JP2011247725A - Sensor element - Google Patents

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Koji Kimura
浩二 木村
Toru Ogawa
徹 小川
Takeshi Sakuma
健 佐久間
Hiroyuki Tsuji
裕之 辻
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor element which is highly accurate and durable against the repetition of a regenerating operation and is capable of uniform temperature rise.SOLUTION: The sensor element includes: a sensor substrate 11A comprising ceramics having a first surface 13 and a second surface 15; a sensing electrode 17 disposed on the first surface 13 of the sensor substrate 11A and composed of a pair of electrodes 17a and 17b; and a heating conductor 19 disposed on the second surface 15 of the sensor substrate 11A and capable of heating the sensor substrate 11A. Then, for the sensor element 100A, the ratio of the surface roughness of at least a part where the sensing electrode 17 is disposed on the first surface 13 of the sensor substrate 11A to the thickness of the sensing electrode 17 is 0.2-4%, and the ratio of the surface roughness of at least a part where the heating conductor 19 is disposed on the second surface 15 of the sensor substrate 11A to the thickness of the heating conductor 19 is 1-3%.

Description

本発明は、センサ素子に関し、更に詳しくは、高精度であり、再生操作を繰り返すことに対する耐久性を有し、かつ、再生操作時において均一に昇温するセンサ素子に関する。   The present invention relates to a sensor element, and more particularly to a sensor element that is highly accurate, has durability against repeated regenerating operations, and uniformly increases the temperature during the regenerating operation.

従来、あるエリア内に存在する浮遊物質に対して、一対の電極間に堆積した導電性物質の量の変化に起因する絶縁抵抗の変化を検知して、上記浮遊物質の量(濃度)を測定するセンサ素子が知られている。   Conventionally, the amount (concentration) of suspended matter is measured by detecting changes in insulation resistance caused by changes in the amount of conductive material deposited between a pair of electrodes, for suspended matter present in an area. Sensor elements are known.

このようなセンサ素子としては、具体的には、粉体輸送機の輸送量変動を検知するためのセンサ、工業器機用や自動車用のフィルター装置のトラブルを検知するためのセンサ、粉塵作業下において使用される環境検知センサ等に使用されている素子を例示することができる(例えば、特許文献1参照)。更に、主にクリーンルームのクリーン度を測定するために使用されるパーティクルカウンター等も知られている。   As such sensor elements, specifically, sensors for detecting fluctuations in the transport amount of powder transport machines, sensors for detecting troubles in filter devices for industrial equipment and automobiles, under dust work Examples of the element used in the environment detection sensor used can be exemplified (for example, see Patent Document 1). Furthermore, a particle counter used mainly for measuring the cleanness of a clean room is also known.

特開昭60−123757号公報JP-A-60-123757

しかしながら、パーティクルカウンターは、クリーンルームのように浮遊物質が少ない環境下で使用されることを目的としたものであるため、クリーンルームよりも浮遊物質が多く存在しているような環境下で使用することは適当ではなかった。   However, the particle counter is intended to be used in an environment where there are few suspended solids, such as in a clean room, so it should not be used in an environment where there are more suspended solids than in a clean room. It was not appropriate.

また、上記センサは、セラミックスからなるセンサ基板と、このセンサ基板の一方の面上に配設された一対の電極と、他方の面上に配設された加熱用導体と、を備えるものなどがある。そして、このようなセンサは、一対の電極間に堆積した浮遊物質を燃焼除去するため再生操作(常温から高温(具体的には400〜900℃)まで昇温した後、常温に戻す操作)が行われることがある。このような再生操作によって、センサ素子には大きな温度差が生じ、この温度差に起因してセンサ素子が破損することがある。そのため、センサ素子には、再生操作が繰り返されることに対する耐久性を有することが要求されるが、従来のセンサ素子は十分な耐久性を有していなかった。具体的には、再生操作を繰り返すことによって測定ができなくなることがあった。   The sensor includes a sensor substrate made of ceramics, a pair of electrodes disposed on one surface of the sensor substrate, and a heating conductor disposed on the other surface. is there. Such a sensor has a regeneration operation (operation of raising the temperature from room temperature to a high temperature (specifically, 400 to 900 ° C. and then returning it to room temperature) in order to burn and remove the suspended matter accumulated between the pair of electrodes. Sometimes done. Such a regeneration operation causes a large temperature difference in the sensor element, and the sensor element may be damaged due to the temperature difference. For this reason, the sensor element is required to have durability against repeated reproduction operations, but conventional sensor elements have not had sufficient durability. Specifically, measurement may become impossible by repeating the reproduction operation.

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高精度であり、再生操作を繰り返すことに対する耐久性を有し、かつ、再生操作時において均一に昇温するセンサ素子を提供する。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is high accuracy, durability against repeated reproduction operations, and reproduction operations. Provided is a sensor element that uniformly increases temperature in time.

本発明によれば、以下に示す、センサ素子が提供される。   According to the present invention, the following sensor element is provided.

[1] 第1面及び第2面を有するセラミックスからなるセンサ基板と、前記センサ基板の前記第1面上に配設されるとともに、一対の電極からなるセンシング用電極と、前記センサ基板の前記第2面上に配設され、前記センサ基板及び前記センシング用電極を加熱可能な加熱用導体と、を備え、前記センシング用電極の厚さに対する、前記センサ基板の前記第1面における少なくとも前記センシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、前記加熱用導体の厚さに対する、前記センサ基板の前記第2面における少なくとも前記加熱用導体が配設された部分の表面粗度の割合が、1〜3%であるセンサ素子。 [1] A sensor substrate made of ceramics having a first surface and a second surface, a sensing electrode that is disposed on the first surface of the sensor substrate, and includes a pair of electrodes, and the sensor substrate A heating conductor disposed on the second surface and capable of heating the sensor substrate and the sensing electrode, and at least the sensing on the first surface of the sensor substrate with respect to the thickness of the sensing electrode. The ratio of the surface roughness of the portion where the electrode for electrode is disposed is 0.2 to 4%, and at least the heating conductor on the second surface of the sensor substrate is arranged with respect to the thickness of the heating conductor. A sensor element having a surface roughness ratio of 1 to 3%.

[2] 前記センシング用電極の厚さに対する、前記センサ基板の前記第1面における表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、前記加熱用導体の厚さに対する、前記センサ基板の前記第2面における表面粗度の割合が、1〜3%である前記[1]に記載のセンサ素子。 [2] The ratio of the surface roughness of the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode is 0.2 to 4%, and the sensor substrate has a thickness of the heating conductor. The sensor element according to [1], wherein the surface roughness ratio of the second surface is 1 to 3%.

[3] 前記センサ基板は、酸化アルミニウム、ムライト、及び、スピネルからなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなる前記[1]または[2]に記載のセンサ素子。 [3] The sensor element according to [1] or [2], wherein the sensor substrate is made of at least one ceramic selected from the group consisting of aluminum oxide, mullite, and spinel.

[4] 前記センサ基板は、前記第1面である表面及び前記第2面である裏面を有する平板状であり、前記表面上に前記センシング用電極が配設され、前記裏面上に前記加熱用導体が配設されている前記[1]〜[3]のいずれかに記載のセンサ素子。 [4] The sensor substrate has a flat plate shape having a front surface that is the first surface and a back surface that is the second surface, the sensing electrode is disposed on the front surface, and the heating substrate is disposed on the back surface. The sensor element according to any one of [1] to [3], wherein a conductor is disposed.

[5] 前記一対の電極は、その間の電気的な特性の変化が測定される測定部を有しており、前記測定部が白金族からなるものである前記[1]〜[4]のいずれかに記載のセンサ素子。 [5] The pair of electrodes include a measurement unit that measures a change in electrical characteristics therebetween, and the measurement unit is made of a platinum group. A sensor element according to any one of the above.

[6] 前記測定部が白金からなるものである前記[5]に記載のセンサ素子。 [6] The sensor element according to [5], wherein the measurement unit is made of platinum.

[7] 前記加熱用導体の表面の少なくとも一部を被覆する絶縁層を更に備える前記[1]〜[6]のいずれかに記載のセンサ素子。 [7] The sensor element according to any one of [1] to [6], further including an insulating layer that covers at least a part of the surface of the heating conductor.

本発明のセンサ素子は、第1面及び第2面を有するセラミックスからなるセンサ基板と、センサ基板の第1面上に配設されるとともに、一対の電極からなるセンシング用電極と、センサ基板の第2面上に配設され、センサ基板及びセンシング用電極を加熱可能な加熱用導体と、を備え、センシング用電極の厚さに対する、センサ基板の第1面における少なくともセンシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の第2面における少なくとも加熱用導体が配設された部分の表面粗度の割合が、1〜3%であるため、高精度であり、再生操作を繰り返すことに対する耐久性を有し、かつ、再生操作時において均一に昇温するものである。   The sensor element of the present invention includes a sensor substrate made of ceramics having a first surface and a second surface, a sensing electrode made of a pair of electrodes, disposed on the first surface of the sensor substrate, and a sensor substrate. A heating conductor disposed on the second surface and capable of heating the sensor substrate and the sensing electrode, wherein at least the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate with respect to the thickness of the sensing electrode. The ratio of the surface roughness of the surface portion of the second portion of the sensor substrate to the thickness of the heating conductor with respect to the thickness of the heating conductor is 0.2 to 4%. However, since it is 1 to 3%, it is highly accurate, has durability against repeating the regenerating operation, and increases the temperature uniformly during the regenerating operation.

本発明のセンサ素子の一実施形態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically one embodiment of the sensor element of the present invention. 図1に示すA−A断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the AA cross section shown in FIG. 本発明のセンサ素子の一実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the sensor element of this invention. 本発明のセンサ素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically other embodiment of the sensor element of this invention. 本発明のセンサ素子の一実施形態における再生操作を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically reproduction | regeneration operation in one Embodiment of the sensor element of this invention. 本発明のセンサ素子の一実施形態における再生操作を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically reproduction | regeneration operation in one Embodiment of the sensor element of this invention. 本発明のセンサ素子の一実施形態における再生操作を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically reproduction | regeneration operation in one Embodiment of the sensor element of this invention.

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and based on ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that modifications, improvements, and the like appropriately added to the embodiments described above fall within the scope of the present invention.

[1]センサ素子:
図1は、本発明のセンサ素子の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1に示すA−A断面を示す断面図である。図1及び図2に示すように、本実施形態のセンサ素子100Aは、第1面13及び第2面15を有するセラミックスからなるセンサ基板11Aと、このセンサ基板11Aの第1面13上に配設されるとともに、少なくとも一対の電極17a,17bを有するセンシング用電極17と、センサ基板11Aの第2面15上に配設され、センサ基板11Aを加熱可能な加熱用導体19と、を備えている。そして、センサ素子100Aは、センシング用電極17の厚さに対する、センサ基板11Aの第1面13における少なくともセンシング用電極17が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、加熱用導体19の厚さに対する、センサ基板11Aの第2面15における少なくとも加熱用導体19が配設された部分の表面粗度の割合が、1〜3%のものである。
[1] Sensor element:
FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of the sensor element of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the AA cross section shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor element 100A of the present embodiment is arranged on a sensor substrate 11A made of ceramics having a first surface 13 and a second surface 15, and on the first surface 13 of the sensor substrate 11A. And a sensing electrode 17 having at least a pair of electrodes 17a and 17b, and a heating conductor 19 disposed on the second surface 15 of the sensor substrate 11A and capable of heating the sensor substrate 11A. Yes. In the sensor element 100A, the ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode 17 is disposed on the first surface 13 of the sensor substrate 11A to the thickness of the sensing electrode 17 is 0.2 to 4%. The ratio of the surface roughness of at least the portion of the second surface 15 of the sensor substrate 11A where the heating conductor 19 is disposed to the thickness of the heating conductor 19 is 1 to 3%.

このようなセンサ素子100Aは、センシング用電極17の厚さに対する、センサ基板11Aの第1面13における少なくともセンシング用電極17が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、加熱用導体19の厚さに対する、センサ基板11Aの第2面15における少なくとも加熱用導体19が配設された部分の表面粗度の割合が、1〜3%であるため、高精度であり(即ち、センシング用電極のパターン精度を高くできるとともに測定精度が良好であり、繰り返しの再現性が良く)、再生操作を繰り返すことに対する耐久性を有している。具体的には、再生操作を繰り返してもセンシング用電極及び加熱用導体がそれぞれセンサ基板から剥離し難いものである。   In such a sensor element 100A, the ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode 17 is disposed on the first surface 13 of the sensor substrate 11A to the thickness of the sensing electrode 17 is 0.2-4. Since the ratio of the surface roughness of at least the portion where the heating conductor 19 is disposed on the second surface 15 of the sensor substrate 11A to the thickness of the heating conductor 19 is 1 to 3%, Accuracy (that is, the pattern accuracy of the sensing electrode can be increased, the measurement accuracy is good, and the repeatability is good), and it has durability against repeated reproduction operations. Specifically, even if the regeneration operation is repeated, the sensing electrode and the heating conductor are difficult to separate from the sensor substrate.

本発明のセンサ素子は、上述したように、センサ基板の第1面の少なくとも一部、及び、第2面の少なくとも一部を所定の条件を満たすように適度な表面状態とすることによって、再生操作を繰り返すことに対する耐久性を有する。そして、再生操作時において均一に昇温することが可能になる。具体的には、再生操作時において、センサ基板11Aが加熱用導体19によって均一に昇温され、そして、均一に昇温されたセンサ基板11Aによってセンシング用電極17が均一に昇温されるものである。   As described above, the sensor element of the present invention is regenerated by setting at least a part of the first surface of the sensor substrate and at least a part of the second surface to an appropriate surface state so as to satisfy a predetermined condition. Durable against repeated operations. And it becomes possible to raise temperature uniformly at the time of reproduction | regeneration operation. Specifically, during the regenerating operation, the sensor substrate 11A is uniformly heated by the heating conductor 19, and the sensing electrode 17 is uniformly heated by the uniformly heated sensor substrate 11A. is there.

センサ素子100Aは、センシング用電極17の一対の電極17a,17bの間に浮遊物質21(図5B参照)が堆積することに起因して生じる電気的な特性の変化を測定することにより一対の電極17a,17bの間に堆積した浮遊物質21の濃度を測定可能なセンサに用いられるものである。電気的な特性の変化とは、具体的には、絶縁抵抗(値)の変化、静電容量の変化などの変化のことをいう。そして、浮遊物質21の濃度の測定方法としては、具体的には、センシング用電極17の一対の電極17a,17b間の絶縁抵抗値と堆積した浮遊物質の質量とにより検量線を予め作成しておき、所定の環境下にセンサ素子を配置したときに得られる絶縁抵抗値から、作成した検量線を用いて、堆積した浮遊物質の質量を算出した後、濃度に換算する方法を挙げることができる。このように、本発明のセンサ素子は、電気的な特性の変化を測定するものであるため、測定対象である浮遊物質の性質(例えば、導電性や絶縁性)に制限されることなく、上記浮遊物質の量または濃度を精度良く測定することができる。更に、堆積した浮遊物質は、加熱用導体によりセンサ基板及びセンシング用電極を加熱することによって任意の時期に除去することができるため使い勝手の良いものである。   The sensor element 100A measures a change in electrical characteristics caused by the floating substance 21 (see FIG. 5B) deposited between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17, thereby measuring the pair of electrodes. It is used for a sensor capable of measuring the concentration of the suspended matter 21 deposited between 17a and 17b. Specifically, the change in electrical characteristics means a change such as a change in insulation resistance (value) and a change in capacitance. As a method for measuring the concentration of the suspended matter 21, specifically, a calibration curve is prepared in advance based on the insulation resistance value between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17 and the mass of the deposited suspended matter. In addition, from the insulation resistance value obtained when the sensor element is placed in a predetermined environment, the mass of the accumulated suspended matter can be calculated using the created calibration curve, and then converted into a concentration. . As described above, since the sensor element of the present invention measures a change in electrical characteristics, the sensor element is not limited to the property of the suspended matter to be measured (for example, conductivity or insulation), The amount or concentration of suspended solids can be measured with high accuracy. Furthermore, the accumulated floating substance is easy to use because it can be removed at any time by heating the sensor substrate and the sensing electrode with a heating conductor.

[1−1]センサ基板:
センサ基板は、酸化アルミニウム、スピネル、及び、ムライトからなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなるものであることが好ましい。そして、上記セラミックスの中でも、熱膨張率、熱伝導率、及び高温強度のバランスが良好であるため酸化アルミニウムが好ましい。
[1-1] Sensor substrate:
The sensor substrate is preferably made of at least one ceramic selected from the group consisting of aluminum oxide, spinel, and mullite. Among the ceramics, aluminum oxide is preferable because it has a good balance of thermal expansion coefficient, thermal conductivity, and high temperature strength.

センサ基板の第1面及び第2面のそれぞれの表面粗度は、センシング用電極の厚さ及び加熱用導体の厚さとのそれぞれの関係が上記条件を満たす限り特に制限はないが、センシング用電極及び加熱用導体が配設される部分の表面粗度が、0.01〜1μmであることが好ましく、0.01〜0.6μmであることが更に好ましい。   The surface roughness of each of the first surface and the second surface of the sensor substrate is not particularly limited as long as the relationship between the thickness of the sensing electrode and the thickness of the heating conductor satisfies the above conditions. The surface roughness of the portion where the heating conductor is disposed is preferably 0.01 to 1 μm, and more preferably 0.01 to 0.6 μm.

ここで、本明細書において「表面粗度」は、JIS B 0601−1982に準拠して測定される値であり、中心線平均粗さを意味するものである。   Here, “surface roughness” in this specification is a value measured in accordance with JIS B 0601-1982, and means centerline average roughness.

センサ基板の表面及び裏面を所望の粗さ(表面粗度(表面粗さ))に仕上げるには、ブラスト法、ラップ法、研削法等を挙げることができる。一方、後加工ではなく、センサ基板に使用するセラミック粉末の粒径を選択することでも可能である。   In order to finish the front and back surfaces of the sensor substrate to a desired roughness (surface roughness (surface roughness)), a blast method, a lapping method, a grinding method, and the like can be given. On the other hand, instead of post-processing, it is also possible to select the particle size of the ceramic powder used for the sensor substrate.

表面粗度が1〜10μmとなるような面を形成する方法としては、例えば、ブラスト法、粗ラップ(GC砥粒)でセンサ基板の面を研磨する方法を挙げることができる。更に、表面粗度が0.04〜0.1μmとなるような面を形成する方法としては、例えば、上記のようにして、表面粗度が1〜10μmとなるような面を形成した後、ダイヤ遊離砥粒(1μm)によるラップ法、#1500の研削砥石などを用いてセンサ基板の面を研磨する方法を挙げることができる。0.1〜1μmの表面粗度に仕上げるには、使用する砥粒の大きさ、砥石の番手を変更すれば良い。なお、センシング用電極及び加熱用導体を配設する部分のみを所望の表面粗度に仕上げるには、電極パターンとボジティブな関係となるようなマスク(即ち、反転形状をなす形状のマスク)を介して、ブラスト法、特にウェットブラスト法を用いて仕上げることが望ましい。微粒粒子を分散させたスラリーを用いることができるので、表面処理の均一性、コントロール性が優れ、本用途には好適である。   Examples of a method for forming a surface with a surface roughness of 1 to 10 μm include a blasting method and a method for polishing the surface of the sensor substrate with a rough lapping (GC abrasive grains). Furthermore, as a method of forming a surface with a surface roughness of 0.04 to 0.1 μm, for example, after forming a surface with a surface roughness of 1 to 10 μm as described above, Examples thereof include a lapping method using diamond free abrasive grains (1 μm) and a method of polishing the surface of the sensor substrate using a # 1500 grinding wheel. In order to finish the surface roughness of 0.1 to 1 μm, the size of the abrasive grains used and the count of the grindstone may be changed. In addition, in order to finish only the portion where the sensing electrode and the heating conductor are provided to a desired surface roughness, a mask (that is, a mask having an inverted shape) that has a positive relationship with the electrode pattern is used. It is desirable to finish using a blasting method, particularly a wet blasting method. Since a slurry in which fine particles are dispersed can be used, the surface treatment uniformity and controllability are excellent and suitable for this application.

センサ基板の大きさは、特に限定されないが、長さが5〜100mm、幅が5〜10mm、厚さが1〜2mm程度の範囲となる大きさが好ましい。これは、外形が矩形の場合であるが、用途に応じて形状は自由に選択できる。   The size of the sensor substrate is not particularly limited, but a size that is in the range of about 5 to 100 mm in length, 5 to 10 mm in width, and about 1 to 2 mm in thickness is preferable. This is a case where the outer shape is rectangular, but the shape can be freely selected according to the application.

[1−2]センシング用電極:
センシング用電極は、このセンシング用電極の一対の電極、即ち、正負の電位が隣り合う電極(正極及び負極)に電圧などが印加されるものである。そして、センシング用電極の一対の電極間の容積が浮遊物質のディテクト量を左右するため、センシング用電極としては、アスペクト比の高いものであることが好ましい。しかしながら、アスペクト比が高い場合、高アスペクト比であることに起因して、センシング用電極のダレやにじみが生じて部分的にセンシング用電極の一対の電極間の距離が変動してしまうことがあった。このようにセンシング用電極の一対の電極(正極及び負極)間の距離が変動してしまう(即ち、パターン精度が悪い)と、センサ素子の個体間で測定が安定しないという問題が生じる。そのため、このような問題の発生を抑制するために、センシング用電極を形成する印刷インク(導体ペースト)の性状を工夫して、形成されるセンシング用電極の断面が矩形となるような印刷インクを開発する必要があった。
[1-2] Sensing electrode:
In the sensing electrode, a voltage or the like is applied to a pair of electrodes of the sensing electrode, that is, electrodes (positive electrode and negative electrode) adjacent to each other with positive and negative potentials. And since the volume between a pair of electrodes of a sensing electrode influences the amount of detection of a suspended | floating matter, it is preferable that it is a thing with a high aspect ratio as a sensing electrode. However, when the aspect ratio is high, due to the high aspect ratio, sagging or blurring of the sensing electrode may occur and the distance between the pair of sensing electrodes may partially fluctuate. It was. Thus, if the distance between a pair of electrodes (positive electrode and negative electrode) of the sensing electrode varies (that is, the pattern accuracy is poor), there arises a problem that measurement is not stable between individual sensor elements. Therefore, in order to suppress the occurrence of such problems, devising the properties of the printing ink (conductor paste) that forms the sensing electrode, and printing ink that forms a rectangular cross section of the sensing electrode to be formed There was a need to develop.

ここで、常温下で使用する場合には、印刷インク(導体ペースト)の性状を工夫することで、上記問題が解決され、所望の形状の電極が形成され得る。しかしながら、再生操作を繰り返し行うセンサ素子においては、定期的に、常温から高温(具体的には400〜900℃)、そして高温から常温に戻るという温度サイクルが行われるため、常温下で使用する場合とは異なる負荷を受ける。そのため、センシング用電極の剥離や断線等の不良が発生することがあった。   Here, when used at room temperature, by devising the properties of the printing ink (conductor paste), the above problem can be solved and an electrode having a desired shape can be formed. However, in a sensor element that repeatedly performs a regenerating operation, a temperature cycle is periodically performed from normal temperature to high temperature (specifically, 400 to 900 ° C.) and from high temperature to normal temperature. It receives a different load. Therefore, defects such as peeling or disconnection of the sensing electrode may occur.

そこで、本発明者らは、従来のセンサ素子について、センサ基板の表面粗度とセンサ素子の特性(具体的には、センサ基板と加熱用導体との付着性)との因果関係の検討を行ったが、有効な結果は得られなかった。つまり、センサ基板の表面粗度を規定しただけではセンサ素子の特性は十分に向上されないことがあった。別言すれば、センサ基板の表面粗度に着目したとしても単に表面粗度を変えてセンサ基板を平滑面または粗面にしただけではセンサ素子の特性は十分に向上されない場合があることが分かった。そこで、単にセンサ基板の表面粗度の絶対値を規定するのではなく、本発明のセンサ素子のようにセンシング用電極との相互作用を加味し、センサ基板の表面粗度と配設されるセンシング用電極の厚さとの関係を規定することを検討した。このような検討を行ったことによって、上記特性が向上することを見出した。   Therefore, the present inventors have examined the causal relationship between the surface roughness of the sensor substrate and the characteristics of the sensor element (specifically, the adhesion between the sensor substrate and the heating conductor) for conventional sensor elements. However, effective results were not obtained. That is, the characteristics of the sensor element may not be sufficiently improved only by defining the surface roughness of the sensor substrate. In other words, even if attention is paid to the surface roughness of the sensor substrate, the characteristics of the sensor element may not be sufficiently improved by simply changing the surface roughness to make the sensor substrate smooth or rough. It was. Therefore, instead of simply defining the absolute value of the surface roughness of the sensor board, the sensor board surface roughness and the sensing are arranged considering the interaction with the sensing electrode as in the sensor element of the present invention. It was examined to define the relationship with the electrode thickness. It has been found that the above characteristics are improved by conducting such studies.

本発明者らは、パターン精度を良好にするため(即ち、アスペクト比が高く、且つ、断面が矩形となるようにするため)に、印刷インクの性状を工夫する(印刷インクのレオロジーを調整する)のではなく、センシング用電極の厚みとセンサ基板の表面粗度との関係により上記問題を解決することができることを見出した。具体的には、センシング用電極の厚みに対する、センサ基板の、センシング用電極を配設する側の面の表面粗度の割合を上記所定の範囲とすることにすることによって、測定精度が向上するとともに、再生操作時において温度サイクルに起因する負荷を受けたとしても、電極の剥離や断線等の不良が発生し難く、安定したセンサ素子を得ることができることを見出した。なお、本願は印刷インクの性状を工夫することを否定するものではない。   The present inventors devise the properties of the printing ink (adjust the rheology of the printing ink) in order to improve the pattern accuracy (that is, to make the aspect ratio high and the cross section rectangular). It has been found that the above problem can be solved by the relationship between the thickness of the sensing electrode and the surface roughness of the sensor substrate. Specifically, the measurement accuracy is improved by setting the ratio of the surface roughness of the surface of the sensor substrate on the side where the sensing electrode is disposed to the thickness of the sensing electrode within the predetermined range. In addition, it has been found that even when a load caused by a temperature cycle is applied during the regenerating operation, defects such as electrode peeling and disconnection hardly occur and a stable sensor element can be obtained. In addition, this application does not deny devising the property of printing ink.

本発明のセンサ素子は、上述したように、センシング用電極の厚さに対する、センサ基板の第1面における少なくともセンシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であることが必要であり、0.2〜2.0%であることが好ましく、0.2〜1.0%であることが更に好ましい。上記割合が0.2%未満であると、センサ基板の第1面におけるセンシング用電極を配設する部分が平滑すぎることになる。そのため、電極形成時に、後述するスクリーン印刷によりセンシング用電極を形成する場合、印刷インクをはじいてしまうことに起因して電極パターンの欠損(形成されるセンシング用電極の一部が欠けていること)や剥離(センシング用電極が容易に剥離したりすること)が生じる。更には焼成時や使用時においてもセンシング用電極が剥離するおそれがある。一方、4%超であると、電極形成時に、後述するスクリーン印刷によりセンシング用電極を形成する場合、電極パターンがにじむこと、パターン精度が低下すること、膜厚がばらつくことなどの不具合が生じる。   As described above, in the sensor element of the present invention, the ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode is 0.2-4. %, Preferably 0.2 to 2.0%, more preferably 0.2 to 1.0%. When the ratio is less than 0.2%, the portion where the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate is too smooth. Therefore, when forming the electrode for sensing by screen printing described later at the time of electrode formation, the electrode pattern is missing due to repelling printing ink (part of the sensing electrode to be formed is missing) Or peeling (the sensing electrode peels off easily). Further, the sensing electrode may be peeled off during firing or use. On the other hand, if it exceeds 4%, when the electrode for sensing is formed by screen printing, which will be described later, at the time of electrode formation, problems such as bleeding of the electrode pattern, lowering of pattern accuracy, and variation of the film thickness occur.

そして、本発明のセンサ素子は、センシング用電極の厚さに対する、センサ基板の第1面における少なくともセンシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合が上記条件を満たす限り特に制限はない。即ち、センシング用電極が配設された部分(のみ)が上記表面粗度の割合を満たすものであってもよいし、センシング用電極が配設された部分に加えてセンシング用電極が配設された部分以外の部分(具体的には、センサ基板の第1面の全部(全面))も上記表面粗度の割合を満たすものであってもよい。   The sensor element of the present invention is not particularly limited as long as the ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode satisfies the above condition. . That is, the portion (only) where the sensing electrode is disposed may satisfy the above surface roughness ratio, or in addition to the portion where the sensing electrode is disposed, the sensing electrode is disposed. The part other than the part (specifically, the entire first surface (entire surface) of the sensor substrate) may also satisfy the ratio of the surface roughness.

図3は、本発明のセンサ素子の一実施形態を模式的に示す断面図である。図3に示されるセンサ基板11Aは、第1面13の全部(全面)を所望の表面粗度に仕上げた態様を示す例である。このようなセンサ基板11Aを備えるセンサ素子100Aは、上記条件を満たす限りセンシング用電極の厚みに関わらず、形状精度のよい、即ち、特性の安定したものである。なお、図3〜図5においては、面の粗さを表すため誇張して凹凸を描いている。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the sensor element of the present invention. The sensor substrate 11A shown in FIG. 3 is an example showing an aspect in which the entire first surface 13 (entire surface) is finished to a desired surface roughness. The sensor element 100A including such a sensor substrate 11A has good shape accuracy, that is, stable characteristics, regardless of the thickness of the sensing electrode as long as the above conditions are satisfied. 3 to 5 are exaggerated to show the roughness of the surface.

図4は、本発明のセンサ素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。図4に示すセンサ素子100Bは、その第1面13における、センシング用電極17が配設された部分のみが上記表面粗度の割合を満たす面であることを示す例である。図4に示すように、センシング用電極17が配設された部分のみが上記表面粗度の割合を満たす面であることによって、製造が容易になる。また、センサ基板の加工応力を必要最小限にすることができるため、熱衝撃等の対環境性能が有利となる。なお、図4において、第1面13における一対の電極17a,17bが配設されない部分を平面的に描いているが、必ずしも平面でなくてもよい。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of the sensor element of the present invention. The sensor element 100B shown in FIG. 4 is an example showing that only the portion where the sensing electrode 17 is disposed on the first surface 13 is a surface satisfying the ratio of the surface roughness. As shown in FIG. 4, the manufacturing is facilitated because only the portion where the sensing electrode 17 is disposed is a surface satisfying the ratio of the surface roughness. In addition, since the processing stress of the sensor substrate can be minimized, environmental performance such as thermal shock is advantageous. In FIG. 4, the portion of the first surface 13 where the pair of electrodes 17a and 17b is not provided is drawn in a planar manner, but it is not necessarily a flat surface.

センシング用電極は、製造現場における原料粉体、大気中の塵、排ガス中の煤等の浮遊物質を検知する部分(センサ部分)である。即ち、上述したように、センシング用電極17の一対の電極17a,17bの間に浮遊物質21(図5B参照)が堆積すると、センシング用電極17a,17b間における電気的な特性(例えば静電容量、絶縁抵抗値)が変化する。なお、このとき、浮遊物質は、導電性であってもよいし、絶縁性であってもよい。このようなセンシング用電極の一対の電極としては、目的とする物質(浮遊物質)を検出可能な公知の構成を採用することができるが、例えば、2つの櫛歯状の電極を、櫛の歯が交互に位置するように配置した構成のもの(図2参照)などを挙げることができる。そして、櫛の歯の間の距離(図2中の符号「d」参照)は、浮遊物質の種類などにより適宜決定することができるが、50〜200μmであることが好ましく、50〜150μmであることが更に好ましい。なお、測定対象(浮遊物質)に応じた距離を設定しない場合、意図する情報(正確な測定値)が得られないおそれがある。   The sensing electrode is a part (sensor part) that detects floating substances such as raw material powder, dust in the atmosphere, and soot in the exhaust gas at the manufacturing site. That is, as described above, when the floating substance 21 (see FIG. 5B) is deposited between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17, the electrical characteristics (for example, capacitance) between the sensing electrodes 17a and 17b. , Insulation resistance value) changes. At this time, the floating substance may be conductive or insulating. As a pair of electrodes of such a sensing electrode, a known configuration capable of detecting a target substance (floating substance) can be adopted. For example, two comb-shaped electrodes are connected to comb teeth. And the like (see FIG. 2). The distance between the comb teeth (see symbol “d” in FIG. 2) can be determined as appropriate depending on the type of suspended matter, but is preferably 50 to 200 μm, and preferably 50 to 150 μm. More preferably. In addition, when the distance according to a measuring object (suspended substance) is not set, intended information (accurate measurement value) may not be obtained.

センシング用電極の材質としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム等の白金族、タングステン、モリブデン等の耐熱性を有する金属材料等を挙げることができ、これらの中でも、白金族が好ましく、特に、白金を主成分とする材料であることが好ましい。   Examples of the material for the sensing electrode include platinum groups such as platinum, rhodium, palladium and iridium, and metal materials having heat resistance such as tungsten and molybdenum. Among these, the platinum group is preferable, and in particular, platinum It is preferable that the material has as a main component.

センシング用電極の一対の電極は、その間の電気的な特性の変化が測定される測定部(例えば、上述した櫛歯状の部分)を有していることが好ましい。そして、この測定部は、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム等の白金族からなるものであることが好ましく、白金、イリジウム、またはこれらの混合物からなるものであることが更に好ましい。このように測定部が白金族からなるものであると、測定部と浮遊物質との反応性が低く、更には、使用環境に腐食されがたく、また、再生操作時の高温に耐え得る耐熱性があるため、高温雰囲気(再生操作時の高温)下でも使用することができる。更に、白金からなるものであると、特に酸化に強く、加工性が良いという利点がある。   It is preferable that the pair of electrodes of the sensing electrode have a measurement unit (for example, the above-described comb-like portion) in which a change in electrical characteristics between them is measured. The measuring part is preferably made of a platinum group such as platinum, rhodium, palladium, iridium or the like, and more preferably made of platinum, iridium, or a mixture thereof. Thus, if the measurement part is made of a platinum group, the reactivity between the measurement part and suspended solids is low, and furthermore, it is not easily corroded by the use environment and has heat resistance that can withstand high temperatures during the regeneration operation. Therefore, it can be used even in a high temperature atmosphere (high temperature during the regenerating operation). Furthermore, when it is made of platinum, there is an advantage that it is particularly resistant to oxidation and has good workability.

センシング用電極の厚さは、特に限定されず、例えば、5〜20μmであることが好ましく、10〜20μmであることが更に好ましい。上記厚さが5μm未満であると、浮遊物質の堆積可能容量が小さいため、再生周期が短くなるとともに、測定誤差が大きくなるおそれがある。一方、20μm超であると、センシング用電極の一対の電極間の距離を一定に保つことが困難になるとともに、センシング用電極及び加熱用導体にかかる応力が大きくなり剥離し易くなするおそれがある。なお、「センシング用電極の厚さ」とは、センシング用電極の一対の電極(通常は、正極と負極)のそれぞれの厚さを意味する。従って、「センシング用電極の厚さに対する、センサ基板の第1面における少なくともセンシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合」とは、各電極17a,17bのそれぞれの厚さD1,D2(図2参照)に対する、センサ基板11Aの第1面13の少なくともセンシング用電極が配設された部分における表面粗度(図2参照)の割合のことであり、式:{((センサ基板11Aの第1面13における表面粗度/電極17aの厚さD1)+(センサ基板11Aの第1面13における表面粗度/電極17bの厚さD2))/2}×100によって算出される値である。なお、厚さD1,D2は、通常、同じである。   The thickness of the sensing electrode is not particularly limited, and is preferably, for example, 5 to 20 μm, and more preferably 10 to 20 μm. If the thickness is less than 5 μm, the reproducible cycle is shortened and the measurement error may be increased because the storage capacity of the suspended matter is small. On the other hand, if it exceeds 20 μm, it becomes difficult to keep the distance between the pair of electrodes of the sensing electrode constant, and the stress applied to the sensing electrode and the heating conductor may increase and may be easily peeled off. . The “thickness of the sensing electrode” means the thickness of each of a pair of sensing electrodes (usually a positive electrode and a negative electrode). Therefore, “the ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode” is the thickness D1, each of the electrodes 17a and 17b. D2 (see FIG. 2) is the ratio of the surface roughness (see FIG. 2) at least on the portion of the first surface 13 of the sensor substrate 11A where the sensing electrodes are disposed, and is represented by the formula: {((sensor substrate 11A of the first surface 13 of 11A / the thickness D1 of the electrode 17a) + (the surface roughness of the first surface 13 of the sensor substrate 11A / the thickness D2 of the electrode 17b)) / 2} × 100. Value. The thicknesses D1 and D2 are usually the same.

センシング用電極の各電極(正極及び負極)の形状としては、上述した、櫛歯状、櫛歯状の部分を含む形状以外に、例えば、渦巻き状等を挙げることができる。また、センシング用電極の大きさ(第1面の全面に対して占める面積)は、センサ素子の用途や形状に応じて適宜決定することができる。なお、センシング用電極の一対の電極は、複数配設されてもよい。   Examples of the shape of each electrode (positive electrode and negative electrode) of the sensing electrode include, for example, a spiral shape in addition to the above-described shape including a comb-tooth shape and a comb-tooth-shaped portion. In addition, the size of the sensing electrode (area occupied with respect to the entire first surface) can be appropriately determined according to the application and shape of the sensor element. Note that a plurality of pairs of sensing electrodes may be provided.

[1−3]加熱用導体:
加熱用導体は、センサ基板及びセンシング用電極を加熱可能な(即ち、センサ基板を加熱可能であり、且つ、センサ基板を加熱することを介してセンシング用電極を加熱可能である)部材である。そして、センサ基板及びセンシング用電極が加熱されることによって、センシング用電極17の一対の電極17a,17bの間に堆積された浮遊物質が燃焼または分解し、除去される(図5B,図5C参照)。なお、この加熱用導体は、センサ基板を適宜加熱するものであり、浮遊物質を測定する際には原則機能しない(加熱しない)。ただ、使用環境によって、センサ素子が結露するような場合には、除去温度以下の低温で作動させる場合がある。加熱用導体による加熱温度は、測定した浮遊物質の種類によっても異なるが、400〜900℃であることが好ましい。
[1-3] Heating conductor:
The heating conductor is a member that can heat the sensor substrate and the sensing electrode (that is, the sensor substrate can be heated, and the sensing electrode can be heated through heating the sensor substrate). Then, by heating the sensor substrate and the sensing electrode, the suspended matter deposited between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17 is burnt or decomposed and removed (see FIGS. 5B and 5C). ). This heating conductor heats the sensor substrate as appropriate, and does not function (does not heat) in principle when measuring suspended substances. However, depending on the usage environment, when the sensor element is condensed, it may be operated at a low temperature below the removal temperature. The heating temperature by the heating conductor is preferably 400 to 900 ° C., although it varies depending on the type of suspended substance measured.

また、本発明者らは、従来のセンサ素子について、センサ基板の表面粗度とセンサ素子の特性(具体的には、二次元的な抵抗均一性、センサ基板と加熱用導体との付着性)との因果関係の検討を行ったが、有効な結果は得られなかった。つまり、センサ基板の表面粗度を規定しただけではセンサ素子の特性は十分に向上されないことがあった。別言すれば、センサ基板の表面粗度に着目したとしても単に表面粗度を変えてセンサ基板を平滑面または粗面にしただけではセンサ素子の特性は十分に向上されない場合があることが分かった。そこで、単にセンサ基板の表面粗度の絶対値を規定するのではなく、本発明のセンサ素子のように加熱用導体との相互作用を加味し、センサ基板の表面粗度と配設される加熱用導体の厚さとの関係を規定することを検討した。このような検討を行ったことによって、上記特定が向上することを見出した。   Further, the inventors of the present invention, for the conventional sensor element, the surface roughness of the sensor substrate and the characteristics of the sensor element (specifically, two-dimensional resistance uniformity, adhesion between the sensor substrate and the heating conductor) Although the causal relationship was investigated, effective results were not obtained. That is, the characteristics of the sensor element may not be sufficiently improved only by defining the surface roughness of the sensor substrate. In other words, even if attention is paid to the surface roughness of the sensor substrate, the characteristics of the sensor element may not be sufficiently improved by simply changing the surface roughness to make the sensor substrate smooth or rough. It was. Therefore, rather than simply defining the absolute value of the surface roughness of the sensor substrate, the surface roughness of the sensor substrate and the heating provided by taking into account the interaction with the heating conductor as in the sensor element of the present invention. It was examined to define the relationship with the conductor thickness. It has been found that the above-mentioned identification is improved by conducting such studies.

そこで、本発明者らは、センシング用電極の場合と同様に印刷インクの性状を工夫する(印刷インクのレオロジーを調整する)のではなく、加熱用導体の厚みとセンサ基板の表面粗度との関係により上記問題を解決することができることを見出した。なお、本願は印刷インクの性状を工夫することを否定するものではない。   Therefore, the present inventors do not devise the properties of the printing ink as in the case of the sensing electrode (adjust the rheology of the printing ink), but the thickness of the heating conductor and the surface roughness of the sensor substrate. It has been found that the above problem can be solved by the relationship. In addition, this application does not deny devising the property of printing ink.

本発明のセンサ素子は、上述したように、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の第2面における少なくとも加熱用導体が配設された部分の表面粗度の割合は、1〜3%であることが必要であり、1〜2%であることが好ましい。上記割合が1%未満であると、加熱用導体の形成時、積層体の焼成時、センサ素子の使用時において加熱用導体がセンサ基板から剥離するという不具合がある。一方、3%超であると、電極パターンの欠損が生じ易く、且つ加熱用導体の厚さがばらつくことに起因して再生操作時にセンサ素子が均一に発熱し難くなる。そのため、得られるセンサ素子は信頼性に劣るなどの不具合がある。   As described above, in the sensor element of the present invention, the ratio of the surface roughness of at least the portion where the heating conductor is disposed on the second surface of the sensor substrate to the thickness of the heating conductor is 1 to 3%. It is necessary to be 1 to 2%. When the ratio is less than 1%, there is a problem that the heating conductor is peeled off from the sensor substrate when the heating conductor is formed, when the laminated body is fired, or when the sensor element is used. On the other hand, if it exceeds 3%, the electrode pattern is likely to be lost, and the thickness of the heating conductor varies, so that the sensor element does not easily generate heat during the reproduction operation. Therefore, the obtained sensor element has a defect such as inferior reliability.

そして、本発明のセンサ素子は、センサ基板の第2面における少なくとも加熱用導体が配設された部分の表面粗度の割合が上記条件を満たす限り特に制限はない。即ち、加熱用導体が配設された部分(のみ)が上記表面粗度の割合を満たすものであってもよいし、加熱用導体が配設された部分に加えて加熱用導体が配設された部分以外の部分(具体的には、センサ基板の第2面の全部(全面))も上記表面粗度の割合を満たすものであってもよい。   And the sensor element of this invention does not have a restriction | limiting in particular, as long as the ratio of the surface roughness of the part by which at least the heating conductor is arrange | positioned in the 2nd surface of a sensor substrate satisfy | fills the said conditions. That is, the portion (only) where the heating conductor is disposed may satisfy the above-mentioned surface roughness ratio, or the heating conductor is disposed in addition to the portion where the heating conductor is disposed. Parts other than the above parts (specifically, the entire second surface (entire surface) of the sensor substrate) may also satisfy the ratio of the surface roughness.

図3に示されるセンサ基板11Aは、第2面15の全部(全面)が所望の表面状態であることを示す例である。このようなセンサ基板11Aを備えるセンサ素子100Aは、配線厚みに関わらず、形状精度のよい、即ち、特性の安定したものである。   The sensor substrate 11A shown in FIG. 3 is an example showing that the entire second surface 15 (entire surface) is in a desired surface state. The sensor element 100A including such a sensor substrate 11A has good shape accuracy, that is, stable characteristics regardless of the wiring thickness.

図5A〜図5Cは、本発明のセンサ素子の一実施形態における再生操作を模式的に示す断面図である。図5Aは、浮遊物質の測定前の状態のセンサ素子100Aを示している。浮遊物質を測定したい雰囲気下にセンサ素子を配置すると、図5Bに示すように、センサ素子100Aのセンシング用電極17の一対の電極17a,17bの間に浮遊物質21が堆積する。このとき、センシング用電極17の一対の電極17a,17b間における電気的な特性が変化するため、この変化量に基づいて浮遊物質21の量や濃度を算出することができる。そして、測定終了後、図5Cに示すように、加熱用導体19を昇温させることによって、センサ基板11Aを加熱する。図5Cは、加熱用導体19を昇温させて浮遊物質21を燃焼・分解除去した状態を示している。なお、加熱用導体は、複数配設されてもよい。   5A to 5C are cross-sectional views schematically showing a reproduction operation in one embodiment of the sensor element of the present invention. FIG. 5A shows the sensor element 100A in a state before measurement of suspended solids. When the sensor element is arranged in an atmosphere where the suspended matter is desired to be measured, the suspended matter 21 is deposited between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17 of the sensor element 100A as shown in FIG. 5B. At this time, since the electrical characteristics between the pair of electrodes 17a and 17b of the sensing electrode 17 change, the amount and concentration of the suspended matter 21 can be calculated based on the amount of change. Then, after the measurement, as shown in FIG. 5C, the temperature of the heating conductor 19 is raised to heat the sensor substrate 11A. FIG. 5C shows a state in which the heating conductor 19 is heated to burn and decompose and remove the suspended matter 21. A plurality of heating conductors may be provided.

加熱用導体の材質としては、例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の白金族、タングステン、モリブデン等の耐熱卑金属材料等を挙げることができる。これらの中でも、センサ素子が大気中で使用される場合には、酸化しない白金が好ましく、非酸化雰囲気中や内部に埋設されて使用される場合には、タングステン、モリブデンであることが好ましい。   Examples of the material for the heating conductor include a platinum group such as platinum, palladium and iridium, and a heat-resistant base metal material such as tungsten and molybdenum. Among these, platinum that does not oxidize is preferable when the sensor element is used in the air, and tungsten and molybdenum are preferable when used in a non-oxidizing atmosphere or embedded inside.

加熱用導体の厚さは、加熱用導体を構成する材料により適宜設定することができるが、例えば、1〜4μmであることが好ましく、1〜2μmであることが更に好ましい。   The thickness of the heating conductor can be appropriately set depending on the material constituting the heating conductor, but is preferably 1 to 4 μm, and more preferably 1 to 2 μm, for example.

加熱用導体は、パターンで発熱する形状(即ち、曲線を含む所定のパターンで形成される形状、具体的には、図1及び図2に示すように、波状に形成された導体を、センサ基板の先端部分でU−ターンするように折り曲げて配置して得られる形状)であってもよいし、面で発熱する形状(即ち、単なる例えばフィルム状(平面状)であってもよい。加熱用導体の大きさ(第2面の全面に対して占める面積)や位置は、特に制限はなく適宜決定することができるが、センシング用電極が配設された部分に対応する位置に、センシング用電極が配設された部分以上の面積で配置されることが好ましい。   The heating conductor has a shape that generates heat in a pattern (that is, a shape formed in a predetermined pattern including a curve, specifically, a conductor formed in a wave shape as shown in FIG. 1 and FIG. It may be a shape obtained by being bent and arranged so as to be U-turned at the tip portion of the surface, or may be a shape that generates heat on the surface (that is, for example, a film shape (planar shape)). The size (area occupied with respect to the entire surface of the second surface) and position of the conductor are not particularly limited and can be determined as appropriate, but the sensing electrode is positioned at a position corresponding to the portion where the sensing electrode is disposed. It is preferable that it is arrange | positioned by the area more than the part by which this was arrange | positioned.

[1−4]絶縁層:
本発明のセンサ素子は、加熱用導体の表面の少なくとも一部を被覆する絶縁層を更に備えることが好ましい。このように絶縁層を備えることによって、排気ガスなどの雰囲気下においても加熱用導体が保護され得るため、安価な卑金属からなる加熱用導体を使用することができる。更に、センサの使用中における短絡や断線を抑制することができ、また、絶縁層としてセンサ基板の熱膨張率と同じ熱膨張率の材質を用いれば、再生操作の発熱時にセンサ素子が反り返ることまたは破損することを抑制することができる。
[1-4] Insulating layer:
The sensor element of the present invention preferably further comprises an insulating layer covering at least a part of the surface of the heating conductor. By providing the insulating layer in this manner, the heating conductor can be protected even in an atmosphere such as exhaust gas, and therefore a heating conductor made of an inexpensive base metal can be used. Furthermore, short-circuiting and disconnection during use of the sensor can be suppressed, and if the material having the same thermal expansion coefficient as the thermal expansion coefficient of the sensor substrate is used as the insulating layer, the sensor element will warp when the regeneration operation generates heat or It is possible to suppress damage.

絶縁層の材質としては、例えば、ガラス、セラミックス、これらの複合物などを挙げることができる。これらの中でも、耐久性及び作製精度が優れるという観点からガラス、セラミックスが好ましく、センサ基板と同質のセラミックス、または熱膨張率がセンサ基板の熱膨張率と同じガラスが好ましい。   Examples of the material for the insulating layer include glass, ceramics, and composites thereof. Among these, glass and ceramics are preferable from the viewpoint of excellent durability and manufacturing accuracy, and ceramics having the same quality as the sensor substrate or glass having the same thermal expansion coefficient as the sensor substrate is preferable.

絶縁層の厚さは、特に制限はないが、5〜40μmであることが好ましく、5〜20μmであることが更に好ましい。上記厚さが5μm未満であると、機械的な強度が小さくなるため破損が生じ易くなる傾向がある。一方、40μm超であると、質量が大きすぎるため、再生操作における加熱に必要な電力が増大してしまい、電力効率が低下する傾向がある。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of an insulating layer, It is preferable that it is 5-40 micrometers, and it is still more preferable that it is 5-20 micrometers. When the thickness is less than 5 μm, the mechanical strength tends to be small, and therefore breakage tends to occur. On the other hand, if it exceeds 40 μm, since the mass is too large, the electric power required for heating in the regeneration operation increases, and the power efficiency tends to decrease.

図2は、加熱用導体19の表面を被覆する絶縁層23を更に備えるセンサ素子100Aを示す例である。なお、図1に示すセンサ素子100Aについては絶縁層を省略して描いている。   FIG. 2 is an example showing a sensor element 100 </ b> A further including an insulating layer 23 that covers the surface of the heating conductor 19. The sensor element 100A shown in FIG. 1 is drawn with the insulating layer omitted.

[2]センサ素子の製造方法:
本発明のセンサ素子の一実施形態の製造方法としては、複数のシート状グリーン体を作製し、作製した複数のシート状グリーン体を積層して積層体を作製し、作製した積層体を焼成して焼成体を得る焼成体作製工程と、得られた焼成体の第1面にセンシング用電極を配設し、第2面に加熱用導体を配設してセンサ素子を得るセンサ素子作製工程とを備える方法が好ましい。なお、センサ素子としての所望の厚さを確保できる場合には、積層体を作製することなく、一枚のシート状グリーン体のみを用い、この一枚のシート状グリーン体の両面にそれぞれセンシング用電極及び加熱用導体を配設してセンサ素子を作製すること(別の実施形態)もできる。以下、本発明のセンサ素子の一実施形態の製造方法について更に具体的に説明する。
[2] Manufacturing method of sensor element:
As a manufacturing method of one embodiment of the sensor element of the present invention, a plurality of sheet-like green bodies are produced, a laminate is produced by laminating the produced sheet-like green bodies, and the produced laminate is fired. A fired body manufacturing step for obtaining a fired body, and a sensor element manufacturing step for obtaining a sensor element by disposing a sensing electrode on the first surface of the fired body and a heating conductor on the second surface. A method comprising: In addition, when a desired thickness as a sensor element can be ensured, only one sheet-like green body is used without producing a laminated body, and both sides of the one sheet-like green body are used for sensing. It is also possible to produce a sensor element by disposing an electrode and a heating conductor (another embodiment). Hereinafter, the manufacturing method of one embodiment of the sensor element of the present invention will be described more specifically.

酸化アルミニウム、スピネル、及び、ムライトからなる群より選択される少なくとも一種のセラミックス原料と、成形原料として使用する他の成分とを混合し、スラリー状の成形原料を調製する。セラミックス原料としては、上記原料が好ましいが、これに限定されるものではない。他の原料としては、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等を使用することが好ましい。   At least one ceramic raw material selected from the group consisting of aluminum oxide, spinel, and mullite is mixed with other components used as a forming raw material to prepare a slurry-like forming raw material. As the ceramic raw material, the above raw materials are preferable, but not limited thereto. As other raw materials, it is preferable to use a binder, a plasticizer, a dispersant, a dispersion medium and the like.

バインダーとしては、特に限定されるものではないが、水系バインダー、非水系バインダーのどちらでもよく、水系バインダーとしてはメチルセルロース系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリエチレンオキシド、アクリル系樹脂等を好適に使用でき、非水系バインダーとしてはエチルセルロース系樹脂、ポリビニルブチラール系樹脂、アクリル系樹脂等を好適に使用することができる。アクリル系樹脂としては、(メタ)アクリル樹脂、(メタ)アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。   The binder is not particularly limited, and may be either an aqueous binder or a non-aqueous binder. As the aqueous binder, a methyl cellulose resin, a polyvinyl alcohol resin, polyethylene oxide, an acrylic resin, or the like can be suitably used. As the non-aqueous binder, an ethyl cellulose resin, a polyvinyl butyral resin, an acrylic resin, or the like can be preferably used. Examples of the acrylic resin include (meth) acrylic resin, (meth) acrylic acid ester copolymer, acrylic acid ester-methacrylic acid ester copolymer, and the like.

バインダーの添加量は、セラミックス原料の比表面積にもよるが、100質量部に対して、4〜20質量部程度であることが好ましく、6〜15質量部であることが更に好ましい。このようなバインダー含有量とすることにより、スラリー状の成形原料を成形してグリーンシートを成形したとき、及び、乾燥、焼成したときに、クラック等の発生を防止することが可能となる。   Although the addition amount of a binder is based also on the specific surface area of a ceramic raw material, it is preferable that it is about 4-20 mass parts with respect to 100 mass parts, and it is still more preferable that it is 6-15 mass parts. By setting it as such binder content, it becomes possible to prevent generation | occurrence | production of a crack etc., when shape | molding a slurry-like shaping | molding raw material and shape | molding a green sheet, and when drying and baking.

可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−2−エチルヘキシル、フタル酸ジイソノニル等を使用することができる。   As the plasticizer, glycerin, polyethylene glycol, dibutyl phthalate, di-2-ethylhexyl phthalate, diisononyl phthalate, or the like can be used.

可塑剤の添加量は、バインダー添加量100質量部に対して、30〜70質量部であることが好ましい。70質量部より多いと、グリーンシートが柔らかくなりすぎ、シートを加工する工程において変形しやすくなることがあり、30質量部より少ないと、グリーンシートが硬くなりすぎ、曲げただけでクラックが入るなどハンドリング性が悪くなることがある。   It is preferable that the addition amount of a plasticizer is 30-70 mass parts with respect to 100 mass parts of binder addition amounts. When the amount is more than 70 parts by mass, the green sheet becomes too soft and may be easily deformed in the process of processing the sheet. When the amount is less than 30 parts by mass, the green sheet becomes too hard and cracks are generated only by bending. Handling characteristics may deteriorate.

分散剤としては、水系ではアニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤等を使用することができ、非水系では脂肪酸、リン酸エステル、ソルビタン酸エステル、合成界面活性剤等を使用することができる。   As the dispersant, anionic surfactants, nonionic surfactants, and the like can be used in aqueous systems, and fatty acids, phosphate esters, sorbitan acid esters, synthetic surfactants, and the like can be used in non-aqueous systems. .

分散剤は、セラミックス原料100質量部に対して、1〜5質量部であることが好ましい。   It is preferable that a dispersing agent is 1-5 mass parts with respect to 100 mass parts of ceramic raw materials.

分散媒としては、水等を使用することができる。分散媒の使用量は、適宜設定することができる。   As the dispersion medium, water or the like can be used. The amount of the dispersion medium used can be set as appropriate.

上記各原料を、アルミナ製ポットまたはトロンメルにアルミナ玉石を投入したものを用いて十分に混合・混練してシート状グリーン体製作用のスラリー状の成形原料を作製する。   Each of the above raw materials is sufficiently mixed and kneaded using an alumina pot or a trommel containing alumina boulders to produce a slurry-like forming raw material for producing a sheet-like green body.

次に、得られたシート状グリーン体製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、更に所定の粘度となるように調製する。成形原料の調製において得られるスラリー状の成形原料の粘度は、500〜20000mPa・sであることが好ましく、2000〜10000mPa・sであることが更に好ましい。粘度範囲をこのように調整すると、スラリーをシート状に成形し易くなるため好ましい。スラリー粘度は、高過ぎても低過ぎても成形し難くなることがある。なお、スラリーの粘度は、B型粘度計で測定した値である。   Next, the obtained slurry-like forming raw material for producing the sheet-like green body is stirred under reduced pressure to defoam, and further prepared to have a predetermined viscosity. The viscosity of the slurry-like forming raw material obtained in the preparation of the forming raw material is preferably 500 to 20000 mPa · s, and more preferably 2000 to 10,000 mPa · s. It is preferable to adjust the viscosity range in this manner because the slurry can be easily formed into a sheet shape. If the slurry viscosity is too high or too low, molding may be difficult. The viscosity of the slurry is a value measured with a B-type viscometer.

次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をシート状に成形加工して、シート状グリーン体を形成する。成形加工方法は、成形原料をシート状に成形してシート状グリーン体を形成することができれば特に限定されず、ドクターブレード法、カレンダーロール法、熱ゲル化法、キャスティング等の公知の方法を使用することができる。また、ロールコンパクション法などのドライ製法を採用することができる。製造するシート状グリーン体の厚さは、50〜300μmであることが好ましい。   Next, the slurry-like forming raw material obtained by the above method is formed into a sheet shape to form a sheet-like green body. The forming method is not particularly limited as long as the forming raw material can be formed into a sheet shape to form a sheet-like green body, and a known method such as a doctor blade method, a calender roll method, a thermal gelation method, or a casting is used. can do. Moreover, dry manufacturing methods, such as a roll compaction method, are employable. The thickness of the sheet-like green body to be manufactured is preferably 50 to 300 μm.

次に、シート状グリーン体を積層して積層体を得る。シート状グリーン体を積層するときには、加熱とともに加圧しながら行うことが好ましい。   Next, a sheet-like green body is laminated to obtain a laminate. When laminating a sheet-like green body, it is preferable to carry out pressure while heating.

得られた積層体を50〜120℃で乾燥し、所望の温度で焼成して焼成体を得る。なお、シート状グリーン体が有機バインダーを含有する場合には、焼成の前に、400〜600℃で脱脂することが好ましい。   The obtained laminate is dried at 50 to 120 ° C. and fired at a desired temperature to obtain a fired body. In addition, when a sheet-like green body contains an organic binder, it is preferable to degrease at 400-600 degreeC before baking.

次に、得られた焼成体について、その表面及び裏面の所定の部分(センサ基板の第1面(表面)における少なくともセンシング用電極が配設される部分、及び、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の第2面(裏面)における少なくとも加熱用導体が配設される部分)を所望の粗さ(表面粗度(表面粗さ))に仕上げる。その方法としては、上述したブラスト法などの方法を適宜採用することができる。   Next, for the obtained fired body, a predetermined portion of the front surface and the back surface (at least the sensing electrode on the first surface (front surface) of the sensor substrate, and the thickness of the heating conductor, The sensor substrate is finished to a desired roughness (surface roughness (surface roughness)) at least on the second surface (back surface) of the sensor substrate where the heating conductor is disposed. As the method, a method such as the blast method described above can be appropriately employed.

次に、得られた焼成体の第1面(表面)及び第2面(裏面)にセンシング用電極及び加熱用導体を配設する。センシング用電極及び加熱用導体を配設する方法としては、スクリーン印刷などの方法を採用することができる。スクリーン印刷によりセンシング用電極及び加熱用導体を配設する場合、具体的には、まず、センシング用電極及び加熱用導体を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、センシング用電極及び加熱用導体のそれぞれの形成に必要なそれぞれの材質あわせて、金、銀、白金族、ニッケル、モリブデン、及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種を含有する粉末に、バインダー及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミル等を用いて混練することにより調製することができる。次に、調製した各導体ペーストを焼成体の第1面(表面)及び第2面(裏面)にスクリーン印刷法を用いて印刷して、所定の形状のセンシング用電極及び加熱用導体を形成する。このようにして、本発明のセンサ素子を作製することができる。   Next, a sensing electrode and a heating conductor are disposed on the first surface (front surface) and the second surface (back surface) of the fired body obtained. As a method for disposing the sensing electrode and the heating conductor, a method such as screen printing can be employed. When arranging the sensing electrode and the heating conductor by screen printing, specifically, first, a conductor paste for forming the sensing electrode and the heating conductor is prepared. This conductor paste contains at least one selected from the group consisting of gold, silver, platinum group, nickel, molybdenum, and tungsten in accordance with each material necessary for forming each of the sensing electrode and the heating conductor. It can be prepared by adding a solvent such as binder and terpineol to the powder and kneading using a triroll mill or the like. Next, the prepared conductor pastes are printed on the first surface (front surface) and the second surface (back surface) of the fired body using a screen printing method to form sensing electrodes and heating conductors having predetermined shapes. . In this way, the sensor element of the present invention can be produced.

なお、センシング用電極及び加熱用導体を精度良く形成するため、各導体ペーストを、スクリーン印刷法等を用いて印刷した直後に、熱風を吹きかけて少なくとも導体ペーストの表面を乾燥させることが好ましい。ここで、印刷した直後とは、印刷後2〜10秒であり、印刷後2〜5秒であることが好ましい。   In order to accurately form the sensing electrode and the heating conductor, it is preferable to blow at least the surface of the conductor paste by blowing hot air immediately after each conductor paste is printed using a screen printing method or the like. Here, “immediately after printing” means 2 to 10 seconds after printing, and preferably 2 to 5 seconds after printing.

なお、上述したように、積層体を焼成して焼成体を得た後、この焼成体に導体ペーストを印刷する場合に限られず、積層体に導体ペーストを印刷した後に焼成することによってセンサ素子を作製することもできる。また、このように積層体を形成する方法においては、加熱用導体を積層体内に埋設してもよい。更に、センシング用電極の一部を積層体内に埋設してもよい。加熱用導体を積層体内に埋設した場合、更に絶縁層を形成しなくても加熱用導体が排気ガスなどの雰囲気下においても保護されるという利点がある。   As described above, after firing the laminate to obtain a fired body, the present invention is not limited to printing the conductor paste on the fired body, and the sensor element can be obtained by firing after printing the conductor paste on the laminate. It can also be produced. Moreover, in the method of forming the laminated body in this way, the heating conductor may be embedded in the laminated body. Furthermore, a part of the sensing electrode may be embedded in the laminate. When the heating conductor is embedded in the laminated body, there is an advantage that the heating conductor can be protected even in an atmosphere such as exhaust gas without further forming an insulating layer.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
まず、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−2−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエート、分散媒として有機溶剤(キシレン、ブタノール=6:4(質量比))、及び、アルミナを使用し、これらをアルミナ製ポットに入れて混合し、シート状グリーン体製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ100質量部に対して、バインダー6質量部、可塑剤3質量部、分散剤2質量部、有機溶剤35質量部とした。
Example 1
First, polyvinyl butyral as a binder, di-2-ethylhexyl phthalate as a plasticizer, sorbitan trioleate as a dispersant, an organic solvent (xylene, butanol = 6: 4 (mass ratio)) and alumina as a dispersion medium. These were put in an alumina pot and mixed to prepare a slurry-like forming raw material for producing a sheet-like green body. The amount of each raw material used was 6 parts by mass of binder, 3 parts by mass of plasticizer, 2 parts by mass of dispersant, and 35 parts by mass of organic solvent with respect to 100 parts by mass of alumina.

次に、得られたシート状グリーン体製作用のスラリー状の成形原料を、減圧下で撹拌して脱泡し、粘度50000mPa・sとなるように調製した。スラリーの粘度は、B型粘度計で測定した。   Next, the obtained slurry-like forming raw material for producing the sheet-like green body was stirred under reduced pressure to defoam, and prepared to have a viscosity of 50000 mPa · s. The viscosity of the slurry was measured with a B-type viscometer.

次に、上記方法により得られた上記スラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工して厚さ250μmのグリーンシートを作製した。   Next, the slurry-like forming raw material obtained by the above method was formed into a sheet using a doctor blade method to produce a green sheet having a thickness of 250 μm.

得られたグリーンシートの表面上に同様のグリーンシート(厚さ250μm)を4枚重ねて5枚のグリーンシートを積層させた。その後、加熱可能な一軸プレス機を用いて加圧積層・熱圧着して、表面及び裏面を有する厚さ約1.25mmの平板状の積層体を得た。その後、得られた積層体を1600℃で2時間焼成して焼成体を得た。焼成体の表面粗さ(表面粗度)は、表面及び裏面ともに0.35μmであった。   Four similar green sheets (thickness 250 μm) were stacked on the surface of the obtained green sheet, and five green sheets were laminated. Thereafter, pressure lamination and thermocompression bonding were performed using a heatable uniaxial press to obtain a flat laminate having a thickness of about 1.25 mm having a front surface and a back surface. Thereafter, the obtained laminate was fired at 1600 ° C. for 2 hours to obtain a fired body. The surface roughness (surface roughness) of the fired body was 0.35 μm on both the front and back surfaces.

次に、所定の表面粗度とするため、得られた焼成体の表面及び裏面を処理した。具体的には、表面粗さが0.2μmになるまではダイヤ砥粒によるラップで仕上げ、表面粗さが0.8μmになるまではGC砥粒による粗ラップで仕上げた。なお、表面粗度は、ランク・テイラーホブソン社製の表面粗さ計にて先端径2μmの触針を用いて測定した。   Next, in order to obtain a predetermined surface roughness, the surface and the back surface of the obtained fired body were processed. Specifically, it was finished with a lapping with diamond abrasive grains until the surface roughness was 0.2 μm, and finished with a rough lapping with GC abrasive grains until the surface roughness was 0.8 μm. The surface roughness was measured with a stylus having a tip diameter of 2 μm using a surface roughness meter manufactured by Rank Taylor Hobson.

次に、所定の表面粗度とした焼成体の表面(第1面)及び裏面(第2面)に、図1及び図2に示されるようなセンシング用電極及び加熱用導体を配設した。具体的には、まず、センシング用電極及び加熱用導体を形成するための導体ペーストを以下のようにして調製した。導体としての白金粉末に、溶剤としてジ・エチレングリーコール・モノブチルエーテル・アセテート、バインダーとしてエチルセルロース、分散剤としてポリエチレングリコールモノオレエートを加え、トリロールミルを用いて混練した(質量比で、導体:溶剤:バインダー:分散剤=90:5:4:1)。このようにして、導体ペーストを調製した。   Next, a sensing electrode and a heating conductor as shown in FIGS. 1 and 2 were disposed on the surface (first surface) and the back surface (second surface) of the fired body having a predetermined surface roughness. Specifically, first, a conductor paste for forming a sensing electrode and a heating conductor was prepared as follows. Di-ethylene glycol / monobutyl ether / acetate as a solvent, ethyl cellulose as a binder, and polyethylene glycol monooleate as a dispersant were added to platinum powder as a conductor and kneaded using a tri-roll mill (in terms of mass ratio, conductor: solvent : Binder: Dispersant = 90: 5: 4: 1). In this way, a conductor paste was prepared.

次に、調製した導体ペーストを、上記焼成体の表面(第1面)及び裏面(第2面)にスクリーン印刷法を用いて印刷した。そして、上記導体ペーストを印刷して被印刷物を得た直後(印刷後2〜10秒の間)に、この被印刷物の表面及び裏面を80℃の熱風で即乾させ、更に1200℃で焼き付けた。このようにして、図1及び図2に示すような、表面にセンシング用電極が配設され且つ裏面に加熱用導体が配設されたセンサ素子を得た。   Next, the prepared conductor paste was printed on the surface (first surface) and back surface (second surface) of the fired body using a screen printing method. And immediately after printing the said conductor paste and obtaining a to-be-printed material (for 2 to 10 seconds after printing), the surface and back surface of this to-be-printed material were immediately dried with the hot air of 80 degreeC, and were further baked at 1200 degreeC. . In this way, a sensor element having a sensing electrode on the front surface and a heating conductor on the back surface as shown in FIGS. 1 and 2 was obtained.

得られたセンサ素子は、縦70mm×横6mm×厚さ1mmの平板棒状のものであり、加熱用導体は、縦6mm×横5mmの領域内に収まる大きさとした。加熱用導体の厚みは4μm、センシング用電極の厚みは15μmとした。そして、本実施例のセンサ素子は、センシング用電極の厚さに対する、センサ基板の表面(第1面)における表面粗度の割合を算出すると、0.2%(表3参照)であり、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の裏面(第2面)における表面粗度の割合を算出すると、1.0%(表1,表2参照)であった。   The obtained sensor element was a flat bar shape of length 70 mm × width 6 mm × thickness 1 mm, and the heating conductor was sized to fit within an area of length 6 mm × width 5 mm. The thickness of the heating conductor was 4 μm, and the thickness of the sensing electrode was 15 μm. And the sensor element of a present Example is 0.2% (refer Table 3), if the ratio of the surface roughness in the surface (1st surface) of a sensor board | substrate with respect to the thickness of the electrode for sensing is 0.2%, see heating When the ratio of the surface roughness on the back surface (second surface) of the sensor substrate to the thickness of the conductor for use was calculated, it was 1.0% (see Tables 1 and 2).

作製したセンサ素子について、以下に示す方法で、「信頼性の評価」、「温度ばらつきの評価」、及び「抵抗値のばらつきの評価」を行った。   The produced sensor element was subjected to “reliability evaluation”, “temperature variation evaluation”, and “resistance value variation evaluation” by the following methods.

[信頼性の評価方法]
室温のセンサ素子を900℃まで加熱した後、室温まで冷却させる操作を1サイクルとして、1000サイクル繰り返して行う。その後、目視にて観察して評価を行う。評価基準は、センシング用電極及び加熱用導体の剥離が確認されなかった場合を合格とし、センシング用電極及び加熱用導体の剥離が確認された場合を不合格とする。また、合格の結果が10回以上得られた場合を「A」とし、合格の結果が10回未満であった場合を「B」とした。結果を「評価」の欄に示す。なお、1000サイクルの操作を10回行った。測定結果及び評価結果を表1に示す。なお、表1中、「表面粗度(μm)」は、センサ基板の第2面の表面粗度を示し、「割合(%)」は、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の第2面の表面粗度の割合を示す。
[Reliability evaluation method]
An operation of heating the sensor element at room temperature to 900 ° C. and then cooling it to room temperature is performed as one cycle, and is repeated 1000 cycles. Then, it evaluates by observing visually. The evaluation criterion is a case where peeling of the sensing electrode and the heating conductor is not confirmed, and a case where peeling of the sensing electrode and the heating conductor is confirmed is rejected. Moreover, the case where the pass result was obtained 10 times or more was set as “A”, and the case where the pass result was less than 10 times was set as “B”. The results are shown in the “Evaluation” column. In addition, 1000 cycles of operation were performed 10 times. The measurement results and evaluation results are shown in Table 1. In Table 1, “surface roughness (μm)” indicates the surface roughness of the second surface of the sensor substrate, and “ratio (%)” indicates the second of the sensor substrate relative to the thickness of the heating conductor. The ratio of the surface roughness of the surface is shown.

[温度ばらつきの評価方法]
加熱用導体を900℃に設定したときのセンサ基板の第1面の温度を温度計(日本アビオニクス社製の(型番)「TVS−200EX」)で測定する。温度測定は、任意の10箇所における温度を測定することで行う。測定温度、平均温度、及び標準偏差(σ)を表2に示す。標準偏差(σ)の値から温度ばらつきを評価する。標準偏差(σ)が小さい場合(具体的には、15℃以下の場合)を「A」とし、標準偏差(σ)が大きい場合(具体的には、15℃超の場合)を「B」とした。結果を「評価」の欄に示す。測定結果及び評価結果を表2に示す。なお、加熱用導体の設定温度(900℃)に満たない部分は、センサ基板から加熱用導体が剥離していた。表2中、「表面粗度(μm)」は、センサ基板の第2面の表面粗度を示し、「割合(%)」は、加熱用導体の厚さに対する、センサ基板の第2面の表面粗度の割合を示す。
[Temperature variation evaluation method]
The temperature of the first surface of the sensor substrate when the heating conductor is set to 900 ° C. is measured with a thermometer ((model number) “TVS-200EX” manufactured by Nippon Avionics). The temperature measurement is performed by measuring the temperature at any 10 locations. Table 2 shows the measurement temperature, average temperature, and standard deviation (σ). The temperature variation is evaluated from the standard deviation (σ) value. A case where the standard deviation (σ) is small (specifically, 15 ° C. or less) is “A”, and a case where the standard deviation (σ) is large (specifically, a case where it exceeds 15 ° C.) is “B”. It was. The results are shown in the “Evaluation” column. Table 2 shows the measurement results and the evaluation results. Note that the heating conductor was peeled off from the sensor substrate in a portion that did not reach the set temperature (900 ° C.) of the heating conductor. In Table 2, “surface roughness (μm)” indicates the surface roughness of the second surface of the sensor substrate, and “ratio (%)” indicates the thickness of the second surface of the sensor substrate with respect to the thickness of the heating conductor. The ratio of surface roughness is shown.

[抵抗値のばらつきの評価方法]
[信頼性の評価方法]と同様にして1000サイクル繰り返して行った後、LCRメーターにてセンシング用電極の一対の電極(正極及び負極)のうちの正極の導通抵抗値を測定する。なお、1000サイクルの操作を10回行った。抵抗値のばらつきが0.1Ω以下であった場合を合格「A」とし、0.1Ω超であった場合を不合格「B」とした。結果を「評価」の欄に示す。測定結果及び評価結果を表3に示す。表3中、「−」は電極が剥離していたことを示し、標準偏差は満足していた(0.1Ω以下であった)が不合格「B」とした。なお、表3中、「表面粗度(μm)」は、センサ基板の第1面の表面粗度を示し、「割合(%)」は、電極の厚さに対する、センサ基板の第1面の表面粗度の割合を示す。
[Evaluation method of resistance variation]
After repeating 1000 cycles similarly to [Reliability evaluation method], the conduction resistance value of the positive electrode of the pair of sensing electrodes (positive electrode and negative electrode) is measured with an LCR meter. In addition, 1000 cycles of operation were performed 10 times. The case where the variation of the resistance value was 0.1Ω or less was regarded as a pass “A”, and the case where the resistance value was more than 0.1Ω was regarded as a disapproval “B”. The results are shown in the “Evaluation” column. Table 3 shows the measurement results and the evaluation results. In Table 3, “-” indicates that the electrode was peeled off, and the standard deviation was satisfied (0.1Ω or less), but was rejected as “B”. In Table 3, “surface roughness (μm)” indicates the surface roughness of the first surface of the sensor substrate, and “ratio (%)” indicates the ratio of the first surface of the sensor substrate to the electrode thickness. The ratio of surface roughness is shown.

Figure 2011247725
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Figure 2011247725
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Figure 2011247725
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(実施例2,3、比較例1,2)
表1に示す、表面粗度(μm)としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2,3、比較例1,2の各センサ素子を作製した。その後、作製した各センサ素子について、実施例1の場合と同様に、上記方法で「信頼性の評価」、「温度ばらつきの評価」、及び「抵抗値のばらつきの評価」を行った。結果を表1〜表3に示す。
(Examples 2 and 3, Comparative Examples 1 and 2)
The sensor elements of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness (μm) shown in Table 1 was used. Thereafter, as in the case of Example 1, “reliability evaluation”, “temperature variation evaluation”, and “resistance value variation evaluation” were performed on each sensor element produced in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 to 3.

表1〜表3から明らかなように、実施例1〜3のセンサ素子は、比較例1,2のセンサ素子に比べて、再生操作を繰り返すことに対する耐久性及び均一な温度上昇が可能であることが確認できた。   As is clear from Tables 1 to 3, the sensor elements of Examples 1 to 3 can be more durable and have a uniform temperature increase than the sensor elements of Comparative Examples 1 and 2 with respect to repeated regeneration operations. I was able to confirm.

実施例1,2では、センサ基板の表面粗度の割合がより適正であるため「温度ばらつきの評価」の結果が良好であった。なお、実施例3では、「温度ばらつきの評価」結果が「A」評価ではあるが、標準偏差が大きい。このように標準偏差が大きいことは、電極厚みと温度ばらつきとの関係において、センサ基板の表面粗度の割合が大きく関与していることを示している。具体的には電極の膜質が低下しているものと推定される。   In Examples 1 and 2, since the ratio of the surface roughness of the sensor substrate was more appropriate, the result of “evaluation of temperature variation” was good. In Example 3, the “temperature variation evaluation” result is “A” evaluation, but the standard deviation is large. Such a large standard deviation indicates that the ratio of the surface roughness of the sensor substrate is greatly involved in the relationship between the electrode thickness and the temperature variation. Specifically, it is estimated that the film quality of the electrode is deteriorated.

比較例1では、センシング用電極及び加熱用導体の剥離が生じる程度が多く「信頼性の評価」の結果が悪くなった。   In Comparative Example 1, the degree of peeling of the sensing electrode and the heating conductor was large, and the result of “reliability evaluation” was deteriorated.

本発明のセンサ素子は、浮遊物質の濃度を測定するためのセンサとして用いることができ、具体的には、自動車などの排気系に設置されるセンサとして好適に用いることができる。   The sensor element of the present invention can be used as a sensor for measuring the concentration of suspended solids, and specifically, can be suitably used as a sensor installed in an exhaust system of an automobile or the like.

11A,11B:センサ基板、13:第1面、15:第2面、17:センシング用電極、17a,17b:電極、19:加熱用導体、21:浮遊物質、23:絶縁層、100A,100B:センサ素子。 11A, 11B: sensor substrate, 13: first surface, 15: second surface, 17: sensing electrode, 17a, 17b: electrode, 19: heating conductor, 21: floating substance, 23: insulating layer, 100A, 100B : Sensor element.

Claims (7)

第1面及び第2面を有するセラミックスからなるセンサ基板と、
前記センサ基板の前記第1面上に配設されるとともに、一対の電極からなるセンシング用電極と、
前記センサ基板の前記第2面上に配設され、前記センサ基板及び前記センシング用電極を加熱可能な加熱用導体と、を備え、
前記センシング用電極の厚さに対する、前記センサ基板の前記第1面における少なくとも前記センシング用電極が配設された部分の表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、
前記加熱用導体の厚さに対する、前記センサ基板の前記第2面における少なくとも前記加熱用導体が配設された部分の表面粗度の割合が、1〜3%であるセンサ素子。
A sensor substrate made of ceramics having a first surface and a second surface;
A sensing electrode disposed on the first surface of the sensor substrate and including a pair of electrodes;
A heating conductor disposed on the second surface of the sensor substrate and capable of heating the sensor substrate and the sensing electrode;
The ratio of the surface roughness of at least the portion where the sensing electrode is disposed on the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode is 0.2 to 4%,
A sensor element in which a ratio of surface roughness of at least a portion of the second surface of the sensor substrate on which the heating conductor is disposed to a thickness of the heating conductor is 1 to 3%.
前記センシング用電極の厚さに対する、前記センサ基板の前記第1面における表面粗度の割合が、0.2〜4%であり、前記加熱用導体の厚さに対する、前記センサ基板の前記第2面における表面粗度の割合が、1〜3%である請求項1に記載のセンサ素子。   The ratio of the surface roughness of the first surface of the sensor substrate to the thickness of the sensing electrode is 0.2 to 4%, and the second of the sensor substrate with respect to the thickness of the heating conductor. The sensor element according to claim 1, wherein the surface roughness ratio of the surface is 1 to 3%. 前記センサ基板は、酸化アルミニウム、ムライト、及び、スピネルからなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなる請求項1または2に記載のセンサ素子。   The sensor element according to claim 1, wherein the sensor substrate is made of at least one ceramic selected from the group consisting of aluminum oxide, mullite, and spinel. 前記センサ基板は、前記第1面である表面及び前記第2面である裏面を有する平板状であり、
前記表面上に前記センシング用電極が配設され、前記裏面上に前記加熱用導体が配設されている請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサ素子。
The sensor substrate is a flat plate having a front surface that is the first surface and a back surface that is the second surface;
The sensor element according to claim 1, wherein the sensing electrode is disposed on the front surface, and the heating conductor is disposed on the back surface.
前記一対の電極は、その間の電気的な特性の変化が測定される測定部を有しており、前記測定部が白金族からなるものである請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサ素子。   The said pair of electrodes have a measurement part by which the change of the electrical property between them is measured, The said measurement part consists of a platinum group, As described in any one of Claims 1-4. Sensor element. 前記測定部が白金からなるものである請求項5に記載のセンサ素子。   The sensor element according to claim 5, wherein the measurement unit is made of platinum. 前記加熱用導体の表面の少なくとも一部を被覆する絶縁層を更に備える請求項1〜6のいずれか一項に記載のセンサ素子。   The sensor element as described in any one of Claims 1-6 further equipped with the insulating layer which coat | covers at least one part of the surface of the said conductor for a heating.
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