating element is suppressed and more excellent durability characteristics are obtained.

【0037】[0037]

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0038】(実施例1)図1は本発明の実施例である
ガス濃度検出装置の構成図と処理の流れを示すフローチ
ャートであり、図1(a)は構成図、図2(b)は処理
の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to an embodiment of the present invention and a flow chart showing a processing flow. FIG. 1 (a) is a configuration diagram and FIG. 2 (b) is a configuration diagram. It is a flow chart which shows a flow of processing.

【0039】まず、構成について図1(a)で説明す
る。ガスセンサ素子9は、発熱体10とガス感受部11
を少なくとも備えた構成である。発熱体10には電力パ
ルス供給手段12が電気的に接続されており、この電力
パルス供給手段12により、パルス電力が間隔(A)で
間欠的に供給されることで、発熱体10は間欠的に温度
上昇するサイクルを繰り返す。一方、ガス感受部11に
はそのセンサ出力を検出するセンサ出力検出手段13が
電気的に接続されている。一方、電力パルス供給手段1
2は、併設されたコントローラ14によりその発する電
力パルスの間隔を制御されている。そのコントローラ1
4は、電力パルス供給手段12のパルス供給開始からの
経過時間を計測する電力パルス経過時間計測手段15
と、電力パルス経過時間計測手段15で計測された経過
時間が所定時間(I)未満の場合に電力パルス供給手段
12のパルス電力を間隔(A)より短い間隔(B)で供
給する制御を行なう駆動初期対応電力供給手段16を少
なくとも有する構成である。
First, the structure will be described with reference to FIG. The gas sensor element 9 includes a heating element 10 and a gas sensing unit 11.
It is a configuration including at least. A power pulse supply means 12 is electrically connected to the heating element 10, and pulse power is intermittently supplied at intervals (A) by the power pulse supply means 12, so that the heating element 10 is intermittent. Repeat the cycle of increasing temperature. On the other hand, the gas sensing unit 11 is electrically connected to a sensor output detection means 13 that detects the sensor output. On the other hand, the power pulse supply means 1
In the case of No. 2, the interval of the power pulse generated by the controller 14 is controlled. Its controller 1
4 is a power pulse elapsed time measuring means 15 for measuring the elapsed time from the start of pulse supply of the power pulse supplying means 12.
When the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means 15 is less than the predetermined time (I), the pulse power of the power pulse supplying means 12 is controlled to be supplied at an interval (B) shorter than the interval (A). This is a configuration including at least the drive initial corresponding power supply means 16.

【0040】次に、処理の流れを示すフローチャートに
ついて図1(b)で説明する。スタートスイッチの起動
により処理流れがスタートすると、電力パルス経過時間
計測手段15が作動してパルス供給開始からの経過時間
の計測を行なう。それと同時に、駆動初期対応電力供給
手段16が作動して、電力パルス供給手段12にパルス
電力を間隔(B)で間欠的に供給する制御指令を出す。
駆動初期対応電力供給手段16は、この処理流れを経過
時間が所定時間(I)になるまで繰り返し行し、発熱体
10にパルス電力を間隔(B)で間欠的に供給する。そ
して、所定時間(I)になると、駆動初期対応電力供給
手段16は間隔(B)でパルス電力を供給する旨の制御
指令を停止し、電力パルス供給手段12は、発熱体10
にパルス電力を間隔(A)で間欠的に供給することを行
なう。
Next, a flow chart showing the flow of processing will be described with reference to FIG. When the process flow is started by the start of the start switch, the power pulse elapsed time measuring means 15 is activated to measure the elapsed time from the start of pulse supply. At the same time, the drive initial correspondence power supply means 16 is activated to issue a control command for intermittently supplying pulse power to the power pulse supply means 12 at intervals (B).
The drive initial corresponding power supply means 16 repeats this processing flow until the elapsed time reaches the predetermined time (I), and intermittently supplies the pulse power to the heating element 10 at intervals (B). Then, when the predetermined time (I) is reached, the drive initial correspondence power supply means 16 stops the control command to supply the pulse power at the interval (B), and the power pulse supply means 12 causes the heating element 10 to operate.
Then, pulse power is intermittently supplied at intervals (A).

【0041】本実施例のガス濃度検出装置を試作しその
効果の確認を行った。効果判定に使用したガスセンサ素
子の構成を図2に示す。ガスセンサ素子9は、絶縁性耐
熱基板17の表面上部に下から順々に積層した、発熱体
10の薄膜と、耐熱絶縁性薄膜18と、ガス感受部11
の膜と、を少なくとも備えたた構成である。
A gas concentration detector of this example was prototyped and its effect was confirmed. The structure of the gas sensor element used for effect determination is shown in FIG. The gas sensor element 9 includes a thin film of the heating element 10, a heat-resistant insulating thin film 18, and a gas sensing unit 11 which are sequentially stacked on the upper surface of the insulating heat-resistant substrate 17 from the bottom.
And a film.

【0042】絶縁性耐熱基板17は、石英硝子の板であ
り2mm角×厚み0.3mmの寸法を有する。その物性値
は、熱膨張係数が0.5×10-6(1/deg)、熱伝導率
が1.7W/mK、転移温度が1075℃、軟化点が158
0℃である。石英硝子は、その組成は酸化珪素が99.
99%で水酸基が0.01%弱含有されており、表面を
研磨して中心線表面粗さが0.05〜0.2μmであ
る。なお、特に言及しない限り以後はこの材質を使用し
た。
The insulating heat-resistant substrate 17 is a quartz glass plate having a size of 2 mm square and a thickness of 0.3 mm. As for the physical properties, the thermal expansion coefficient is 0.5 × 10 −6 (1 / deg), the thermal conductivity is 1.7 W / mK, the transition temperature is 1075 ° C., and the softening point is 158.
It is 0 ° C. The composition of quartz glass is 99.
It contains less than 0.01% of hydroxyl groups at 99%, and has a center line surface roughness of 0.05 to 0.2 μm after polishing the surface. Note that this material was used hereafter unless otherwise specified.

【0043】発熱体10は、下部に配置した金属ヒータ
補助微薄膜19とその上部に配置したヒータ主薄膜20
の積層膜で構成されている。金属ヒータ補助微薄膜19
は、スパッタ法を用いて膜厚約0.005μmを形成し
たクロムであり、その熱膨張係数は6.2×10-6(1
/deg)である。ヒータ主薄膜20は、スパッタ法を用い
て膜厚約0.5μmの白金の抵抗膜を形成したものであ
り、その熱膨張係数が9×10-6(1/deg)、熱伝導率
が69.5W/mKである。
The heating element 10 includes a metal heater auxiliary thin film 19 arranged on the lower portion and a heater main thin film 20 arranged on the upper portion thereof.
It is composed of a laminated film of. Metal heater auxiliary thin film 19
Is chromium having a film thickness of about 0.005 μm formed by the sputtering method, and its thermal expansion coefficient is 6.2 × 10 −6 (1
/ deg). The heater main thin film 20 is formed by forming a platinum resistance film having a film thickness of about 0.5 μm by a sputtering method, and has a thermal expansion coefficient of 9 × 10 −6 (1 / deg) and a thermal conductivity of 69. It is 5 W / mK.

【0044】耐熱絶縁性薄膜18は、石英ガラスをスパ
ッタ法を用いて形成した2μm膜厚であり、発熱体10
の上部に積層されている。その物性値は、熱膨張係数が
0.5×10-6(1/deg)、熱伝導率が1.7W/mKであ
る。石英ガラスの耐熱絶縁性薄膜18は、発熱体10の
上部にスパッタ法で積層したのち、大気中で1000℃
1時間焼成した。
The heat-resistant insulating thin film 18 has a film thickness of 2 μm and is made of quartz glass by a sputtering method.
Is stacked on top of. As for the physical properties, the coefficient of thermal expansion is 0.5 × 10 −6 (1 / deg) and the thermal conductivity is 1.7 W / mK. The heat-resistant insulating thin film 18 of quartz glass is laminated on the heating element 10 by the sputtering method, and then 1000 ° C. in the atmosphere.
It was baked for 1 hour.

【0045】ガス感受部11は、酸素イオン導電性固体
電解質薄膜21と、その上部同一面に形成されている通
気性の第1電極薄膜22および第2電極薄膜23と、第
1電極薄膜22に積層した通気多孔性の酸化触媒膜24
で構成される。酸素イオン導電性固体電解質薄膜21
は、酸化イットリウム8モル%と酸化ジルコニウム92
モル%の固溶体である安定化ジルコニア体であり、スパ
ッタ法を用いて形成された約2μm膜厚が耐熱絶縁性薄
膜18に積層されている。その物性値は、熱膨張係数が
10×10-6(1/deg)、熱伝導率が5W/mKである。第
1電極薄膜22および第2電極薄膜23は、白金をスパ
ッタして形成した白金の通気性多孔質薄膜であり、酸素
イオン導電性固体電解質薄膜21の上部同一表面に約
0.5μmの膜厚で形成されている。酸化触媒膜24
は、白金触媒をアルミナシリカ系接着材の表面に担持さ
せた通気性の多孔質膜であり、第1電極薄膜22の上部
に約20μmの膜厚で積層されている。
The gas sensing unit 11 includes the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21, the breathable first electrode thin film 22 and the second electrode thin film 23 formed on the same surface of the solid electrolyte thin film 21, and the first electrode thin film 22. Laminated porous porous oxidation catalyst film 24
Composed of. Oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21
Is yttrium oxide 8 mol% and zirconium oxide 92
It is a stabilized zirconia body that is a solid solution of mol%, and has a film thickness of about 2 μm formed by a sputtering method and is laminated on the heat resistant insulating thin film 18. As for the physical properties, the thermal expansion coefficient is 10 × 10 −6 (1 / deg) and the thermal conductivity is 5 W / mK. The first electrode thin film 22 and the second electrode thin film 23 are air-permeable porous thin films of platinum formed by sputtering platinum, and have a film thickness of about 0.5 μm on the same upper surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21. Is formed by. Oxidation catalyst film 24
Is a breathable porous film in which a platinum catalyst is carried on the surface of an alumina-silica adhesive, and is laminated on the first electrode thin film 22 to a thickness of about 20 μm.

【0046】最後に、ガス感受部11の第1電極薄膜2
2および第2電極薄膜23、発熱体10の両端に白金リ
ード線を接続したのち、実装ケースに収納してガスセン
サ素子9は完成である。発熱体10は、接続した白金リ
ード線を介して電力パルス供給手段12と電気的に導通
しており、電圧電流の印加で加熱されるとともに、この
発熱体10の加熱でガス感受部11から発せられるセン
サ出力は、センサ出力検出手段13で測定する様にし
た。
Finally, the first electrode thin film 2 of the gas sensing section 11
After the platinum lead wires are connected to both ends of the second and second electrode thin films 23 and the heating element 10, they are housed in a mounting case to complete the gas sensor element 9. The heating element 10 is electrically connected to the power pulse supply means 12 through the connected platinum lead wire, is heated by the application of a voltage and current, and is heated by the heating element 10 to be emitted from the gas sensing section 11. The sensor output is measured by the sensor output detecting means 13.

【0047】上記構成のガス感受部11は固体電解質型
と称されており、その一酸化炭素ガスの検知メカニズム
を説明する。まず、ガスセンサ素子11は、発熱体10
より400℃まで加熱させる。酸化触媒膜24の表面で
は、一酸化炭素ガスはその触媒作用で酸素ガスと反応し
て二酸化炭素ガスとなり消耗して無くなるが、酸素濃度
はその濃度が圧倒的に高いため略雰囲気濃度のままで第
1電極薄膜22に到達する。一方、他方の第2電極薄膜
23の表面では、その触媒作用で一酸化炭素ガスと酸素
ガスが反応して二酸化炭素ガスとなり、表面における酸
素ガス濃度が減少する。このため、酸素濃度に着目する
と、第1電極薄膜22側の方が第2電極薄膜23より高
濃度となり、第1電極薄膜22側より第2電極薄膜23
に向かって、酸素ガスが酸素イオン導電性固体電解質薄
膜21の中を酸素イオンとなって移動し、この酸素移動
によって起電力が発生する。この起電力がセンサ出力で
あり、一酸化炭素ガス濃度の対数値に略比例した値が得
られる。
The gas sensing portion 11 having the above structure is called a solid electrolyte type, and the mechanism of detecting the carbon monoxide gas will be described. First, the gas sensor element 11 includes the heating element 10
Heat to 400 ° C. On the surface of the oxidation catalyst film 24, carbon monoxide gas reacts with oxygen gas due to its catalytic action to become carbon dioxide gas and is consumed and disappears, but the oxygen concentration remains almost atmospheric because it is overwhelmingly high. The first electrode thin film 22 is reached. On the other hand, on the surface of the other second electrode thin film 23, the carbon monoxide gas and the oxygen gas react with each other by the catalytic action to become carbon dioxide gas, and the oxygen gas concentration on the surface decreases. Therefore, focusing on the oxygen concentration, the concentration on the first electrode thin film 22 side becomes higher than that on the second electrode thin film 23, and the second electrode thin film 23 side from the first electrode thin film 22 side.
The oxygen gas moves toward the inside of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21 as oxygen ions, and an electromotive force is generated by this oxygen transfer. This electromotive force is the sensor output, and a value approximately proportional to the logarithmic value of the carbon monoxide gas concentration is obtained.

【0048】本実施例の効果の判定を行った。効果は、
直流電圧電流を印加して発熱体10を動作温度400℃
まで10ミリ秒で上昇させたのち電源を切るパルス電力
供給を継続的に行なった際の、ガス感受部11から得ら
れるセンサ出力の過渡変化を測定し、安定したセンサ出
力が得られ始める経過時間(安定時間と称す)の大小で
行なった。その結果を(表1)に示す。
The effect of this example was judged. The effect is
Applying a DC voltage current to heat the heating element 10 at an operating temperature of 400 ° C.
Elapsed time after measuring the transient change of the sensor output obtained from the gas sensing unit 11 when the pulse power supply is continuously turned off It was carried out according to the size of (stability time). The results are shown in (Table 1).

【0049】本実施例は、スタートからの15分間は、
5秒間隔でパルスを供給し、15分経過後は30秒間隔
でパルスを供給している。このことは、所定時間(I)
を15分、間隔(B)を5秒、間隔(A)を30秒とし
たことを意味する。
In this embodiment, 15 minutes from the start,
Pulses are supplied at 5 second intervals, and after 15 minutes, pulses are supplied at 30 second intervals. This is the predetermined time (I)
Is 15 minutes, the interval (B) is 5 seconds, and the interval (A) is 30 seconds.

【0050】従来例は、スタートから常に30秒間隔で
パルスを供給している。
In the conventional example, pulses are always supplied at intervals of 30 seconds from the start.

【0051】本実施例は、センサ出力が10分で安定
し、従来法の120分と比較して短くなっていることが
わかる。
It can be seen that in this embodiment, the sensor output is stable in 10 minutes and is shorter than 120 minutes in the conventional method.

【0052】[0052]

【表1】 [Table 1]

【0053】次に、本発明のガスセンサ素子9に用いる
発熱体10やガス感受部11の材料組成の検討を行っ
た。
Next, the material composition of the heating element 10 and the gas sensing portion 11 used in the gas sensor element 9 of the present invention was examined.

【0054】発熱体10は、少量のロジウムやパラジウ
ム等が20重量%以下で混合され白金の残部(80重量
%以上)の白金系金属、酸化ルテニウムを主成分とした
金属酸化物、酸化ジルコニウムを主成分とした金属酸化
物、ケイ化モリブデンを主成分とした無機材料、クロム
を10〜25%含有し残部大半がニッケルであるニッケ
ルクロム系合金、クロムを10〜30%含有し必要に応
じてアルミニウムを1〜8%添加する場合も有り残部大
半が鉄である鉄クロム系合金などの発熱材料が有効であ
る。
The heating element 10 contains a small amount of rhodium, palladium or the like mixed in an amount of 20% by weight or less and the balance of platinum (80% by weight or more), a platinum-based metal, a metal oxide containing ruthenium oxide as a main component, and zirconium oxide. A metal oxide as a main component, an inorganic material containing molybdenum silicide as a main component, a nickel-chromium alloy containing 10 to 25% of chromium and most of the balance nickel, and containing 10 to 30% of chromium as necessary. There is a case where 1 to 8% of aluminum is added, and a heat-generating material such as an iron-chromium alloy in which most of the balance is iron is effective.

【0055】そして、これら発熱材料の下部にさらに、
その膜厚を薄くしたチタンもしくはジルコニウムまたは
クロムの少なくとも1種の材料を主成分とする金属ヒー
タ補助微薄膜を敷いた積層構造の発熱体10とすると、
発熱材料だけの単独構造の発熱体と比較して、その抵抗
変化率が1/(100〜500)に減少し、優れた耐久
性を示した。そして、これら発熱材料の中で特に、白金
および白金系金属は、その下に金属ヒータ補助微薄膜を
敷く積層型組み合わせにおいて、最も優れた耐久性を持
っており、パルス通電用として最適であった。
Then, further below the heat generating material,
When the heating element 10 has a laminated structure in which a metal heater auxiliary thin film containing at least one material of titanium, zirconium, or chromium whose thickness is reduced is used as a main component,
The resistance change rate was reduced to 1 / (100 to 500) as compared with a heating element having a single structure of only a heating material, and excellent durability was exhibited. Of these exothermic materials, platinum and platinum-based metals have the most excellent durability in the laminated combination in which the metal heater auxiliary thin film is laid under them, and are most suitable for pulse current application. .

【0056】ガス感受部11は、酸化スズや酸化鉄さら
に酸化タングステンなどの金属酸化物半導体膜、固体電
解質型ガス感受部が有効である。ガス感受部11が固体
電解質型の場合、酸素イオン導電性固体電解質薄膜は、
酸化イットリウム3モル%と酸化ジルコニウム97モル
%の部分安定化ジルコニア体に代表される各種ジルコニ
ア系酸素イオン導電性固体電解質やセリア系酸素イオン
導電性固体電解質のスパッタ膜、蒸着膜、ゾルゲル膜が
有効である。
As the gas sensing portion 11, a metal oxide semiconductor film of tin oxide, iron oxide, tungsten oxide or the like, or a solid electrolyte type gas sensing portion is effective. When the gas sensing unit 11 is a solid electrolyte type, the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is
Sputtered films, deposited films, and sol-gel films of various zirconia-based oxygen ion conductive solid electrolytes and ceria-based oxygen ion conductive solid electrolytes represented by partially stabilized zirconia bodies of 3 mol% yttrium oxide and 97 mol% zirconium oxide are effective. Is.

【0057】またこれに用いる第1電極薄膜および第2
電極薄膜は、白金や金などの貴金属、ペロブスカイト型
構造の酸素イオン導電性金属酸化物の、通気性印刷膜も
しくはスパッタ膜もしくは蒸着膜が有効である。一方、
第1電極薄膜に積層する酸化触媒膜は、結晶化硝子など
の無機接着材に白金等の貴金属もしくは金属酸化物を混
合させた通気性多孔質膜が有効である。また、第1電極
膜は酸化触媒特性に優れた電極膜とし、第2電極膜は第
1電極膜より酸化触媒特性に劣る電極膜であるとした、
酸化触媒膜を用いない固体電解質型ガス感受部も有効で
あった。
The first electrode thin film and the second electrode thin film used for this
As the electrode thin film, a breathable printed film, a sputtered film, or a deposited film of a noble metal such as platinum or gold or an oxygen ion conductive metal oxide having a perovskite structure is effective. on the other hand,
As the oxidation catalyst film laminated on the first electrode thin film, a gas permeable porous film in which an inorganic adhesive such as crystallized glass is mixed with a noble metal such as platinum or a metal oxide is effective. Further, the first electrode film is an electrode film having an excellent oxidation catalyst property, and the second electrode film is an electrode film having an oxidation catalyst property inferior to the first electrode film.
A solid electrolyte type gas sensing unit without using an oxidation catalyst film was also effective.

【0058】絶縁性耐熱基板17は、硝子材、表面に結
晶化硝子膜を配置した耐熱基板、アルミナや窒化珪素な
どのセラミック板が有効であった。パルス通電における
消費電力量は、これら絶縁性耐熱基板17の中で硝子材
が最も小さく、表面に結晶化硝子膜を配置した耐熱基
板、セラミック板の順にその値が大きくなった。これ
は、絶縁性耐熱基板17の材料の熱伝導率と相関があ
り、熱伝導率が小さい硝子材ほど絶縁性耐熱基板17が
加熱されにくいので消費電力量が小さく、熱伝導率が大
きいセラミック板ほど絶縁性耐熱基板17が多く加熱さ
れるので消費電力量が大きい傾向にあった。また、硝子
材の中で石英硝子は、耐熱性に優れており、しかも熱伝
導率および熱膨張係数が最も小さい理由から消費電力量
が最も小さのでパルス通電用の絶縁性耐熱基板17とし
て最適であった。
As the insulating heat-resistant substrate 17, a glass material, a heat-resistant substrate having a crystallized glass film arranged on the surface, or a ceramic plate made of alumina, silicon nitride or the like was effective. Among the insulating heat resistant substrates 17, the glass member had the smallest power consumption during pulsed current application, and the heat resistant substrate having the crystallized glass film on the surface and the ceramic plate had the highest values in this order. This has a correlation with the thermal conductivity of the material of the insulating heat-resistant substrate 17, and the insulating heat-resistant substrate 17 is less likely to be heated by a glass material having a smaller thermal conductivity, so that the power consumption is small and the ceramic plate having a large thermal conductivity is used. Since the insulating heat resistant substrate 17 is heated more, the power consumption tends to be larger. Among the glass materials, quartz glass has excellent heat resistance, and because it has the smallest thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, it consumes the least amount of electricity and is therefore most suitable as the insulating heat-resistant substrate 17 for pulse energization. there were.

【0059】そしてさらに石英硝子の上部に、前述の金
属ヒータ補助微薄膜と白金系金属とを積層した発熱体1
0は、抵抗安定性に優れており最も優れた耐久性を示し
た。
A heating element 1 in which the above-mentioned metal heater auxiliary thin film and a platinum-based metal are further laminated on top of quartz glass
0 was excellent in resistance stability and showed the most excellent durability.

【0060】耐熱絶縁性薄膜18は、アルミナや窒化珪
素などのセラミックおよび硝子の印刷膜、スパッタ膜、
蒸着膜、ゾルゲル膜が有効である。
The heat-resistant insulating thin film 18 is a printed film of ceramics such as alumina or silicon nitride and glass, a sputtered film,
Evaporated film and sol-gel film are effective.

【0061】(実施例2)図3は、本発明の第2実施例
であるガス濃度検出装置の構成図と処理の流れを示すフ
ローチャートであり、図3(a)は構成図、図3(b)
は処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 2) FIG. 3 is a configuration diagram of a gas concentration detection device according to a second embodiment of the present invention and a flow chart showing the flow of processing. FIG. 3 (a) is a configuration diagram and FIG. b)
Is a flow chart showing the flow of processing.

【0062】図3(a)の構成図において、図1(a)
と異なる点は、コントローラ14に、センサ出力の異常
有無を判断するセンサ出力異常判断手段25と、電力パ
ルス経過時間計測手段で計測された経過時間が所定時間
(I)以上で所定時間(II)未満でありセンサ出力異常
判断手段25でセンサ出力が異常と判断された場合に電
力パルス供給手段12のパルス電力を間隔(A)より短
い間隔(C)で供給する制御を行なう異常時対応電力供
給手段26とを、さらに備えたことである。
In the configuration diagram of FIG. 3A, FIG.
The difference is that the controller 14 has a sensor output abnormality determining means 25 for determining whether or not there is an abnormality in the sensor output, and the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means is a predetermined time (I) or more and a predetermined time (II). When the sensor output abnormality determining means 25 determines that the sensor output is abnormal, the pulse power of the power pulse supplying means 12 is controlled at an interval (C) shorter than the interval (A). And means 26.

【0063】図3(b)のフローチャートは、図1
(b)からの処理流れを受けたものである。所定時間
(I)を過ぎるとセンサ出力の検出がなされ、センサ出
力が正常ならパルス電力が間隔(A)で間欠的に供給さ
れるが、異常なら異常時対応電力供給手段26がパルス
電力を間隔(C)で間欠的に供給する制御指令を出す。
この処理流れは、所定時間(II)になるまで繰り返され
る。
The flowchart of FIG. 3B is the same as that of FIG.
The processing flow from (b) is received. When a predetermined time (I) has passed, the sensor output is detected, and if the sensor output is normal, the pulse power is intermittently supplied at intervals (A), but if the sensor output is abnormal, the power supply means 26 for abnormal time intervals provides the pulse power. In (C), a control command to be intermittently supplied is issued.
This processing flow is repeated until the predetermined time (II) is reached.

【0064】センサ出力の異常有無の判断は、次の様に
して行なった。センサ出力は、所定時間(I)を経過す
ると安定した出力値を示す性質が有る。そこで、一酸化
炭素が全く含まれない一般大気に曝した場合に、得られ
る安定出力値を予め測定しておき、その値を出力異常判
断手段25に記憶させておく。この安定出力値は、バラ
ツキを考慮して許容幅を持たせておき、上限安定出力値
と下限出力値で記憶させる。そして、所定時間(I)を
過ぎた時点でセンサ出力の測定を行ない、得られるセン
サ出力値と予め記憶させた安定出力値との比較で、異常
有無の判断を行なった。つまり、得られるセンサ出力値
と予め記憶させた安定出力値が、バラツキを考慮して一
致した場合は正常、バラツキを考慮しても異なる場合は
異常と判断する訳である。
Whether or not the sensor output is abnormal was determined as follows. The sensor output has a property of showing a stable output value after a predetermined time (I) has elapsed. Therefore, the stable output value obtained when exposed to the general atmosphere containing no carbon monoxide is measured in advance and stored in the output abnormality determining means 25. This stable output value has an allowable range in consideration of variations, and is stored as an upper limit stable output value and a lower limit output value. Then, the sensor output was measured at the time when the predetermined time (I) had passed, and the presence or absence of abnormality was determined by comparing the obtained sensor output value with the previously stored stable output value. That is, when the obtained sensor output value and the stable output value stored in advance match in consideration of variations, it is determined to be normal, and when they differ even in consideration of variation, it is determined to be abnormal.

【0065】パルス供給開始からの経過時間が所定時間
(I)以上で(II)未満の時点でセンサ出力が異常と判
断されることは、何らかの原因でガスセンサ素子は、充
分なるエイジング処理がなされず、センサ出力が安定し
ていないことを意味する。本発明は、この場合には異常
時対応電力供給手段26が発熱体10にパルス電力を短
い間隔(C)で供給するので、エイジング処理が加速し
て行なわれる。その結果、ガスセンサ素子9は短時間で
その安定化がなされ、短時間に一層検出精度の高いガス
濃度検出装置が得られる。
The fact that the sensor output is judged to be abnormal when the elapsed time from the start of pulse supply is more than the predetermined time (I) and less than (II) means that the gas sensor element is not sufficiently aged for some reason. , It means that the sensor output is not stable. In the present invention, in this case, since the power supply means 26 for dealing with an abnormality supplies the pulse power to the heating element 10 at short intervals (C), the aging process is accelerated. As a result, the gas sensor element 9 is stabilized in a short time, and a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained in a short time.

【0066】(実施例3)図4は、本発明の第3実施例
であるガス濃度検出装置の構成図と処理の流れを示すフ
ローチャートであり、図4(a)は構成図、図4(b)
は処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 3) FIG. 4 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a third embodiment of the present invention and a flow chart showing the flow of processing. FIG. 4 (a) is a configuration diagram and FIG. b)
Is a flow chart showing the flow of processing.

【0067】図4の構成図において、図3と異なる点
は、コントローラ14に緊急パルス供給手段27をさら
に備えた点である。緊急パルス供給手段27は、電力パ
ルス経過時間計測手段15で計測された経過時間が所定
時間(II)に到達した時点で、センサ出力異常判断手段
25がセンサ出力を異常と判断した場合には、電力パル
ス供給手段12に発熱体10の間隔(B)での再起動を
行なわせる様にしている。
The configuration of FIG. 4 differs from that of FIG. 3 in that the controller 14 is further provided with an emergency pulse supply means 27. When the sensor output abnormality determining means 25 determines that the sensor output is abnormal when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means 15 reaches the predetermined time (II), the emergency pulse supplying means 27 The power pulse supply means 12 is adapted to restart the heating element 10 at the interval (B).

【0068】図4(b)のフローチャートは、図3
(b)からの処理流れを受けたものである。所定時間
(II)に到達した時点で、センサ出力が異常なら間隔
(B)でパルスの再起動がなされ、センサ出力が正常な
ら間隔(A)でのパルス電力がさらに継続して供給され
る。なお、センサ出力の異常有無の判断方法は、前述と
同じである。
The flowchart of FIG. 4B is the same as that of FIG.
The processing flow from (b) is received. When the predetermined time (II) is reached, if the sensor output is abnormal, the pulse is restarted at the interval (B), and if the sensor output is normal, the pulse power at the interval (A) is further continuously supplied. The method for determining whether or not the sensor output is abnormal is the same as described above.

【0069】パルス供給開始からの経過時間が所定時間
(II)の時点で、センサ出力が異常と判断されること
は、何らかの原因で、センサ出力が安定していないこと
を意味する。この場合には緊急パルス供給手段27が、
電力パルス供給手段12に発熱体10の再起動を行なわ
せる制御指令を出すので、ガスセンサ素子9は、エイジ
ング処理が再度なされ、センサ出力の安定化が再度試み
られる。その結果、一層検出精度の高いガス濃度検出装
置が得られる。
The fact that the sensor output is judged to be abnormal when the elapsed time from the start of pulse supply is the predetermined time (II) means that the sensor output is not stable for some reason. In this case, the emergency pulse supply means 27
Since the power pulse supply means 12 issues a control command to restart the heating element 10, the gas sensor element 9 is again subjected to the aging process, and the stabilization of the sensor output is tried again. As a result, a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained.

【0070】(実施例4)図5は、本発明の第4実施例
であるガス濃度検出装置の構成図と処理の流れを示すフ
ローチャートであり、図5(a)は構成図、図5(b)
は処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 4) FIG. 5 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a fourth embodiment of the present invention and a flow chart showing the flow of processing. FIG. 5 (a) is a configuration diagram and FIG. b)
Is a flow chart showing the flow of processing.

【0071】図5の構成図において、図4と異なる点
は、緊急パルス供給手段27が複数回作動すると、警報
28を発する様にした点である。
The configuration of FIG. 5 differs from that of FIG. 4 in that an alarm 28 is issued when the emergency pulse supply means 27 operates a plurality of times.

【0072】図5(b)のフローチャートは、図4
(b)からの処理流れを受けたものである。所定時間
(II)に到達した時点で、センサ出力が異常なら間隔
(B)でパルスの再起動がなされるが、このパルス再起
動が複数回なされると、警報28を発する。
The flowchart of FIG. 5 (b) is shown in FIG.
The processing flow from (b) is received. When the sensor output is abnormal when the predetermined time (II) is reached, the pulse is restarted at the interval (B). When the pulse restart is performed a plurality of times, the alarm 28 is issued.

【0073】緊急パルス供給手段27が複数回作動する
ことは、何らかの原因で、ガスセンサ素子9が劣化した
ことを意味する。この場合には警報28を発するので、
ガスセンサ素子9の劣化がわかり、一層検出精度の高い
ガス濃度検出装置が得られる。
The fact that the emergency pulse supply means 27 operates a plurality of times means that the gas sensor element 9 has deteriorated for some reason. In this case, the alarm 28 is issued,
The deterioration of the gas sensor element 9 can be seen, and a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained.

【0074】(実施例5)図6は、本発明の第5実施例
であるガス濃度検出装置の構成図と処理の流れを示すフ
ローチャートであり、図6(a)は構成図、図6(b)
は処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 5) FIG. 6 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a fifth embodiment of the present invention and a flow chart showing the flow of processing. FIG. 6 (a) is a configuration diagram and FIG. b)
Is a flow chart showing the flow of processing.

【0075】図6の構成図において、図4と異なる点
は、コントローラ11にガス検知時パルス供給手段29
をさらに備えた点である。ガス検知時パルス供給手段2
9は、電力パルス経過時間計測手段15で計測された経
過時間が所定時間(II)を超えており、センサ出力異常
判断手段25がセンサ出力を閾値以内において異常と判
断した場合には、電力パルス供給手段12にパルス電力
を短い間隔(D)で供給する制御を行なわせる構成とし
た様にしている。
The configuration of FIG. 6 differs from that of FIG. 4 in that the controller 11 is provided with a gas detection time pulse supply means 29.
Is a point that is further equipped. Gas supply pulse supply means 2
9 is the power pulse when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means 15 exceeds the predetermined time (II) and the sensor output abnormality determining means 25 determines that the sensor output is abnormal within the threshold value. The supply means 12 is configured to control the supply of pulse power at short intervals (D).

【0076】図6(b)のフローチャートは、図4
(b)からの処理流れを受けたものである。所定時間
(II)を超えると、センサ出力が閾値出力以内に有るか
否かの判断がされ、閾値出力以内に有りしかもセンサ出
力が異常と判断されると、間隔(D)でパルス電力が間
欠的に供給される。一方、センサ出力が閾値出力以内に
有りしかもセンサ出力が正常と判断されると、間隔
(A)でのパルス電力がさらに継続して供給される。こ
のサイクルは、繰り返し行なわれ、このことでガス濃度
の増加が正確に判明する。
The flow chart of FIG. 6B is shown in FIG.
The processing flow from (b) is received. When the predetermined time (II) is exceeded, it is determined whether or not the sensor output is within the threshold output, and if the sensor output is within the threshold output and the sensor output is abnormal, the pulse power is intermittent at intervals (D). Is supplied in a regular manner. On the other hand, if the sensor output is within the threshold output and it is determined that the sensor output is normal, the pulse power in the interval (A) is further continuously supplied. This cycle is repeated so that the increase in gas concentration can be determined exactly.

【0077】センサ出力が閾値出力以内に有るか否かの
判断は、次の様にして行なった。センサ出力は、所定時
間(II)を経過すると安定した出力値となり、一酸化炭
素濃度が増加するとセンサ出力はそれに対応した変化を
示す。そこで、一般的に危険と考えられる一酸化炭素濃
度を例えば500ppmと考え、この一酸化炭素500ppm
混入大気中に曝した場合でのセンサ出力と、一酸化炭素
が全く含まれない一般大気に曝した場合でのセンサ出力
を予め測定しておく。この各々の雰囲気での上限出力値
と下限出力値を閾値出力として取り扱い、出力異常判断
手段25に記憶させておく。
The judgment as to whether or not the sensor output is within the threshold output is made as follows. The sensor output becomes a stable output value after a lapse of a predetermined time (II), and when the carbon monoxide concentration increases, the sensor output shows a corresponding change. Therefore, the concentration of carbon monoxide, which is generally considered to be dangerous, is considered to be, for example, 500 ppm, and this carbon monoxide is 500 ppm.
The sensor output when exposed to mixed air and the sensor output when exposed to general air that does not contain carbon monoxide at all are measured in advance. The upper limit output value and the lower limit output value in each atmosphere are treated as threshold output and stored in the output abnormality determining means 25.

【0078】そして、所定時間(II)を過ぎた時点で測
定されるセンサ出力と、予め記憶させた閾値出力とを比
較し、閾値出力以内に有るか否かの判断を行なう。得ら
れるセンサ出力値が、予め記憶させた閾値出力以内に有
ることは、大気中の一酸化炭素濃度は0ppm以上で50
0ppm以下のいずれかの濃度内にあると考えられる。
Then, the sensor output measured at the time when the predetermined time (II) has passed is compared with the threshold output stored in advance, and it is determined whether or not it is within the threshold output. If the obtained sensor output value is within the threshold output value stored in advance, it means that the concentration of carbon monoxide in the atmosphere is 0 ppm or more and 50
It is considered to be within any concentration of 0 ppm or less.

【0079】一方、得られるセンサ出力値が、予め記憶
させた閾値出力以外に有ることは、大気中の一酸化炭素
濃度が500ppm以上であることであるが、急激にこの
濃度まで上昇することは実用上全く考えられず、例えば
50ppmといった途中濃度を必ず経て濃度上昇するはず
である。そこで、判断に困るこの事態は、何らかの原因
で、ガスセンサ素子が安定化しなかったと考えられる。
On the other hand, the fact that the obtained sensor output value is other than the threshold value output stored in advance means that the concentration of carbon monoxide in the atmosphere is 500 ppm or more. However, it does not increase rapidly to this concentration. It is practically unthinkable, and the concentration should increase after passing through the intermediate concentration of 50 ppm, for example. Therefore, it is conceivable that the gas sensor element did not stabilize for some reason in this situation that is difficult to judge.

【0080】センサ出力が正常か異常かの判断は、次の
様にして行なった。一般的に注意を要すると考えられる
一酸化炭素濃度を例えば50ppmと考え、この一酸化炭
素50ppm混入大気中に曝した場合でのセンサ出力を予
め測定しておく。この50ppm雰囲気でのセンサ出力値
を注意出力として取り扱い、出力異常判断手段25に記
憶させておく。そして、所定時間(II)を過ぎた時点で
測定されるセンサ出力と、予め記憶させた注意出力とを
比較し、注意出力以内に有るか否かの判断を行なう。得
られるセンサ出力値が、予め記憶させた注意出力以内に
有ることは、大気中の一酸化炭素濃度は0ppm以上で5
0ppm以下のいずれかの濃度内にあることを意味するの
で、正常と判断する。
The judgment as to whether the sensor output is normal or abnormal was made as follows. The carbon monoxide concentration, which is generally considered to require attention, is considered to be, for example, 50 ppm, and the sensor output when exposed to the atmosphere containing this carbon monoxide of 50 ppm is measured in advance. The sensor output value in the 50 ppm atmosphere is handled as a caution output and stored in the output abnormality judging means 25. Then, the sensor output measured when the predetermined time (II) has passed is compared with the pre-stored caution output, and it is determined whether or not the output is within the caution output. If the obtained sensor output value is within the caution output stored in advance, it means that the concentration of carbon monoxide in the atmosphere is 5 ppm or more.
Since it means that the concentration is within 0 ppm or less, it is judged to be normal.

【0081】一方、得られるセンサ出力値が、予め記憶
させた注意出力以外に有ることは、大気中の一酸化炭素
濃度が50ppm以上であることを意味するので、異常と
判断する。
On the other hand, if the obtained sensor output value is other than the caution output stored in advance, it means that the concentration of carbon monoxide in the atmosphere is 50 ppm or more, and therefore it is determined to be abnormal.

【0082】さて、経過時間が所定時間(II)以上の場
合において、センサ出力異常判断手段がセンサ出力を閾
値出力以内において異常と判断することは、上記の様に
例えば50ppm以上と言った高濃度のガスが存在するこ
とを意味する。この場合にはガス検知時パルス供給手段
が発熱体にパルス電力を短い間隔(D)で供給するの
で、刻々と変化するガス濃度の挙動を精度良く検知で
き、一層検出精度の高いガス濃度検出装置が得られる。
When the elapsed time is equal to or longer than the predetermined time (II), the sensor output abnormality determining means determines that the sensor output is abnormal within the threshold output, as described above. Means that gas is present. In this case, since the pulse supply means at the time of gas detection supplies pulse power to the heating element at short intervals (D), it is possible to accurately detect the behavior of the gas concentration that changes moment by moment, and the gas concentration detection device with higher detection accuracy. Is obtained.

【0083】(実施例6)第6実施例のガス濃度検出装
置は、その構成図を図6(a)に、その処理の流れを示
すフローチャートを図6(b)に示す。第5実施例と異
なる点は、電力パルス経過時間計測手段15で計測され
た経過時間が所定時間(II)以上において、センサ出力
異常判断手段25が予め決めた閾値出力を越えてセンサ
出力を異常と判断した場合に、電力パルス供給手段12
に間隔(B)で発熱体10の再起動を行なわせるように
した点である。
(Sixth Embodiment) A gas concentration detecting apparatus according to a sixth embodiment is shown in the block diagram of FIG. 6 (a) and in the flow chart of its processing in FIG. 6 (b). The difference from the fifth embodiment is that when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measuring means 15 is a predetermined time (II) or more, the sensor output abnormality determining means 25 exceeds a predetermined threshold output and abnormally outputs the sensor output. If it is determined that the power pulse supply means 12
The point is that the heating element 10 is restarted at the interval (B).

【0084】前述の第5実施例に記載した様に、得られ
るセンサ出力値が、予め記憶させた閾値出力以外に有る
ことは、例えば大気中の一酸化炭素濃度が500ppm以
上存在することである。しかしながら、急激にこの濃度
まで濃度上昇することは実用上全く考えられず、例えば
50ppmといった途中濃度を必ず経て濃度上昇するはず
である。
As described in the fifth embodiment, the fact that the obtained sensor output value is other than the threshold output stored in advance means that the carbon monoxide concentration in the atmosphere is 500 ppm or more. . However, it is practically unthinkable that the concentration rapidly increases to this concentration, and the concentration should definitely increase after passing through an intermediate concentration of 50 ppm, for example.

【0085】しかしながら、この場合は必ず前述の第5
実施例でその異常が判断されるはずであり、判断に困る
この事態は、何らかの原因でガスセンサ素子が安定化し
なかったことを考えられる。なお、得られるセンサ出力
値が、予め記憶させた閾値出力以外に有ることは、大気
中の一酸化炭素濃度がマイナス数百ppm存在することも
想定されるが、判断に困るこの想定は、何らかの原因で
ガスセンサ素子が安定化しなかったことを考えられる。
However, in this case, the above-mentioned fifth
The abnormality should be judged in the embodiment, and this situation which is difficult to judge is considered that the gas sensor element was not stabilized for some reason. It should be noted that if the obtained sensor output value is other than the threshold output stored in advance, it is assumed that the concentration of carbon monoxide in the atmosphere is minus several hundred ppm, but this assumption that is difficult to judge is It is considered that the gas sensor element did not stabilize due to the cause.

【0086】さて、経過時間が所定時間(II)以上の場
合においてセンサ出力異常判断手段が閾値出力を越えて
センサ出力を異常と判断することは、何らかの原因で、
ガスセンサ素子が安定化しなかったことを意味する。こ
の場合には、電力パルス供給手段が発熱体の再起動を行
ない、ガスセンサ素子のエイジング処理が再度なされ、
センサ出力の安定化が再度試みられる。その結果、一層
検出精度の高いガス濃度検出装置が得られる。
When the elapsed time is equal to or longer than the predetermined time (II), the sensor output abnormality determining means exceeds the threshold output and determines that the sensor output is abnormal for some reason.
This means that the gas sensor element was not stabilized. In this case, the power pulse supply means restarts the heating element, and the aging process of the gas sensor element is performed again,
Attempt to stabilize the sensor output again. As a result, a gas concentration detection device with higher detection accuracy can be obtained.

【0087】(実施例7)実施例7からは、ガスセンサ
素子の構造とその材質について検討した。その構図は、
前述の図2に記載した通りである。
(Example 7) From Example 7, the structure and material of the gas sensor element were examined. The composition is
This is as described in FIG. 2 above.

【0088】実施例7は、発熱体10の材質について検
討した結果である。
Example 7 is the result of examining the material of the heating element 10.

【0089】検討は、石英硝子の絶縁性耐熱基板17を
用いその表面上部に、構成および材質の異なる発熱体1
0を形成した後さらにその上部に、石英硝子からなる耐
熱絶縁性薄膜18を積層して、最後に、前述実施例1の
固体電解質型のガス感受部11を積層してガスセンサ素
子9としている。
The examination was carried out by using an insulating heat-resistant substrate 17 made of quartz glass, and heating elements 1 of different constitutions and materials on the upper surface thereof.
After forming 0, a heat-resistant insulating thin film 18 made of quartz glass is further laminated thereon, and finally, the solid-electrolyte type gas sensing portion 11 of the first embodiment is laminated to form the gas sensor element 9.

【0090】本実施例1の発熱体10は、膜厚0.5μ
mの白金からなるヒータ主薄膜20と、このヒータ主薄
膜の下部に配置された膜厚0.005μmのチタンから
なる金属ヒータ補助微薄膜19で構成されている。
The heating element 10 of Example 1 has a film thickness of 0.5 μm.
A heater main thin film 20 made of platinum of m and a metal heater auxiliary thin film 19 made of titanium having a film thickness of 0.005 μm, which is arranged under the heater main thin film.

【0091】本実施例2の発熱体10は、膜厚0.5μ
mの白金からなるヒータ主薄膜20と、このヒータ主薄
膜の下部に配置された膜厚0.005μmのジルコニウ
ムからなる金属ヒータ補助微薄膜19で構成されてい
る。
The heating element 10 of the second embodiment has a film thickness of 0.5 μm.
The heater main thin film 20 is made of platinum of m, and the metal heater auxiliary thin film 19 of zirconium having a thickness of 0.005 μm is disposed below the heater main thin film.

【0092】本実施例3の発熱体は、膜厚0.5μmの
白金からなるヒータ主薄膜20と、このヒータ主薄膜の
下部に配置された膜厚0.005μmのクロムからなる
金属ヒータ補助微薄膜19で構成されている。
The heating element of the third embodiment comprises a heater main thin film 20 made of platinum having a film thickness of 0.5 μm, and a metal heater auxiliary fine layer made of chromium having a film thickness of 0.005 μm arranged under the heater main thin film. It is composed of a thin film 19.

【0093】従来例の発熱体は、膜厚0.5μmの白金
からなるヒータ主薄膜だけである。
The heating element of the conventional example is only the heater main thin film made of platinum and having a film thickness of 0.5 μm.

【0094】各種の発熱体の検討結果を(表2)に示
す。発熱体10の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直
流電圧電流を印加して発熱体10を動作温度400℃ま
で10ミリ秒で上昇させたのち、電源を切るON―OF
F試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
The examination results of various heating elements are shown in (Table 2). The rate of resistance change of the heating element 10 is ON-OF after the DC voltage and current are applied to the terminals of the mounting case to raise the heating element 10 to an operating temperature of 400 ° C. in 10 milliseconds and then the power is turned off.
It is the rate of change in resistance when the F test is performed 100,000 times.

【0095】[0095]

【表2】 [Table 2]

【0096】本実施例1〜3は、白金のヒータ主薄膜
と、白金薄膜より膜厚を薄くしてその下部に配置された
チタンもしくはジルコニウムもしくはクロムより選択し
た少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微
薄膜とで構成された発熱体であり、優れた耐久性を持つ
ことがわかる。この優れた耐久性は、次の理由による。
白金は展性および耐熱性に優れた材料で、チタンやジル
コニウムさらにクロムは接合性に優れ良好な展性を持つ
材料である。これらは積層されると良好に接合して展性
を持つ発熱体が得られ、絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄
膜にも良好に接合する。通電すると、発熱体は短時間に
動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置さ
れた絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜も同時に温度上昇
して熱膨張するのだが、絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄
膜の熱膨張に、積層膜とした発熱体は良好に追随して剥
離や断線を生じることがないためである。
In Examples 1 to 3, the platinum heater main thin film and at least one material selected from titanium, zirconium, or chromium, which is thinner than the platinum thin film and is disposed below the platinum thin film, are the main components. It can be seen that the heating element is composed of a metal heater auxiliary thin film and has excellent durability. This excellent durability is due to the following reasons.
Platinum is a material having excellent malleability and heat resistance, and titanium, zirconium, and chromium are materials having excellent bondability and good malleability. When they are laminated, they are well bonded to each other to obtain a heat generating element having malleability, and they are also well bonded to an insulating heat resistant substrate or a heat resistant insulating thin film. When energized, the heating element heats up to the operating temperature in a short time and thermally expands, and the insulating heat-resistant substrate and heat-resistant insulating thin film arranged above and below it also heat up at the same time and thermally expand. This is because the heat-generating body formed as a laminated film satisfactorily follows the thermal expansion of the substrate and the heat-resistant insulating thin film and does not cause peeling or disconnection.

【0097】また、本実施例1〜3は、その上部のガス
感受部が、耐熱絶縁性薄膜の薄膜を介して発熱体で発生
した熱が効果的に伝達されるので、10ミリ秒のパルス
通電で動作状態となって一酸化炭素ガス濃度が検知可能
となり、その電力量は18mW秒であった。
Further, in Examples 1 to 3, since the heat generated by the heating element is effectively transmitted through the thin film of the heat-resistant insulating thin film to the upper gas sensing portion, a pulse of 10 milliseconds is used. When energized, the device was activated and the carbon monoxide gas concentration could be detected, and the amount of power was 18 mW seconds.

【0098】ヒータ主薄膜の材質について検討した。ヒ
ータ主薄膜は、白金の80重量%以上に、少量のロジウ
ムやパラジウム等が20重量%以下で混合された白金系
金属が有効であった。
The material of the heater main thin film was examined. For the heater main thin film, a platinum-based metal in which 80% by weight or more of platinum and 20% by weight or less of a small amount of rhodium or palladium were mixed was effective.

【0099】次に、耐久性の優れた発熱体10を得るた
めの最適な膜厚について検討した。チタンもしくはジル
コニウムもしくはクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜
の膜厚は、0.03〜0.002μmが適正であり特に
0.02〜0.003μmは最適であった。その理由
は、金属ヒータ補助微薄膜の膜厚が厚いと、金属ヒータ
補助微薄膜の持つ脆い特性が多く発揮されて脆い接合と
なり高展性の発熱体が得られない、金属ヒータ補助微薄
膜の膜厚が薄いと、接合が出来ず展性を持つ発熱体が得
られないためである。一方、白金からなるヒータ主薄膜
の膜厚は、0.3〜1.0μmが適正であり特に0.4
〜0.7μmは最適であった。その理由は、ヒータ主薄
膜の膜厚が厚いと、抵抗が小さくなり過ぎるため昇温温
度の制御が難しい問題やリード線が発熱と言う新たな課
題が発生すること、ヒータ主薄膜の膜厚が薄いと部分的
に発熱して断線が起こると言う新たな課題が発生するこ
と、である。これら膜厚の関係を整理すると、金属ヒー
タ補助微薄膜の膜厚は、ヒータ主薄膜の膜厚に対して多
くても0.1倍以下が適正で、特に0.004〜0.0
5倍は最適であることがわかる。
Next, the optimum film thickness for obtaining the heating element 10 having excellent durability was examined. The film thickness of the metal heater auxiliary fine thin film made of titanium, zirconium, or chromium is optimally 0.03 to 0.002 μm, and particularly optimally 0.02 to 0.003 μm. The reason is that when the thickness of the metal heater auxiliary thin film is large, the brittle characteristics of the metal heater auxiliary thin film are exerted in many cases, resulting in brittle bonding, and a highly malleable heating element cannot be obtained. This is because if the film thickness is thin, bonding cannot be performed and a malleable heating element cannot be obtained. On the other hand, the proper thickness of the platinum heater main thin film is 0.3 to 1.0 μm, and especially 0.4 to 0.4 μm.
˜0.7 μm was optimal. The reason is that if the thickness of the heater main thin film is too large, the resistance becomes too small, which makes it difficult to control the temperature rise and a new problem that the lead wire generates heat. A new problem arises in that if the thickness is thin, heat will be generated partially and disconnection will occur. From the relationship of these film thicknesses, it is appropriate that the thickness of the metal heater auxiliary thin film is 0.1 times or less as large as the film thickness of the heater main thin film, particularly 0.004 to 0.0
It turns out that 5 times is optimal.

【0100】さらに、耐久性の優れた発熱体10を得る
ための最適な焼成条件について検討した。検討は、石英
硝子の絶縁性耐熱基板17を用いて行った。まずその上
部に、チタンもしくはジルコニウムもしくはクロムから
なる金属ヒータ補助微薄膜19と、白金からなるヒータ
主薄膜20を、順々に積層して発熱体10を形成した。
そしてその上部に、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜1
1を積層し、焼成温度を変えて焼成したサンプルのヒー
タ耐久性を評価した。その結果、発熱体は、600℃以
上で焼成すると抵抗変化率が小さく、優れた耐久特性を
有することが判明した。これは、600℃以上の焼成に
より絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜と良好に接合して
展性を持つ発熱体が得られるためである。特に700〜
1050℃焼成は最も耐久性の優れた発熱体が得られ
た。一方、600℃未満の焼成、例えば550℃焼成
は、絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜と良好に接合しな
いため展性を持つ発熱体が得られにくく、抵抗変化率が
少し大きくなっていた。
Further, optimum firing conditions for obtaining the heating element 10 having excellent durability were examined. The examination was performed using an insulating heat-resistant substrate 17 made of quartz glass. First, a metal heater auxiliary thin film 19 made of titanium, zirconium, or chromium and a heater main thin film 20 made of platinum were sequentially laminated on the upper portion thereof to form the heating element 10.
On top of that, a heat-resistant insulating thin film 1 made of quartz glass
1 was laminated, and the durability of the heater was evaluated for samples fired at different firing temperatures. As a result, it was found that the heating element has a small resistance change rate when fired at 600 ° C. or higher and has excellent durability characteristics. This is because by firing at 600 ° C. or higher, a heat generating element having malleability can be obtained by being well bonded to the insulating heat resistant substrate or the heat resistant insulating thin film. Especially 700 ~
Baking at 1050 ° C. provided a heating element with the highest durability. On the other hand, if the firing temperature is lower than 600 ° C., for example, 550 ° C., it is difficult to obtain a heat generating element having malleability because it does not bond well to the insulating heat resistant substrate or the heat resistant insulating thin film, and the resistance change rate is slightly increased.

【0101】さて、発熱体10の最適焼成温度が600
℃以上であるという結果は、金属ヒータ補助微薄膜とし
て用いるチタンおよびジルコニウムもしくはクロムの材
料物性から得られる結果であり、この材料を使用する限
り、その値は大きく変化しない結果である。この優れた
耐久性を実現する発熱体の最適焼成温度600℃以上を
実現するためには、ガスセンサ素子9を構成する絶縁性
耐熱基板17と耐熱絶縁性薄膜18とガス感受部11
は、この最適焼成温度の下限600℃より充分に余裕の
有る耐熱性が必要であり、その下限耐熱温度を検討した
結果、最適下限焼成温度600℃より少なくとも50℃
高温である、少なくとも650℃を越える耐熱性を必要
であることが判明した。
The optimum firing temperature of the heating element 10 is 600.
The result of not less than 0 ° C. is a result obtained from the physical properties of titanium and zirconium or chromium used as the auxiliary thin film for the metal heater, and the value does not change significantly as long as this material is used. In order to achieve the optimum firing temperature of 600 ° C. or higher for the heating element that achieves this excellent durability, the insulating heat-resistant substrate 17, the heat-resistant insulating thin film 18, and the gas sensing unit 11 that form the gas sensor element 9 are used.
Is required to have heat resistance sufficiently higher than the lower limit of the optimum firing temperature of 600 ° C, and as a result of studying the lower limit of the heatproof temperature, the optimum lower limit of firing temperature of 600 ° C is at least 50 ° C.
It has been found that heat resistance of at least 650 ° C., which is a high temperature, is required.

【0102】なお比較のため、シリコンウエハーの表面
に酸化珪素と窒化珪素とからなる絶縁微薄膜を形成した
絶縁性耐熱基板を使用し、その上部に下部から順々にチ
タンと白金を積層した従来型の発熱体を有するガスセン
サ素子を試作し、前述のON―OFF試験を行ったとこ
ろ、この従来型の発熱体は1万回で断線してしまった。
この原因は、このシリコンウエハー系の基板は、耐熱性
がせいぜい300〜400℃前後であり、センサ製造に
おける600℃の熱付与により、その表面に密着力の乏
しい新たな酸化物を著しく生成させたため、パルス通電
中に発熱体が剥離して断線したためである。このことよ
り以後は、ガスセンサ素子を構成する材料は、少なくと
も650℃を越える耐熱性を必要であるとして検討を進
めた。
For comparison, an insulating heat-resistant substrate in which an insulating thin film made of silicon oxide and silicon nitride is formed on the surface of a silicon wafer is used, and titanium and platinum are laminated on the upper part in order from the lower part. When a gas sensor element having a heating element of the mold was prototyped and the above-mentioned ON-OFF test was conducted, the conventional heating element was broken after 10,000 times.
This is because this silicon wafer-based substrate has a heat resistance of about 300 to 400 ° C. at the most, and the application of heat at 600 ° C. during the sensor production remarkably generated a new oxide having poor adhesion on the surface. The reason is that the heating element was peeled off and disconnected during the pulse energization. From this point of view, after that, it was considered that the material forming the gas sensor element needs to have a heat resistance of at least 650 ° C.

【0103】絶縁性耐熱基板17について検討した。そ
の結果、転移温度720℃で軟化温度900℃で熱膨張
係数6.8×10-6deg-1の物性を有する結晶化硝子
板、この結晶化硝子膜(膜厚70μm)をアルミナ製の
耐熱板の上部に積層した基板、コージェライト基板など
のセラミック基板を用いても、同様のすぐれたヒータ耐
久特性が得られた。また、耐熱絶縁性薄膜18として、
アルミナや窒化珪素などのセラミックおよび各種硝子を
用いても、同様のすぐれたヒータ耐久特性が得られた。
The insulating heat resistant substrate 17 was examined. As a result, a crystallized glass plate having a physical property of a thermal expansion coefficient of 6.8 × 10 −6 deg −1 at a transition temperature of 720 ° C., a softening temperature of 900 ° C., and a crystallized glass film (thickness 70 μm) made of an alumina heat-resistant material. Even when a ceramic substrate such as a substrate laminated on the plate or a cordierite substrate was used, similar excellent heater durability characteristics were obtained. In addition, as the heat-resistant insulating thin film 18,
Even when ceramics such as alumina and silicon nitride and various glasses were used, similar excellent heater durability characteristics were obtained.

【0104】(実施例8)実施例8は、絶縁性耐熱基板
17に用いる硝子の物性について検討した。硝子の基板
は、熱伝導率が非常に小さい絶縁性耐熱基板であるた
め、発熱体で発生した熱が絶縁性耐熱基板に僅かしか伝
達されず、その多くがガス感受部に伝達されので、動作
温度400℃まで少ない電力で到達でき、消費電力量を
低減したガスセンサ素子11が実現できる利点が有る。
しかしながら、硝子は、温度を上昇させるとその熱膨張
係数に従がって一定割合で膨張する際に、或る温度を境
にその体積が急激に膨張する性質がある。この体積が急
激に膨張する温度を転移温度と言い、この体積急激膨張
により、その上部に積層した発熱体10などが損傷され
ることが懸念されるので、この転移温度の影響について
検討した。
(Example 8) In Example 8, the physical properties of the glass used for the insulating heat-resistant substrate 17 were examined. Since the glass substrate is an insulating heat-resistant substrate with a very low thermal conductivity, only a small amount of heat generated by the heating element is transferred to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is transferred to the gas sensing unit. There is an advantage that the gas sensor element 11 that can reach the temperature of 400 ° C. with a small amount of electric power and that has a reduced power consumption can be realized.
However, glass has the property that when the temperature rises, when it expands at a constant rate according to its coefficient of thermal expansion, its volume expands rapidly at a certain temperature. The temperature at which this volume expands rapidly is called the transition temperature, and there is a concern that the heating element 10 or the like laminated on the upper part may be damaged by this volume expansion, so the effect of this transition temperature was examined.

【0105】検討は、材質を異ならしてその転移温度を
変化させた絶縁性耐熱基板17を用いその上部に、クロ
ムからなる金属ヒータ補助微薄膜19と白金からなるヒ
ータ主薄膜20を順々に積層して発熱体10とし、石英
硝子からなる耐熱絶縁性薄膜18をさらに積層して、最
後に、前述の固体電解質型のガス感受部11を積層し、
ガスセンサ素子9とした。
A study was conducted by using an insulating heat-resistant substrate 17 having different transition materials and different transition temperatures, and a metal heater auxiliary thin film 19 made of chromium and a heater main thin film 20 made of platinum were sequentially provided on the insulating heat-resistant substrate 17. A heat-generating body 10 is formed by stacking layers, a heat-resistant insulating thin film 18 made of quartz glass is further stacked, and finally, the solid electrolyte type gas sensing unit 11 is stacked.
The gas sensor element 9 was used.

【0106】図7は、硝子の材質を異ならせて転移温度
を変化させ、発熱体の抵抗変化率を測定したものであ
り、硝子の転移温度と発熱体の抵抗変化率の相関特性で
ある。発熱体10の抵抗変化率は、実装ケースの端子に
直流電圧電流を印加して発熱体10を動作温度400℃
まで10ミリ秒で上昇させたのち、電源を切るON―O
FF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
FIG. 7 shows the change characteristics of the resistance of the heating element measured by changing the transition temperature by changing the material of the glass, and shows the correlation characteristics of the transition temperature of the glass and the resistance changing rate of the heating element. The resistance change rate of the heating element 10 is determined by applying a direct current voltage and current to the terminals of the mounting case to keep the heating element 10 at an operating temperature of 400 ° C.
Up in 10 milliseconds and then turn off the power ON-O
It is the rate of change in resistance when the FF test is performed 100,000 times.

【0107】本実施例の1の絶縁性耐熱基板は、石英硝
子であり、転移温度は1075℃、熱膨張係数は0.5
×10-6(1/deg)である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 1 was made of quartz glass and had a transition temperature of 1075 ° C. and a thermal expansion coefficient of 0.5.
× 10 -6 (1 / deg).

【0108】本実施例の2の絶縁性耐熱基板は、96%
珪酸硝子であり、転移温度は890℃、熱膨張係数は
0.8×10-6で(1/deg)である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 2 was 96%.
It is a silicate glass and has a transition temperature of 890 ° C. and a thermal expansion coefficient of 0.8 × 10 −6 (1 / deg).

【0109】本実施例の3の絶縁性耐熱基板は、硼珪酸
アルミナ硝子であり、転移温度は850℃、熱膨張係数
は1.3×10-6で(1/deg)である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 3 was borosilicate alumina glass and had a transition temperature of 850 ° C. and a thermal expansion coefficient of 1.3 × 10 −6 (1 / deg).

【0110】本実施例の4の絶縁性耐熱基板は、結晶化
硝子であり、転移温度は750℃、熱膨張係数は9.4
×10-6で(1/deg)である。
The insulating heat resistant substrate No. 4 of this example is a crystallized glass, the transition temperature is 750 ° C., and the thermal expansion coefficient is 9.4.
It is (1 / deg) in × 10 −6 .

【0111】本実施例の5の絶縁性耐熱基板は、アルミ
ノ珪酸硝子であり、転移温度は650℃、熱膨張係数は
4.2×10-6で(1/deg)である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 5 was aluminosilicate glass and had a transition temperature of 650 ° C. and a thermal expansion coefficient of 4.2 × 10 −6 (1 / deg).

【0112】比較例の絶縁性耐熱基板は、ソーダ石灰硝
子であり、転移温度は620℃、熱膨張係数は5.2×
10-6で(1/deg)である。
The insulating heat resistant substrate of the comparative example is soda lime glass, the transition temperature is 620 ° C., and the thermal expansion coefficient is 5.2 ×.
It is (1 / deg) at 10 −6 .

【0113】図7よりわかる様に、発熱体の抵抗変化率
は、絶縁性耐熱基板に用いる硝子材の転移温度が、65
0℃を境に変化することがわかる。本発明品は、絶縁性
耐熱基板がその転移温度が650℃を越える硝子材であ
るため、最適下限焼成温度の600℃で発熱体を焼成し
ても、発熱体は絶縁性耐熱基板に良好に接着して優れた
耐久特性が得られる。
As can be seen from FIG. 7, the resistance change rate of the heating element is 65 when the transition temperature of the glass material used for the insulating heat-resistant substrate is 65.
It can be seen that the temperature changes at 0 ° C. Since the insulating heat-resistant substrate of the present invention is a glass material whose transition temperature exceeds 650 ° C., even if the heating element is fired at the optimum lower limit firing temperature of 600 ° C. Bonding gives excellent durability characteristics.

【0114】また、熱伝導率が非常に小さい硝子材の絶
縁性耐熱基板であるので、発熱体で発生した熱は、絶縁
性耐熱基板に僅かしか伝達されず、その多くがガス感受
部に伝達される。そのため、動作温度まで少ない電力で
到達でき、消費電力を一層低減したガス濃度検出装置が
実現できる。またこのことで、発熱体は、消費電力が小
さいので印加される電圧電流値が小さくなり、一層優れ
た耐久特性が得られる効果が生じている。
Further, since it is an insulating heat resistant substrate made of a glass material having a very low thermal conductivity, the heat generated by the heating element is transferred only slightly to the insulating heat resistant substrate, and most of it is transferred to the gas sensing unit. To be done. Therefore, the operating temperature can be reached with a small amount of power, and a gas concentration detection device with further reduced power consumption can be realized. Further, as a result of this, since the heating element consumes less power, the value of applied voltage and current becomes smaller, and the effect of further excellent durability characteristics is obtained.

【0115】一方、620℃の転移温度を有する硝子材
を絶縁性耐熱基板として使用すると、最適下限焼成温度
600℃で発熱体を焼成しても、発熱体が絶縁性耐熱基
板に良好に接着せず幾分の耐久性低下が観察される。こ
れは、硝子材の転移温度620℃が、発熱体の焼成温度
600℃に近い温度であるため、硝子材の転移(急激な
体積変化が起こること)により発熱体の接着が阻害され
るためである。
On the other hand, when a glass material having a transition temperature of 620 ° C. is used as the insulating heat-resistant substrate, the heating element is well bonded to the insulating heat-resistant substrate even if the heating element is fired at the optimum lower firing temperature of 600 ° C. A slight decrease in durability is observed. This is because the glass material transition temperature of 620 ° C. is close to the heating element firing temperature of 600 ° C., and the glass material transition (a sudden volume change) hinders the adhesion of the heating element. is there.

【0116】なお、発熱体10として、白金系のヒータ
主薄膜とその下部に少なくとも配置されたチタンやジル
コニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜を積層した構
成を用いても、同様な効果が得られた。
The same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum-based heater main thin film and a metal heater auxiliary fine thin film of titanium, zirconium, or chrome at least disposed under the platinum-based heater thin film are stacked. It was

【0117】(実施例9)前述の実施例8の結果より、
絶縁性耐熱基板に石英硝子を用いると優れた耐久特性を
持つことがわかる。そこで、実施例9は、絶縁性耐熱基
板に用いる石英硝子の組成について検討した。石英硝子
は、珪酸(SiO2)を主成分とする硝子であるが、水
酸基(OH基と称す)を微量含有する。そこで、水酸基
の含有量を異ならした石英硝子の絶縁性耐熱基板を用
い、その影響の解析を行った。
(Example 9) From the results of Example 8 described above,
It can be seen that when quartz glass is used as the insulating heat resistant substrate, it has excellent durability characteristics. Therefore, in Example 9, the composition of the quartz glass used for the insulating heat-resistant substrate was examined. Quartz glass is a glass whose main component is silicic acid (SiO 2 ), but contains a small amount of hydroxyl groups (referred to as OH groups). Therefore, we analyzed the effect of insulating heat-resistant substrates made of quartz glass with different hydroxyl group contents.

【0118】検討は、水酸基の含有量を異ならした石英
硝子の絶縁性耐熱基板17を用いその表面上部に、クロ
ムからなる金属ヒータ補助微薄膜19と白金からなるヒ
ータ主薄膜20を順々に積層して発熱体10とし、石英
硝子からなる耐熱絶縁性薄膜18をさらに積層して焼成
し、最後に、前述の固体電解質型のガス感受部11を積
層したガスセンサ素子9で行った。
The examination was performed by using an insulating heat-resistant substrate 17 made of quartz glass having different hydroxyl group contents, and sequentially laminating a metal heater auxiliary thin film 19 made of chromium and a heater main thin film 20 made of platinum on the upper surface of the substrate. Then, the heat-generating body 10 was formed, and the heat-resistant insulating thin film 18 made of quartz glass was further laminated and fired. Finally, the gas sensor element 9 in which the solid electrolyte type gas sensing unit 11 was laminated was used.

【0119】本実施例の1の絶縁性耐熱基板は、0.0
1wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全
使用温度は1050℃である。
The insulating heat-resistant substrate of 1 of this example is 0.0
Quartz glass containing 1 wt% of hydroxyl group, and its safe use temperature is 1050 ° C.

【0120】本実施例の2の絶縁性耐熱基板は、0.0
4wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全
使用温度は1000℃である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 2 was 0.0.
Quartz glass containing 4 wt% of hydroxyl groups, and its safe use temperature is 1000 ° C.

【0121】本実施例の3の絶縁性耐熱基板は、0.1
2wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全
使用温度は950℃である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 3 was 0.1.
Quartz glass containing 2 wt% of hydroxyl group, and its safe use temperature is 950 ° C.

【0122】本実施例の4の絶縁性耐熱基板は、0.2
0wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全
使用温度は900℃である。
The insulating heat-resistant substrate of Example 4 was 0.2.
Quartz glass containing 0 wt% of hydroxyl group, and its safe use temperature is 900 ° C.

【0123】比較例2の絶縁性耐熱基板は、0.25w
t%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用
温度は800℃である。
The insulating heat-resistant substrate of Comparative Example 2 has 0.25 w.
Quartz glass containing t% of hydroxyl groups, and its safe use temperature is 800 ° C.

【0124】図8は、石英硝子の水酸基の含有量を変化
させ、発熱体の抵抗変化率を測定したものであり、石英
硝子の水酸基含有量と抵抗変化率の相関特性である。発
熱体の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流
を印加して発熱体を動作温度400℃まで10ミリ秒で
到達させたのち、電源を切るON―OFF試験を10万
回行った際の抵抗変化率である。
FIG. 8 is a graph showing the correlation characteristics between the hydroxyl group content of quartz glass and the resistance change rate, in which the resistance change rate of the heating element is measured by changing the hydroxyl group content of the quartz glass. Regarding the resistance change rate of the heating element, a DC voltage / current was applied to the terminals of the mounting case to allow the heating element to reach an operating temperature of 400 ° C. in 10 milliseconds, and then the power was turned off and an ON-OFF test was performed 100,000 times. This is the rate of change in resistance at that time.

【0125】ヒータの抵抗変化率は、石英硝子に含まれ
る水酸基が0.20wt%を境に変化することがわか
る。本発明品は、石英硝子に含まれる水酸基が0.20
wt%以下であるため、クロムの金属ヒータ補助微薄膜
が石英硝子に良好に接着して一層優れた耐久特性が得ら
れる。また、熱膨張係数が非常に小さい石英硝子を絶縁
性耐熱基板として使用しているので、発熱体の発熱に起
因する絶縁性耐熱基板の熱膨張が小さくなり、これにと
もない発熱体は絶縁性耐熱基板に一層良好に接着して優
れた耐久特性が得られる。さらに、熱伝導率が非常に小
さい石英硝子の絶縁性耐熱基板であるので、発熱体で発
生した熱は、絶縁性耐熱基板に僅かしか伝達されず、そ
の多くがガス感受部に伝達される。そのため、動作温度
まで少ない電力で到達でき、消費電力を一層低減したガ
ス濃度検出装置が実現できる。
It can be seen that the resistance change rate of the heater changes when the hydroxyl group contained in the quartz glass is 0.20 wt%. The product of the present invention has 0.20 hydroxyl groups contained in quartz glass.
Since it is less than wt%, the chromium metal heater auxiliary thin film adheres well to the quartz glass, and more excellent durability characteristics can be obtained. In addition, since quartz glass, which has a very small coefficient of thermal expansion, is used as the insulating heat-resistant substrate, the thermal expansion of the insulating heat-resistant substrate due to the heat generation of the heating element is reduced, and the heating element is also insulated It adheres to the substrate even better and provides excellent durability characteristics. Furthermore, since it is an insulating heat-resistant substrate made of quartz glass having a very small thermal conductivity, the heat generated by the heating element is transferred only slightly to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is transferred to the gas sensing unit. Therefore, the operating temperature can be reached with a small amount of power, and a gas concentration detection device with further reduced power consumption can be realized.

【0126】また、発熱体は、消費電力が小さいので印
加される電圧電流値が小さくなり、一層優れた耐久特性
が得られる効果が生じている。これに加え、石英硝子に
含まれる水酸基が0.20wt%以下であると、その上
部に積層される耐熱絶縁性薄膜の形成に、高温処理を施
こすことができ、欠陥の少ない耐熱絶縁性薄膜が生成さ
れて優れた絶縁特性が確保できる。そのため、酸素イオ
ン導電性固体電解質薄膜は、発熱体の影響を受けること
が少なく、適正動作温度400℃で良好な酸素イオン導
電性を発揮する。この効果により、酸素イオン導電性固
体電解質薄膜や電極膜そして酸化触媒膜で構成されるガ
ス感受部は、その下部に配置した発熱体により短時間で
加熱されて動作状態となり、極めて短時間に暖気される
利点もある。
Further, since the heating element consumes less power, the value of applied voltage and current becomes smaller, which brings about an effect that more excellent durability characteristics can be obtained. In addition to this, when the hydroxyl group contained in the quartz glass is 0.20 wt% or less, high temperature treatment can be applied to the formation of the heat resistant insulating thin film to be laminated thereon, and the heat resistant insulating thin film with few defects can be formed. Is generated, and excellent insulation characteristics can be secured. Therefore, the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is less affected by the heating element and exhibits good oxygen ion conductivity at an appropriate operating temperature of 400 ° C. Due to this effect, the gas sensing unit consisting of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, the electrode film and the oxidation catalyst film is heated in a short time by the heating element placed underneath to become the operating state, and warming up in an extremely short time. There is also an advantage.

【0127】一方、石英硝子に含まれる水酸基が0.2
0wt%を超えると、クロムの金属ヒータ補助微薄膜が
石英硝子に接着しにくくなり、幾分の耐久性低下が観察
された。
On the other hand, the hydroxyl group contained in quartz glass is 0.2
If it exceeds 0 wt%, it is difficult to adhere the chromium metal heater auxiliary thin film to the quartz glass, and it is observed that the durability is lowered to some extent.

【0128】なお、発熱体10として、白金のヒータ主
薄膜20に、その下部に少なくとも配置されたチタンや
ジルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜19を積
層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
The same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum heater main thin film 20 and a metal heater auxiliary fine thin film 19 of titanium, zirconium, or chrome, which is disposed at the bottom thereof, are laminated. Was obtained.

【0129】(実施例10)実施例10は、絶縁性耐熱
基板17の中心線表面粗さについて検討した。検討は、
中心線表面粗さを変化させた石英硝子の絶縁性耐熱基板
17の上部に、クロムからなる金属ヒータ補助微薄膜1
9と白金からなるヒータ主薄膜20を順々に積層して発
熱体10とし、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜18を
さらに積層して焼成し、最後に、前述の固体電解質型の
ガス感受部11を積層したガスセンサ素子9で行った。
Example 10 In Example 10, the center line surface roughness of the insulating heat resistant substrate 17 was examined. The examination is
On the upper side of the insulating heat-resistant substrate 17 made of quartz glass with the center line surface roughness changed, a metal heater auxiliary thin film 1 made of chromium is formed.
9 and a heater main thin film 20 made of platinum are sequentially laminated to form a heating element 10, a heat-resistant insulating thin film 18 made of quartz glass is further laminated and fired, and finally, the solid electrolyte type gas sensing unit described above. The gas sensor element 9 in which 11 is laminated is used.

【0130】中心線表面粗さを変化させた絶縁性耐熱基
板17を用いたガスセンサ素子のON―OFF通電試験
を行い、発熱体の抵抗変化率を測定した。図9は、中心
線表面粗さと抵抗変化率の相関特性を整理した特性図で
ある。発熱体の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流
電圧電流を印加して発熱体10を動作温度400℃まで
10ミリ秒で到達させ、そののち電源を切るON―OF
F試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
An ON-OFF energization test was conducted on the gas sensor element using the insulating heat resistant substrate 17 with the center line surface roughness varied, and the rate of resistance change of the heating element was measured. FIG. 9 is a characteristic diagram in which the correlation characteristics of the center line surface roughness and the resistance change rate are arranged. The resistance change rate of the heating element is ON-OF in which the DC voltage and current are applied to the terminals of the mounting case to make the heating element 10 reach the operating temperature of 400 ° C. in 10 milliseconds, and then the power is turned off.
It is the rate of change in resistance when the F test is performed 100,000 times.

【0131】図9からわかる様に、抵抗変化率は、中心
線表面粗さが0.05μmおよび1μmを境に大きく変
化することがわかる。本発明品は、中心線表面粗さが
0.05〜1μmであるため、焼成により発熱体が絶縁
性耐熱基板に良好に接着して優れた耐久特性が得られ
る。
As can be seen from FIG. 9, the rate of resistance change greatly changes when the center line surface roughness is 0.05 μm or 1 μm. Since the center line surface roughness of the product of the present invention is 0.05 to 1 μm, the heating element is well adhered to the insulating heat-resistant substrate by firing and excellent durability characteristics are obtained.

【0132】一方、中心線表面粗さが0.05μm未満
および1μmを超える絶縁性耐熱基板にすると、焼成し
ても発熱体が絶縁性耐熱基板に良好に接着せず幾分の耐
久性低下が観察される。
On the other hand, when the insulating heat-resistant substrate having a center line surface roughness of less than 0.05 μm or more than 1 μm is used, the heating element does not adhere well to the insulative heat-resistant substrate even if it is fired, and the durability is somewhat deteriorated. To be observed.

【0133】なお、上記結果は、絶縁性耐熱基板17と
して、転移温度720℃で軟化温度900℃で熱膨張係
数6.8×10-6deg-1の物性を有する結晶化硝子
板、もしくはこの結晶化硝子膜(膜厚70μm)をアル
ミナ製の耐熱板の上部に積層した基板、コージェライト
基板などのセラミック基板を用いても同様であった。ま
た、耐熱絶縁性薄膜18として、アルミナや窒化珪素な
どのセラミックおよび各種硝子を用いても、同様な効果
が得られた。さらに、発熱体10として、白金のヒータ
主薄膜に、その下部に少なくとも配置されたチタンやジ
ルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜を積層した
構成を用いても、同様な効果が得られた。
The above results indicate that the insulating heat-resistant substrate 17 is a crystallized glass plate having physical properties such as a transition temperature of 720 ° C., a softening temperature of 900 ° C. and a thermal expansion coefficient of 6.8 × 10 −6 deg −1. The same was true when using a ceramic substrate such as a substrate in which a crystallized glass film (film thickness 70 μm) was laminated on an alumina heat-resistant plate, or a cordierite substrate. The same effect was obtained when ceramics such as alumina and silicon nitride and various glasses were used as the heat-resistant insulating thin film 18. Further, the same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary fine thin film of titanium, zirconium, or chrome, which is at least disposed under the platinum main thin film, are laminated.

【0134】(実施例11)実施例11は、耐熱絶縁性
薄膜18を構成する材料について検討した。
(Embodiment 11) In Embodiment 11, a material forming the heat resistant insulating thin film 18 was examined.

【0135】硝子は、耐熱絶縁性薄膜18として用いる
と、発熱体10が発熱して熱膨張しても、硝子の持つ圧
縮応力に非常に強い性質とかみ合って、熱膨張に良好に
追随して破損せず、優れた耐久特性を有する発熱体10
が実現できる可能性が有る。しかしながら、硝子は、温
度を上昇させるとその熱膨張係数に従がって一定割合で
膨張する際に、或る温度を境にその体積が急激に膨張す
る性質がある。この体積が急激に膨張する温度を転移温
度と言い、この体積急激膨張により、その上部に積層し
た発熱体10などが損傷されることが懸念されるので、
この転移温度の影響について検討した。
When glass is used as the heat-resistant insulating thin film 18, even if the heating element 10 generates heat and thermally expands, it engages with the property of the glass that is extremely strong against the compressive stress, and follows the thermal expansion well. A heating element 10 that does not break and has excellent durability characteristics
May be realized. However, glass has the property that when the temperature rises, when it expands at a constant rate according to its coefficient of thermal expansion, its volume expands rapidly at a certain temperature. The temperature at which this volume expands rapidly is called the transition temperature, and there is a concern that this rapid volume expansion may damage the heating element 10 or the like stacked on top of it.
The effect of this transition temperature was examined.

【0136】検討は、石英硝子の絶縁性耐熱基板17の
上部に、クロムからなる金属ヒータ補助微薄膜19と白
金のヒータ主薄膜20をスパッタ法を用いて順々に0.
6μm積層して発熱体10とし、転移温度が異なる硝子
の耐熱絶縁性薄膜18をさらに約2μm積層したのち最
後に、前述の固体電解質型のガス感受部11を形成して
積層したガスセンサ素子9で行った。
In the examination, a metal heater auxiliary fine thin film 19 made of chromium and a platinum heater main thin film 20 were sequentially formed on the insulating heat resistant substrate 17 made of quartz glass by a sputtering method.
The gas sensor element 9 is formed by stacking 6 μm to form the heating element 10, and further stacking the heat-resistant insulating thin film 18 made of glass having a different transition temperature by about 2 μm, and finally forming the solid electrolyte type gas sensing unit 11 and stacking the same. went.

【0137】図10は、硝子の材質を異ならせて転移温
度を変化させ、発熱体の抵抗変化率を測定したものであ
り、転移温度と抵抗変化率の相関特性である。発熱体の
抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加
して発熱体を動作温度400℃まで10ミリ秒で上昇さ
せたのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行っ
た際の抵抗変化率である。
FIG. 10 is a graph showing the correlation characteristics between the transition temperature and the resistance change rate, in which the transition temperature is changed by changing the glass material and the resistance change rate is measured. Regarding the resistance change rate of the heating element, a DC voltage / current was applied to the terminals of the mounting case to raise the heating element to an operating temperature of 400 ° C. in 10 milliseconds, and then the power was turned off and an ON-OFF test was conducted 100,000 times. This is the rate of change in resistance at that time.

【0138】本実施例の1の耐熱絶縁性薄膜は、石英硝
子であり、転移温度は1075℃、熱膨張係数は0.5
×10-6(1/deg)である。
The heat-resistant insulating thin film of Example 1 was made of quartz glass and had a transition temperature of 1075 ° C. and a thermal expansion coefficient of 0.5.
× 10 -6 (1 / deg).

【0139】本実施例の2の耐熱絶縁性薄膜は、96%
珪酸硝子であり、転移温度は890℃、熱膨張係数は
0.8×10-6で(1/deg)である。
The heat resistant insulating thin film of Example 2 was 96%.
It is a silicate glass and has a transition temperature of 890 ° C. and a thermal expansion coefficient of 0.8 × 10 −6 (1 / deg).

【0140】本実施例の3の耐熱絶縁性薄膜は、硼珪酸
アルミナ硝子であり、転移温度は850℃、熱膨張係数
は1.3×10-6で(1/deg)である。
The heat-resistant insulating thin film of Example 3 was borosilicate alumina glass, and had a transition temperature of 850 ° C. and a thermal expansion coefficient of 1.3 × 10 −6 (1 / deg).

【0141】本実施例の4の耐熱絶縁性薄膜は、アルミ
ノ珪酸硝子であり、転移温度は750℃、熱膨張係数は
4.4×10-6で(1/deg)である。
The heat-resistant insulating thin film of Example 4 was aluminosilicate glass and had a transition temperature of 750 ° C. and a thermal expansion coefficient of 4.4 × 10 −6 (1 / deg).

【0142】本実施例の5の耐熱絶縁性薄膜は、アルミ
ノ珪酸硝子であり、転移温度は650℃、熱膨張係数は
4.2×10-6で(1/deg)である。
The heat-resistant insulating thin film of Example 5 was aluminosilicate glass, had a transition temperature of 650 ° C. and a coefficient of thermal expansion of 4.2 × 10 −6 (1 / deg).

【0143】比較例の耐熱絶縁性薄膜は、ソーダ石灰硝
子であり、転移温度は620℃、熱膨張係数は5.2×
10-6で(1/deg)である。
The heat-resistant insulating thin film of the comparative example is soda-lime glass, the transition temperature is 620 ° C., and the thermal expansion coefficient is 5.2 ×.
It is (1 / deg) at 10 −6 .

【0144】図10よりわかる様に、発熱体の抵抗変化
率は、耐熱絶縁性薄膜に用いる硝子材の転移温度が、6
50℃を境に変化することがわかる。本発明品は、耐熱
絶縁性薄膜がその転移温度が650℃を越える硝子材で
あるため、最適焼成温度の600℃で発熱体を焼成して
も、発熱体は耐熱絶縁性薄膜に良好に接着して優れた耐
久特性が得られる。
As can be seen from FIG. 10, the resistance change rate of the heating element is 6 when the transition temperature of the glass material used for the heat-resistant insulating thin film is 6
It can be seen that the temperature changes at 50 ° C. Since the heat-resistant insulating thin film of the present invention is a glass material whose transition temperature exceeds 650 ° C., even if the heating element is fired at the optimum firing temperature of 600 ° C., the heating element adheres well to the heat-resistant insulating thin film. And excellent durability characteristics are obtained.

【0145】一方、620℃の転移温度を有する硝子材
を耐熱絶縁性薄膜として使用すると、最適焼成温度60
0℃で発熱体を焼成しても、発熱体が耐熱絶縁性薄膜に
良好に接着せず幾分の耐久性低下が観察される。これ
は、硝子材の転移温度620℃が、発熱体の焼成温度6
00℃に近い温度であるため、硝子材の転移(急激な体
積変化が起こること)により発熱体の接着が阻害される
ためである。
On the other hand, when a glass material having a transition temperature of 620 ° C. is used as the heat-resistant insulating thin film, the optimum firing temperature is 60
Even if the heating element is fired at 0 ° C., the heating element does not adhere well to the heat-resistant insulating thin film, and some decrease in durability is observed. This is because the transition temperature 620 ° C. of the glass material is the firing temperature 6 of the heating element.
This is because the temperature is close to 00 ° C. and the transition of the glass material (a sudden volume change occurs) hinders the adhesion of the heating element.

【0146】なお、上記結果は、絶縁性耐熱基板17と
して、転移温度720℃で軟化温度900℃で熱膨張係
数6.8×10-6deg-1の物性を有する結晶化硝子
板、もしくはこの結晶化硝子膜(膜厚70μm)をアル
ミナ製の耐熱板の上部に積層した基板、コージェライト
基板などのセラミック基板を用いても同様であった。ま
た、耐熱絶縁性薄膜18として、アルミナや窒化珪素な
どのセラミックおよび各種硝子を用いても、同様な効果
が得られた。さらに、発熱体10として、白金のヒータ
主薄膜に、その下部に少なくとも配置されたチタンやジ
ルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜を積層した
構成を用いても、同様な効果が得られた。
The above results show that the insulating heat-resistant substrate 17 has a transition temperature of 720 ° C., a softening temperature of 900 ° C. and a thermal expansion coefficient of 6.8 × 10 −6 deg −1. The same was true when using a ceramic substrate such as a substrate in which a crystallized glass film (film thickness 70 μm) was laminated on an alumina heat-resistant plate, or a cordierite substrate. The same effect was obtained when ceramics such as alumina and silicon nitride and various glasses were used as the heat-resistant insulating thin film 18. Further, the same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary fine thin film of at least titanium, zirconium, or chrome disposed at the lower portion thereof are laminated.

【0147】(実施例12)実施例12は、耐熱絶縁性
薄膜18の材料についてさらに詳細に検討した。
Example 12 In Example 12, the material of the heat resistant insulating thin film 18 was examined in more detail.

【0148】検討は、前述の実施例11と同じであり、
その結果を(表3)に示す。
The examination is the same as in the above-mentioned Example 11,
The results are shown in (Table 3).

【0149】本発明1の耐熱絶縁性薄膜は、石英硝子膜
を2.0μm形成した膜である。
The heat-resistant insulating thin film of the first invention is a quartz glass film having a thickness of 2.0 μm.

【0150】比較例1の耐熱絶縁性薄膜は、発熱体の側
に石英硝子膜を1.5μm形成しその上部にアルミナ膜
を0.5μm積層した積層膜である。
The heat resistant insulating thin film of Comparative Example 1 is a laminated film in which a quartz glass film having a thickness of 1.5 μm is formed on the heating element side and an alumina film having a thickness of 0.5 μm is laminated on the quartz glass film.

【0151】比較例2の耐熱絶縁性薄膜は、発熱体の側
にアルミナ膜を0.5μm形成しその上部に石英硝子膜
を1.5μm積層した積層膜である。
The heat-resistant insulating thin film of Comparative Example 2 is a laminated film in which an alumina film having a thickness of 0.5 μm is formed on the heating element side and a quartz glass film having a thickness of 1.5 μm is laminated on the alumina film.

【0152】[0152]

【表3】 [Table 3]

【0153】本実施例は、石英硝子を用いた耐熱絶縁性
薄膜であり、その抵抗変化率は、(表3)に記載した様
に他材料構成より小さく、優れた耐久特性である。これ
は、ヒータ主薄膜が石英硝子製の絶縁性耐熱基板に良好
に接着して優れた耐久特性が得られるためである。
This example is a heat-resistant insulating thin film using quartz glass, and its rate of change in resistance is smaller than that of the other materials as shown in (Table 3), and it has excellent durability characteristics. This is because the heater main thin film is well adhered to the insulating heat-resistant substrate made of quartz glass to obtain excellent durability characteristics.

【0154】なお、上記結果は、絶縁性耐熱基板17と
して、転移温度720℃で軟化温度900℃で熱膨張係
数6.8×10-6deg-1の物性を有する結晶化硝子
板、もしくはこの結晶化硝子膜(膜厚70μm)をアル
ミナ製の耐熱板の上部に積層した基板、コージェライト
基板などのセラミック基板を用いても同様であった。ま
た、耐熱絶縁性薄膜18として、アルミナや窒化珪素な
どのセラミックおよび各種硝子を用いても、同様な効果
が得られた。さらに、発熱体10として、白金のヒータ
主薄膜に、その下部に少なくとも配置されたチタンやジ
ルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜を積層した
構成を用いても、同様な効果が得られた。
The above results show that the insulating heat-resistant substrate 17 has a transition temperature of 720 ° C., a softening temperature of 900 ° C., and a thermal expansion coefficient of 6.8 × 10 −6 deg −1. The same was true when using a ceramic substrate such as a substrate in which a crystallized glass film (film thickness 70 μm) was laminated on an alumina heat-resistant plate, or a cordierite substrate. The same effect was obtained when ceramics such as alumina and silicon nitride and various glasses were used as the heat-resistant insulating thin film 18. Further, the same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary fine thin film of titanium, zirconium, or chrome, which is at least disposed under the platinum main thin film, are laminated.

【0155】(実施例13)実施例13は、ガス感受部
11として固体電解質型のガス感受部を用いる際の、酸
素イオン導電性固体電解質薄膜21の熱伝導率について
検討した。
Example 13 In Example 13, the thermal conductivity of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21 was examined when a solid electrolyte type gas sensing section was used as the gas sensing section 11.

【0156】検討は、石英硝子の絶縁性耐熱基板17の
上部に、クロムからなる金属ヒータ補助微薄膜19と白
金のヒータ主薄膜20を順々に積層して発熱体10と
し、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜18をさらに積層
して焼成したのち最後に、後述の固体電解質型のガス感
受部11を積層したガスセンサ素子で行った。
The examination is made by sequentially stacking a metallic heater auxiliary thin film 19 made of chromium and a platinum heater main thin film 20 on the insulating heat-resistant substrate 17 made of quartz glass to form the heating element 10, which is made of quartz glass. After the heat-resistant insulating thin film 18 was further laminated and fired, finally, a gas sensor element in which a solid electrolyte type gas sensing unit 11 described later was laminated was used.

【0157】固体電解質型のガス感受部11は、酸素イ
オン導電性固体電解質薄膜21と、その同一面に形成さ
れた通気性の第1電極薄膜22および第2電極薄膜23
を少なくとも備えた次の2通りの材料構成である。
The solid electrolyte type gas sensing portion 11 includes an oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 21, and breathable first electrode thin film 22 and second electrode thin film 23 formed on the same surface thereof.
The following two material configurations are provided at least.

【0158】材料構成(I)は次の通りである。第1電
極薄膜22および第2電極薄膜23は、白金をスパッタ
して形成した通気性の薄膜(膜厚0.6μm)であり、
熱膨張係数が9×10-6(1/deg)で熱伝導率が69.
5W/mKの物性値を持つ。酸化触媒膜24は、第1電極薄
膜22の上部に積層されており、白金触媒をシリカアル
ミナ系結晶化硝子の表面に担持させた通気性の厚膜印刷
型薄膜(膜厚10μm)で、熱伝導率が1.0W/mKの物
性値を持つ材料を主成分としている。
The material constitution (I) is as follows. The first electrode thin film 22 and the second electrode thin film 23 are breathable thin films (film thickness 0.6 μm) formed by sputtering platinum.
Thermal expansion coefficient is 9 × 10 -6 (1 / deg) and thermal conductivity is 69.
It has a physical property value of 5 W / mK. The oxidation catalyst film 24 is laminated on the first electrode thin film 22, and is a breathable thick film printing type thin film (film thickness 10 μm) in which a platinum catalyst is carried on the surface of silica-alumina-based crystallization glass. The main component is a material having a physical property value of conductivity of 1.0 W / mK.

【0159】材料構成(II)は次の通りである。第1電
極薄膜22は、ランタンマンガン酸化物(LaMn
3)を主成分とする通気性の厚膜印刷型薄膜(膜厚1
0μm)であり、この金属酸化物は、酸素イオン導電性
と電子導電性を有するペロブスカイト型である。第2電
極薄膜23は、金を主成分とする通気性のスパッタ薄膜
(膜厚0.6μm)である。なお、酸化触媒膜は積層し
ていない。
The material constitution (II) is as follows. The first electrode thin film 22 is made of lanthanum manganese oxide (LaMn).
O 3) as main components breathable thick film printing type thin (thickness 1
0 μm), and this metal oxide is a perovskite type having oxygen ion conductivity and electronic conductivity. The second electrode thin film 23 is a breathable sputtered thin film (having a thickness of 0.6 μm) containing gold as a main component. The oxidation catalyst film was not laminated.

【0160】比較例1の酸素イオン導電性固体電解質薄
膜は、セリウム添加のイットリウム系部分安定化ジルコ
ニアであり、結晶粒径をナノオーダまで微細化している
のでその熱伝導率は0.8W/mK、組成はZrO296モ
ル%とY233モル%とCeO21モル%の固溶体であ
る。
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Comparative Example 1 is yttrium-based partially stabilized zirconia with cerium added, and since the crystal grain size is refined to nano-order, its thermal conductivity is 0.8 W / mK, The composition is a solid solution of 96 mol% ZrO 2, 3 mol% Y 2 O 3 and 1 mol% CeO 2 .

【0161】本実施例の1の酸素イオン導電性固体電解
質薄膜は、スカンジウム添加のセリア系ジルコニアであ
り、結晶粒径をナノオーダまで微細化しているのでその
熱伝導率は1.0W/mK、組成はZrO290モル%とC
eO210モル%とSc2310モル%の固溶体であ
る。
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Example 1 of the present invention is scandium-added ceria-based zirconia, and since the crystal grain size is miniaturized to nano-order, its thermal conductivity is 1.0 W / mK, composition. Is ZrO 2 90 mol% and C
It is a solid solution of 10 mol% of eO 2 and 10 mol% of Sc 2 O 3 .

【0162】本実施例の2の酸素イオン導電性固体電解
質薄膜は、イットリウム系部分安定化ジルコニアであ
り、熱伝導率は3.0W/mKとなり、その組成はZrO2
97モル%とY233モル%の固溶体である。
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Example 2 was yttrium-based partially stabilized zirconia and had a thermal conductivity of 3.0 W / mK and its composition was ZrO 2.
It is a solid solution of 97 mol% and Y 2 O 3 3 mol%.

【0163】本実施例の3の酸素イオン導電性固体電解
質薄膜は、イットリウム系安定化ジルコニアであり、熱
伝導率は5.0W/mKとなり、その組成はZrO292モ
ル%とY238モル%の固溶体である。
The oxygen-ion conductive solid electrolyte thin film of Example 3 was yttrium-stabilized zirconia and had a thermal conductivity of 5.0 W / mK, and its composition was ZrO 2 92 mol% and Y 2 O 3. It is a solid solution of 8 mol%.

【0164】本実施例の4の酸素イオン導電性固体電解
質薄膜は、イットリアをドープしたセリア系材料であ
り、熱伝導率は6.5W/mKとなり、その組成は(CeO
21-0 .7(YO1.50.3である。
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Example 4 was a ceria-based material doped with yttria and had a thermal conductivity of 6.5 W / mK, and its composition was (CeO 2).
2) 1-0 .7 (YO 1.5) is 0.3.

【0165】本実施例の5の酸素イオン導電性固体電解
質薄膜は、サマリウムをドープしたセリア系材料であ
り、熱伝導率は7.0W/mKとなり、組成は(CeO2
0.8(SmO1.50.2である。
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Example 5 was a samarium-doped ceria-based material and had a thermal conductivity of 7.0 W / mK and a composition (CeO 2 ).
0.8 (SmO 1.5 ) 0.2 .

【0166】比較例2の絶縁性耐熱基板は、イットリウ
ム系酸化ビスマスであり、その熱伝導率は10W/mK、組
成はBi2396モル%とY234モル%の固溶体であ
る。
The insulating heat-resistant substrate of Comparative Example 2 was yttrium-based bismuth oxide, which had a thermal conductivity of 10 W / mK and a solid solution of 96 mol% Bi 2 O 3 and 4 mol% Y 2 O 3. .

【0167】熱伝導率が異なる酸素イオン導電性固体電
解質薄膜を用いたガスセンサ素子のON―OFF通電試
験を行い、発熱体の抵抗変化率を測定した。図11は、
酸素イオン導電性固体電解質薄膜の熱伝導率と抵抗変化
率の相関特性を整理した特性図である。発熱体の抵抗変
化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発
熱体10を動作温度400℃まで10ミリ秒で昇温させ
たのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った
際の抵抗変化率である。
A gas sensor element using an oxygen ion conductive solid electrolyte thin film having different thermal conductivity was subjected to an ON-OFF energization test, and the resistance change rate of the heating element was measured. FIG. 11 shows
It is a characteristic view which arranged the correlation characteristic of thermal conductivity and resistance change rate of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film. For the resistance change rate of the heating element, a DC voltage / current is applied to the terminals of the mounting case to heat the heating element 10 up to an operating temperature of 400 ° C. in 10 milliseconds, and then the power is turned off. It is the rate of change in resistance when the test is performed.

【0168】図11からわかる様に、抵抗変化率は、酸
素イオン導電性固体電解質薄膜の熱伝導率が1W/mK未満
および7W/mKを越えると、大きく変化することがわか
る。本発明品は、熱伝導率が1〜7W/mKであるため、酸
素イオン導電性固体電解質薄膜が良好に放熱し、発熱体
はその温度上昇が抑制され優れた耐久特性が得られる。
As can be seen from FIG. 11, the rate of resistance change greatly changes when the thermal conductivity of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is less than 1 W / mK and exceeds 7 W / mK. Since the product of the present invention has a thermal conductivity of 1 to 7 W / mK, the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film radiates heat well, and the temperature rise of the heating element is suppressed, and excellent durability characteristics are obtained.

【0169】一方、熱伝導率が1W/mK未満であると、酸
素イオン導電性固体電解質薄膜からの放熱が悪いため、
発熱体はその温度が上昇し幾分の耐久性低下が観察され
た。また、熱伝導率が7W/mKを越えると、酸素イオン導
電性固体電解質薄膜からの放熱が良いため、発熱体はそ
の温度を保持しようと大きな電流が流れて幾分の耐久性
低下が観察された。
On the other hand, when the thermal conductivity is less than 1 W / mK, heat radiation from the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is poor,
It was observed that the temperature of the heating element increased and the durability was somewhat lowered. Also, when the thermal conductivity exceeds 7 W / mK, the heat dissipation from the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is good, so a large current flows to keep the temperature of the heating element, and some decrease in durability is observed. It was

【0170】なお、上記結果は、絶縁性耐熱基板17と
して、転移温度720℃で軟化温度900℃で熱膨張係
数6.8×10-6deg-1の物性を有する結晶化硝子
板、もしくはこの結晶化硝子膜(膜厚70μm)をアル
ミナ製の耐熱板の上部に積層した基板、コージェライト
基板などのセラミック基板を用いても同様であった。ま
た、耐熱絶縁性薄膜18として、アルミナや窒化珪素な
どのセラミックおよび各種硝子を用いても、同様な効果
が得られた。さらに、発熱体10として、白金のヒータ
主薄膜に、その下部に少なくとも配置されたチタンやジ
ルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜を積層した
構成を用いても、同様な効果が得られた。
The above results show that the insulating heat-resistant substrate 17 has a transition temperature of 720 ° C., a softening temperature of 900 ° C., and a thermal expansion coefficient of 6.8 × 10 −6 deg −1. The same was true when using a ceramic substrate such as a substrate in which a crystallized glass film (film thickness 70 μm) was laminated on an alumina heat-resistant plate, or a cordierite substrate. The same effect was obtained when ceramics such as alumina and silicon nitride and various glasses were used as the heat-resistant insulating thin film 18. Further, the same effect can be obtained by using, as the heating element 10, a structure in which a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary fine thin film of titanium, zirconium, or chrome, which is at least disposed under the platinum main thin film, are laminated.

【0171】(実施例14)実施例14は、ガス感受部
11として用いる固体電解質型のガス感受部における電
極膜の化学物性について検討した。
(Example 14) In Example 14, the chemical properties of the electrode film in the solid electrolyte type gas sensing section used as the gas sensing section 11 were examined.

【0172】検討内容は、前述の実施例13と同じであ
るが、異なる2タイプの電極薄膜を有する固体電解質型
のガス感受部をパルス通電した際のセンサ出力の過渡変
化を測定した点が異なる。材料構成(I)は、第1電極
薄膜22と第2電極薄膜23の両方とも白金のスパッタ
薄膜であり、白金触媒担持のシリカアルミナ系結晶化硝
子の酸化触媒膜24を第1電極薄膜22の上部に積層し
ている。材料構成(II)は、第1電極薄膜22がランタ
ンマンガン酸化物(LaMnO3)の厚膜印刷型薄膜
で、第2電極薄膜23が金のスパッタ薄膜である。
The content of the examination is the same as that of the above-mentioned Example 13, except that the transient change of the sensor output when the solid electrolyte type gas sensing portion having two different types of electrode thin films is pulsed is measured. . The material constitution (I) is that both the first electrode thin film 22 and the second electrode thin film 23 are platinum sputtered thin films, and the platinum catalyst-supported silica-alumina-based crystallization glass oxidation catalyst film 24 is replaced by the first electrode thin film 22. Stacked on top. In the material configuration (II), the first electrode thin film 22 is a thick film printing type thin film of lanthanum manganese oxide (LaMnO 3 ) and the second electrode thin film 23 is a gold sputtered thin film.

【0173】材料構成(II)は、材料構成(I)と比較
してパルス通電した際のセンサ出力の過渡変化が小さい
結果が得られ、優れた耐久信頼性を有していた。また、
図11からわかる様に、材料構成(II)は、材料構成
(I)と比較して抵抗変化率も小さかった。
The material structure (II) had a smaller transient change in the sensor output when a pulse current was applied than the material structure (I), and had excellent durability and reliability. Also,
As can be seen from FIG. 11, the material composition (II) had a smaller resistance change rate than the material composition (I).

【0174】[0174]

【発明の効果】本発明のガス濃度検出装置は、上記課題
を解決するために、発熱体とガス感受部を少なくとも有
するガスセンサ素子と、発熱体にパルス電力を間隔
(A)で間欠的に供給する電力パルス供給手段と、ガス
感受部からのセンサ出力を検出するセンサ出力検出手段
と、パルス電力供給開始からの経過時間を計測する電力
パルス経過時間計測手段と、計測された経過時間が所定
時間(I)未満の場合にパルス電力を短い間隔(B)で
供給する制御を行なう駆動初期対応電力供給手段とを、
少なくとも備えているとした。
In order to solve the above-mentioned problems, the gas concentration detecting device of the present invention intermittently supplies pulse power to the heating element and a gas sensor element having at least a gas sensing portion at intervals (A). Power pulse supply means, sensor output detection means for detecting the sensor output from the gas sensing unit, power pulse elapsed time measurement means for measuring the elapsed time from the start of pulsed power supply, and the measured elapsed time for a predetermined time Drive initial corresponding power supply means for performing control to supply pulse power at a short interval (B) when less than (I),
At least have it.

【0175】ガスセンサ素子の再起動とともに、駆動初
期対応電力供給手段が作動して、発熱体にパルス電力を
短い間隔(B)で供給することを電力パルス供給手段に
指示するので、ガス感受部のエイジング処理が加速して
行なわれる。そして、センサ出力が安定化する所定時間
(I)に到達すると、駆動初期対応電力供給手段が停止
し、電力パルス供給手段は、発熱体にパルス電力を通常
の間隔(A)で供給する。
When the gas sensor element is restarted, the drive initial corresponding power supply means operates to instruct the power pulse supply means to supply the pulse power to the heating element at a short interval (B). The aging process is accelerated. Then, when a predetermined time (I) at which the sensor output stabilizes is reached, the drive initial corresponding power supply means stops, and the power pulse supply means supplies pulse power to the heating element at the normal interval (A).

【0176】これらのことによりガスセンサ素子の安定
化が加速されるので、短時間に検出精度の高いガス濃度
検出装置が得られる。また、発熱体に電力をパルスで供
給しているので、省電力量タイプのガス濃度検出装置と
なる。
As a result, the stabilization of the gas sensor element is accelerated, so that a gas concentration detecting device with high detection accuracy can be obtained in a short time. Further, since the electric power is supplied to the heat generating element in pulses, the gas concentration detecting device is of a power saving type.

【0177】また、本発明のガス濃度検出装置に用いら
れる、ガスセンサ素子の発熱体は、白金を主成分とする
ヒータ主薄膜と、その下部に0.1倍以下の膜厚で配置
したチタンもしくはジルコニウムもしくはクロムより選
択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補
助微薄膜とで構成される。
The heating element of the gas sensor element used in the gas concentration detecting device of the present invention is composed of a heater main thin film containing platinum as a main component and titanium or a titanium thin film arranged under the heater main thin film with a thickness of 0.1 times or less. It is composed of a metal heater auxiliary fine thin film whose main component is at least one material selected from zirconium or chromium.

【0178】白金のヒータ主薄膜と、その下部に膜厚を
薄くして配置したチタン、ジルコニウム、クロムなどの
金属ヒータ補助微薄膜との2層で構成される発熱体であ
るので、耐久信頼性の優れた発熱体となり、所定の動作
温度まで常に昇温ができる。そのため、安定したセンサ
出力が長期間得られて検出精度に優れる小型省電力量タ
イプのガスセンサ素子がいつまでも得られる。
Since it is a heating element composed of two layers of a platinum heater main thin film and a metal heater auxiliary thin film of titanium, zirconium, chromium or the like disposed below the platinum heater thin film, durability reliability is improved. It becomes an excellent heating element and can always raise the temperature to a predetermined operating temperature. Therefore, a small power-saving type gas sensor element that can obtain a stable sensor output for a long period of time and is excellent in detection accuracy can be obtained forever.

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

【図1】本発明の第1実施例であるガス濃度検出装置の
構成図と処理の流れを示すフローチャート
FIG. 1 is a flow chart showing a configuration diagram and a processing flow of a gas concentration detection device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例のガス濃度検出装置で使用
するガスセンサ素子の断面図
FIG. 2 is a sectional view of a gas sensor element used in the gas concentration detecting device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2実施例であるガス濃度検出装置の
構成図と処理の流れを示すフローチャート
FIG. 3 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a second embodiment of the present invention and a flowchart showing a processing flow.

【図4】本発明の第3実施例であるガス濃度検出装置の
構成図と処理の流れを示すフローチャート
FIG. 4 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a third embodiment of the present invention and a flowchart showing a processing flow.

【図5】本発明の第4実施例であるガス濃度検出装置の
構成図と処理の流れを示すフローチャート
FIG. 5 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a fourth embodiment of the present invention and a flowchart showing a processing flow.

【図6】本発明の第5実施例であるガス濃度検出装置の
構成図と処理の流れを示すフローチャート
FIG. 6 is a configuration diagram of a gas concentration detecting device according to a fifth embodiment of the present invention and a flowchart showing a processing flow.

【図7】本発明のガスセンサ素子の効果特性図(絶縁性
耐熱基板に用いる硝子材の転移温度と発熱体の抵抗変化
率の相関)
FIG. 7 is an effect characteristic diagram of the gas sensor element of the present invention (correlation between the transition temperature of the glass material used for the insulating heat-resistant substrate and the resistance change rate of the heating element).

【図8】本発明のガスセンサ素子の効果特性図(石英硝
子中の水酸基含有量と発熱体の抵抗変化率の相関)
FIG. 8 is a graph showing the effect characteristics of the gas sensor element of the present invention (correlation between hydroxyl group content in quartz glass and resistance change rate of heating element).

【図9】本発明のガスセンサ素子の効果特性図(絶縁性
耐熱基板の中心線表面粗さと発熱体の抵抗変化率の相
関)
FIG. 9 is a graph showing the effect characteristics of the gas sensor element of the present invention (correlation between center line surface roughness of insulating heat-resistant substrate and resistance change rate of heating element).

【図10】本発明のガスセンサ素子の効果特性図(耐熱
絶縁性薄膜に用いる硝子材の転移温度と発熱体の抵抗変
化率の相関)
FIG. 10 is an effect characteristic diagram of the gas sensor element of the present invention (correlation between the transition temperature of the glass material used for the heat-resistant insulating thin film and the resistance change rate of the heating element).

【図11】本発明のガスセンサ素子の効果特性図(酸素
イオン導電性固体電解質薄膜の熱伝導率と発熱体の抵抗
変化率の相関)
FIG. 11 is an effect characteristic diagram of the gas sensor element of the present invention (correlation between thermal conductivity of oxygen ion conductive solid electrolyte thin film and resistance change rate of heating element).

【図12】従来のガス濃度検出装置とそれに使用するガ
スセンサ素子の構成図
FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional gas concentration detector and a gas sensor element used for the same.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

9 ガスセンサ素子 10 発熱体 11 ガス感受部 12 電力パルス供給手段 13 センサ出力検出手段 14 コントローラ 15 電力パルス経過時間計測手段 16 駆動初期対応電力供給手段 17 絶縁性耐熱基板 18 耐熱絶縁性薄膜 19 金属ヒータ補助微薄膜 20 ヒータ主薄膜 21 酸素イオン導電性固体電解質薄膜 22 第1電極薄膜 23 第2電極薄膜 24 酸化触媒膜 9 Gas sensor element 10 heating element 11 Gas sensing unit 12 Power pulse supply means 13 Sensor output detection means 14 Controller 15 Power pulse elapsed time measuring means 16 Power supply means for initial drive 17 Insulating heat resistant substrate 18 Heat-resistant insulating thin film 19 Metal heater auxiliary thin film 20 Heater main thin film 21 Oxygen ion conductive solid electrolyte thin film 22 First electrode thin film 23 Second electrode thin film 24 Oxidation catalyst membrane

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇野 克彦 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 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 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 BC02 BE12 BE22 BF07 BH08 BJ02 BJ03 BJ09 BJ10 BL08 BL14 BL19 BM04 BM07 BM09    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Katsuhiko Uno             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Takashi Niwa             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Takahiro Umeda             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 2G004 BB04 BC02 BE12 BE22 BF07                       BH08 BJ02 BJ03 BJ09 BJ10                       BL08 BL14 BL19 BM04 BM07                       BM09

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 発熱体とガス感受部を少なくとも有する
ガスセンサ素子と、前記発熱体にパルス電力を間隔
(A)で間欠的に供給する電力パルス供給手段と、前記
電力パルス供給手段が発する電力パルスの間隔を制御す
るコントローラと、前記ガス感受部からのセンサ出力を
検出するセンサ出力検出手段を少なくとも備え、前記コ
ントローラは、前記電力パルス供給手段のパルス供給開
始からの経過時間を計測する電力パルス経過時間計測手
段と、駆動初期に電力パルスの間隔を短く制御する駆動
初期対応電力供給手段とを少なくとも備えており、前記
駆動初期対応電力供給手段は、前記電力パルス経過時間
計測手段で計測された経過時間が所定時間(I)未満の
場合に前記電力パルス供給手段のパルス電力を間隔
(A)より短い間隔(B)で供給する制御を行なうガス
濃度検出装置。
1. A gas sensor element having at least a heating element and a gas sensing section, a power pulse supplying means for intermittently supplying pulsed power to the heating element at intervals (A), and a power pulse generated by the power pulse supplying means. And a sensor output detection means for detecting a sensor output from the gas sensing unit, wherein the controller measures the elapsed time from the start of pulse supply by the power pulse supply means. It comprises at least a time measuring means and a drive initial corresponding power supply means for controlling the interval of the power pulse to be short at the initial stage of driving, and the drive initial corresponding power supply means is the progress measured by the power pulse elapsed time measuring means. When the time is less than the predetermined time (I), the pulse power of the power pulse supply means is set at an interval (B) shorter than the interval (A). A gas concentration measuring apparatus which performs control of the sheet.
【請求項2】 コントローラは、センサ出力の異常有無
を判断するセンサ出力異常判断手段と、センサ出力の異
常時に電力パルスの間隔を短く制御する異常時対応電力
供給手段とをさらに備えており、前記異常時対応電力供
給手段は、電力パルス経過時間計測手段で計測された経
過時間が所定時間(I)以上で所定時間(II)未満であ
り前記センサ出力異常判断手段でセンサ出力が異常と判
断された場合に電力パルス供給手段のパルス電力を間隔
(A)より短い間隔(C)で供給する制御を行なう請求
項1記載のガス濃度検出装置。
2. The controller further comprises a sensor output abnormality determining means for determining whether or not there is an abnormality in the sensor output, and an abnormality response power supply means for controlling the power pulse interval to be short when the sensor output has an abnormality. The abnormal power supply means determines that the sensor output abnormality determination means determines that the sensor output is abnormal because the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measurement means is equal to or longer than the predetermined time (I) and less than the predetermined time (II). 2. The gas concentration detecting device according to claim 1, wherein the pulse power of the power pulse supplying means is controlled to be supplied at an interval (C) shorter than the interval (A).
【請求項3】 コントローラにさらに備えた緊急パルス
供給手段は、電力パルス経過時間計測手段で計測された
経過時間が所定時間(II)に到達した時点で、センサ出
力異常判断手段がセンサ出力を異常と判断した場合に、
電力パルス供給手段に間隔(B)で発熱体の再起動を行
なう請求項1記載のガス濃度検出装置。
3. The emergency pulse supply means further provided in the controller, wherein the sensor output abnormality determination means abnormally detects the sensor output when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measurement means reaches a predetermined time (II). If you judge that
The gas concentration detector according to claim 1, wherein the heating element is restarted at the interval (B) in the power pulse supply means.
【請求項4】 緊急パルス供給手段が複数回作動する
と、警報を発する請求項3記載のガス濃度検出装置。
4. The gas concentration detection device according to claim 3, wherein an alarm is issued when the emergency pulse supply means operates a plurality of times.
【請求項5】 コントローラにさらに備えたガス検知時
パルス供給手段は、電力パルス経過時間計測手段で計測
された経過時間が所定時間(II)以上であり、センサ出
力異常判断手段が予め決めた閾値出力以内においてセン
サ出力を異常と判断した場合に、電力パルス供給手段に
パルス電力を間隔(A)より短い間隔(D)で供給する
制御を行なう請求項1記載のガス濃度検出装置。
5. The gas detection time pulse supply means further provided in the controller has a threshold value predetermined by the sensor output abnormality determination means when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measurement means is a predetermined time (II) or more. 2. The gas concentration detecting device according to claim 1, wherein when the sensor output is determined to be abnormal within the output, control is performed to supply pulse power to the power pulse supply means at an interval (D) shorter than the interval (A).
【請求項6】 ガス検知時パルス供給手段は、電力パル
ス経過時間計測手段で計測された経過時間が所定時間
(II)以上において、センサ出力異常判断手段がセンサ
出力を予め決めた閾値出力を越えたと判断した場合に、
電力パルス供給手段に間隔(B)で発熱体の再起動を行
なう請求項5記載のガス濃度検出装置。
6. The gas detection time pulse supply means, when the elapsed time measured by the power pulse elapsed time measurement means is a predetermined time (II) or more, the sensor output abnormality determination means exceeds the sensor output above a predetermined threshold output. If you decide that
The gas concentration detecting device according to claim 5, wherein the heating element is restarted at the interval (B) in the power pulse supply means.
【請求項7】 絶縁性耐熱基板の表面上部に下から順々
に積層した発熱体の薄膜と耐熱絶縁性薄膜とガス感受部
を少なくとも備えた構成であり、前記発熱体は、白金を
主成分とするヒータ主薄膜と、前記ヒータ主薄膜の0.
1倍を越えない膜厚でありその下部に配置されたチタン
もしくはジルコニウムもしくはクロムより選択した少な
くとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜と
で構成されるガスセンサ素子。
7. A heat-insulating thin film, a heat-insulating thin film, and a gas sensing part, which are laminated in this order from the bottom on an upper surface of an insulating heat-resistant substrate, and the heat-generating body contains platinum as a main component. Of the heater main thin film and the heater main thin film of 0.
A gas sensor element having a film thickness that does not exceed 1 time, and a metal heater auxiliary thin film mainly composed of at least one material selected from titanium, zirconium, and chromium disposed below the film sensor element.
【請求項8】 絶縁性耐熱基板は、その転移温度が少な
くとも650℃を越える硝子材である請求項7記載のガ
スセンサ素子。
8. The gas sensor element according to claim 7, wherein the insulating heat-resistant substrate is a glass material having a transition temperature of at least 650 ° C. or higher.
【請求項9】 絶縁性耐熱基板は、水酸基を0.20w
t%超えないで含有する石英硝子である請求項7記載の
ガスセンサ素子。
9. The insulating heat-resistant substrate has a hydroxyl group of 0.20 w.
The gas sensor element according to claim 7, wherein the gas sensor element is silica glass containing not more than t%.
【請求項10】 絶縁性耐熱基板は、その中心線表面粗
さが0.05〜1μmである請求項7記載のガスセンサ
素子。
10. The gas sensor element according to claim 7, wherein the insulating heat-resistant substrate has a center line surface roughness of 0.05 to 1 μm.
【請求項11】 耐熱絶縁性薄膜は、その転移温度が少
なくとも650℃を越える硝子材であるとした請求項7
記載のガスセンサ素子。
11. The heat resistant insulating thin film is a glass material having a transition temperature of at least 650 ° C. or higher.
The gas sensor element described.
【請求項12】 耐熱絶縁性薄膜は、石英硝子である請
求項7記載のガスセンサ素子。
12. The gas sensor element according to claim 7, wherein the heat-resistant insulating thin film is quartz glass.
【請求項13】 ガス感受部は、酸素イオン導電性固体
電解質膜と、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜の上
部に配置した通気性の第1電極膜および第2電極膜を少
なくとも備え、前記酸素イオン導電性固体電解質膜はそ
の熱伝導率が1〜7W/mKの材料である請求項7記載のガ
スセンサ素子。
13. The gas sensing unit includes at least an oxygen ion conductive solid electrolyte membrane, and a gas permeable first electrode film and a second electrode film disposed above the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, The gas sensor element according to claim 7, wherein the ion conductive solid electrolyte membrane is a material having a thermal conductivity of 1 to 7 W / mK.
【請求項14】 第1電極膜は酸化触媒特性に優れた電
極膜であり、第2電極膜は前記第1電極膜より酸化触媒
特性に劣る電極膜である請求項13記載のガスセンサ素
子。
14. The gas sensor element according to claim 13, wherein the first electrode film is an electrode film having an excellent oxidation catalyst property, and the second electrode film is an electrode film having an oxidation catalyst property inferior to the first electrode film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009264996A (en) * 2008-04-28 2009-11-12 Fuji Electric Fa Components & Systems Co Ltd Membrane gas sensor and initial stabilizing treatment method thereof
WO2020203077A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 日本碍子株式会社 Gas sensor element and gas sensor

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