JP2941395B2 - Composite gas sensing element - Google Patents

Composite gas sensing element

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JP2941395B2 JP24744690A JP24744690A JP2941395B2 JP 2941395 B2 JP2941395 B2 JP 2941395B2 JP 24744690 A JP24744690 A JP 24744690A JP 24744690 A JP24744690 A JP 24744690A JP 2941395 B2 JP2941395 B2 JP 2941395B2
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は複合型ガス検知素子に関する。[Detailed Description of the Invention] (Object of the invention) (Industrial application field) The present invention relates to a composite gas detection element.

(従来の技術) 従来、大気中の還元ガスを検出するガス検知素子とし
て、n型半導体特性を示すSnO2、ZnO又はFe2O3などの金
属酸化物半導体の焼結体を用いたものが知られている。
これらのガス検知素子は、金属酸化物半導体が還元性ガ
スに接触したときに、その電気伝導度が増大する現象を
利用したものである。一般に、金属酸化物半導体と還元
性ガスとの反応は、金属酸化物半導体の表面に吸着(負
イオン吸着)した大気中酸素による酸化反応として理解
されている。この反応は可逆反応であるため、大気中の
還元性ガスの濃度が低下すれば、素子抵抗は清浄空気中
における値に回復する。したがって、金属酸化物半導体
の表面又は結晶構造などの物性変化が起こらないかぎ
り、センサはその特性を維持することができる。
(Prior art) Conventionally, as a gas detection element for detecting a reducing gas in the atmosphere, a gas detection element using a sintered body of a metal oxide semiconductor such as SnO 2 , ZnO or Fe 2 O 3 exhibiting n-type semiconductor characteristics has been known. Are known.
These gas sensing elements utilize a phenomenon that when a metal oxide semiconductor comes into contact with a reducing gas, the electrical conductivity thereof increases. In general, the reaction between a metal oxide semiconductor and a reducing gas is understood as an oxidation reaction caused by atmospheric oxygen adsorbed (negative ion adsorbed) on the surface of the metal oxide semiconductor. Since this reaction is a reversible reaction, when the concentration of the reducing gas in the atmosphere decreases, the element resistance returns to the value in the clean air. Therefore, the sensor can maintain its characteristics as long as physical properties such as the surface or crystal structure of the metal oxide semiconductor do not change.

SnO2及びZnOを用いるガス検知素子では、半導体のみ
では実用的な検出感度を得ることが困難である。このた
め、通常は白金(Pt)、パラジウム(Pd)などの貴金属
触媒、又は酸化物触媒が増感剤として用いられる。これ
らの触媒は、半導体の焼結体に添加される場合もあれ
ば、アルミナなどの担体に担持された形で半導体の表面
に触媒層として形成される場合もある。触媒は、単に増
感剤として機能するだけでなく、検出対象となるガスに
対する選択性を向上させる効果を持っている。ガス選択
性を向上させる要因としては、触媒材料のほかに、動作
温度が挙げられる。
With a gas detection element using SnO 2 and ZnO, it is difficult to obtain practical detection sensitivity only with a semiconductor. For this reason, noble metal catalysts such as platinum (Pt) and palladium (Pd) or oxide catalysts are usually used as sensitizers. These catalysts may be added to the sintered body of the semiconductor, or may be formed as a catalyst layer on the surface of the semiconductor while being supported on a carrier such as alumina. The catalyst not only functions as a sensitizer, but also has an effect of improving selectivity for a gas to be detected. Factors that improve gas selectivity include the operating temperature in addition to the catalyst material.

触媒材料が増感剤として作用し、かつガス選択性を向
上させる効果を示すのは以下のような理由による。ま
ず、触媒は、大気中酸素の半導体への負イオン吸着を促
進する。これにより、半導体の抵抗値が上昇し、O-イオ
ンの増加により一定濃度の還元性ガスに対する感度(抵
抗変化率)が大きくなる。また、触媒は、還元性ガスと
O-イオンとの反応も促進させる。ただし、触媒種と反応
温度(素子動作温度)によっては、還元性ガスの酸化反
応が半導体の抵抗変化を生じさせないこともある。この
ため、触媒種と素子動作温度に応じて、ガス選択性が生
じる。
The reason why the catalyst material acts as a sensitizer and exhibits an effect of improving gas selectivity is as follows. First, the catalyst promotes adsorption of atmospheric oxygen to the semiconductor for negative ions. As a result, the resistance value of the semiconductor increases, and the sensitivity (rate of change in resistance) to a certain concentration of reducing gas increases due to an increase in O 2 - ions. In addition, the catalyst is
It also promotes the reaction with O - ions. However, depending on the type of catalyst and the reaction temperature (element operating temperature), the oxidation reaction of the reducing gas may not cause a change in the resistance of the semiconductor. For this reason, gas selectivity occurs depending on the catalyst type and the element operating temperature.

ガス検知素子の素子構造に関しては、現在、円筒型の
焼結体素子の内部に加熱用ヒータコイルを挿入したもの
が主流である。しかし、近年、ガス検知素子のシステム
への応用及び複数の検知機能を有する多機能化の要請に
より薄膜型微小化センサの研究が進められている。
As for the element structure of the gas detection element, at present, the mainstream is one in which a heating heater coil is inserted inside a cylindrical sintered body element. However, in recent years, research on a thin-film miniaturized sensor has been promoted in response to a demand for application of a gas detection element to a system and multifunctionality having a plurality of detection functions.

薄膜型ガス検知素子は、基板の表面に金属酸化物半導
体膜を形成し、基板裏面にヒータとしてPtなどの抵抗体
を印刷したり、内部にヒータを有する絶縁基板を用いて
その表面に金属酸化物半導体膜を形成した後、ワイヤボ
ンディングなどの技術を用いて実装化される。薄膜型セ
ンサは、従来の焼結体型と異なり、いわゆる平板型素子
であり、素子の集積化が可能となる。
The thin-film gas sensing element has a metal oxide semiconductor film formed on the surface of the substrate, a resistor such as Pt is printed on the back of the substrate as a heater, or a metal oxide semiconductor is formed on the surface using an insulating substrate with a heater inside. After the product semiconductor film is formed, it is mounted using a technique such as wire bonding. The thin film type sensor is a so-called flat type element, unlike the conventional sintered body type, and the element can be integrated.

(発明が解決しようとする課題) 半導体式ガス検知素子において、単一の素子で複数の
ガス種を識別することは不可能であるので、多機能化を
図るためには、特定のガスに高感度を有する複数種の素
子を集積化する必要がある。しかし、現状では、多機能
化は達成されていない。
(Problems to be Solved by the Invention) In a semiconductor-type gas detection element, it is impossible to identify a plurality of gas types with a single element. It is necessary to integrate a plurality of types of sensitive devices. However, at present, multifunctionalization has not been achieved.

本発明の目的は、複数のガス種を高い信頼性で識別す
ることができる複合型ガス検知素子を提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a composite gas sensing element that can identify a plurality of gas types with high reliability.

[発明の構成] (課題を解決するための手段と作用) 本発明の複合型ガス検知素子は、CH4、H2、C3H8、CO
及びC2H5OHの5種のガスを検知する複合型ガス検知素子
であって、ヒータを内蔵するセラミック基板上にそれぞ
れ形成された、CH4及びH2の存在を検知する第1の酸化
物半導体ガス検知素子、C3H8及びC2H5OHの存在を検知す
る第2の酸化物半導体ガス検知素子、H2、C3H8、CO及び
C2H5OHの存在を検知する第3の酸化物半導体ガス検知素
子、ならびにC2H5OHの存在を検知する第4の酸化物半導
体ガス検知素子からなる4種の酸化物半導体ガス検知素
子と、前記4種のガス検知素子の出力を判定する手段と
を具備したことを特徴とする。
[Composition of the Invention] (Means and Actions for Solving the Problems) The composite gas detection element of the present invention comprises CH 4 , H 2 , C 3 H 8 , CO 2
And a C 2 H 5 OH gas detecting element for detecting the presence of CH 4 and H 2 formed on a ceramic substrate having a built-in heater. Semiconductor gas detection element, a second oxide semiconductor gas detection element for detecting the presence of C 3 H 8 and C 2 H 5 OH, H 2 , C 3 H 8 , CO and
C 2 H 5 the third oxide semiconductor gas detecting element for detecting the presence of OH, and C 2 H 5 OH fourth oxide four oxide semiconductor gas detection comprising a semiconductor gas sensing element for detecting the presence of And a means for judging the outputs of the four types of gas detection elements.

本発明において、ガス選択性の異なる4種の酸化物半
導体ガス検知素子は、例えば異なる4種の触媒を用いる
ことにより形成することができる。4種のガス検知素子
の出力を判定する手段としては、4種のガス検知素子の
オン・オフをCPUに入力することにより、特定のガスの
存在を検出する手段が挙げられる。
In the present invention, four types of oxide semiconductor gas sensing elements having different gas selectivities can be formed by using, for example, four different types of catalysts. As means for determining the outputs of the four types of gas detection elements, means for detecting the presence of a specific gas by inputting ON / OFF of the four types of gas detection elements to the CPU can be cited.

本発明において、ヒータは基板の一部に局在化させ、
かつ基板に切欠部を設けて基板表面を区画することによ
り、区画された領域に形成される各ガス検知素子の間に
温度差が生じるようにすることが好ましい。このような
構成にすれば、各ガス検知素子のガス選択性を向上する
ことができる。
In the present invention, the heater is localized on a part of the substrate,
In addition, it is preferable that a notch is provided in the substrate to divide the surface of the substrate so that a temperature difference is generated between the gas detection elements formed in the divided region. With such a configuration, the gas selectivity of each gas detection element can be improved.

本発明においては、4種の酸化物半導体ガス検知素子
のほかに、酸素センサを設けることが好ましい。一般
に、固体電解質を用いた酸素センサとしては、安定化ジ
ルコニアを用いたセンサが知られている。これは、ジル
コニア基板の一方の面に検知電極を、他方の面に参照電
極を設け、両面における酸素分圧差による起電力を検出
するものである。しかし、ジルコニアはイオン伝導を示
すのが、約600℃以上と高温であるため、加熱用ヒータ
の消費電力が高い。これに対して、フッ化物イオン伝導
体を用いた酸素センサは、作動温度が低いため好まし
い。このように酸素センサを設ければ、雰囲気中の酸素
濃度をモニターすることができ、酸欠状態を検知するこ
とができる。
In the present invention, it is preferable to provide an oxygen sensor in addition to the four types of oxide semiconductor gas detection elements. In general, a sensor using stabilized zirconia is known as an oxygen sensor using a solid electrolyte. In this method, a detection electrode is provided on one surface of a zirconia substrate and a reference electrode is provided on the other surface, and an electromotive force due to a difference in oxygen partial pressure on both surfaces is detected. However, since zirconia exhibits ionic conduction at a high temperature of about 600 ° C. or higher, the power consumption of the heating heater is high. On the other hand, an oxygen sensor using a fluoride ion conductor is preferable because the operating temperature is low. By providing the oxygen sensor in this manner, the oxygen concentration in the atmosphere can be monitored, and the state of oxygen deficiency can be detected.

本発明においては、4種の酸化物半導体ガス検知素子
のほかに、温度補正用の抵抗体を設けることが好まし
い。このような抵抗体を設ければ、周囲温度変化による
各ガス検知素子の特性変化を補正することができる。
In the present invention, it is preferable to provide a resistor for temperature compensation in addition to the four types of oxide semiconductor gas sensing elements. By providing such a resistor, it is possible to correct a change in characteristics of each gas detection element due to a change in ambient temperature.

(実施例) 以下、本発明の実施例を第1図〜第4図を参照して説
明する。第1図は、ヒータ基板上に、ガス選択性の異な
る4種のガス検知素子、酸素センサ及び白金抵抗体を集
積化した複合型ガス検知素子の平面図である。第2図は
同複合型ガス検知素子を一部破断して示す側面図であ
る。第3図及び第4図は複合型ガス検知素子を製造工程
順に示す平面図である。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of a composite gas detection element in which four types of gas detection elements having different gas selectivities, an oxygen sensor, and a platinum resistor are integrated on a heater substrate. FIG. 2 is a side view showing the composite gas detecting element with a part cut away. 3 and 4 are plan views showing the composite gas sensing element in the order of the manufacturing process.

長方形のヒータ基板1には、その1隅に局在して内部
ヒータ2が内蔵されている。ヒータ基板1には、4つの
切欠部3が2つの長辺の互いに対応する2個所から中央
部近傍まで短返に沿って設けられ、ヒータ基板1の表面
は6つの領域に区画されている。これらの切欠部3は、
内部ヒータ2から発生する熱が他の領域に伝わるのを妨
げて、区画された領域に形成される各ガス検知素子に温
度差を生じさせる作用を有する。ヒータ基板1の周縁部
には、ボンディングパッド41〜411が設けられている。
ボンディングパッド46、47は内部ヒータ2と接続されて
いる。ボンディングパッド41〜45は後述する各ガス検知
素子の対向電極51〜55と接続されている。このうち対向
電極55は4つのガス検知素子の共通電極となっている。
内部ヒータ2上方に形成された対向電極51、55上には第
1のガス検知素子(都市ガス検知用)6が形成されてい
る。第1のガス検知素子6が形成された区画に隣接する
3つの区画には、それぞれ対向電極52、55上に第2のガ
ス検知素子(プロパン・アルコール検知用)7、対向電
極53、55上に第3のガス検知素子8(雑ガス検知用)、
対向電極54、55上に第4のガス検知素子(アルコール検
知用)9が形成されている。第3のガス検知素子8が形
成された区画に隣接する区画には、酸素センサ10が形成
されている。酸素センサ10は後述するようにアルミナ基
板上にAg電極、LaF3層、及びPt電極が順次形成された構
造を有している。Ag電極及びPt電極は、金線11、11によ
りそれぞれボンディングパッド48、49に接続されてい
る。第4のガス検知素子9が形成された区画に隣接する
区画には、白金抵抗体12がボンディングパッド410、411
に接続されて形成されている。
The rectangular heater substrate 1 has a built-in internal heater 2 localized at one corner. In the heater substrate 1, four notches 3 are provided along two short sides from two corresponding portions of two long sides to near the center, and the surface of the heater substrate 1 is partitioned into six regions. These notches 3
This has the function of preventing the heat generated from the internal heater 2 from being transmitted to other areas, and causing a temperature difference between the gas detection elements formed in the divided areas. The peripheral portion of the heater board 1, the bonding pads 41 to 11 are provided.
Bonding pads 4 6, 4 7 is connected to the internal heater 2. Bonding pad 41 to 5 is connected to the counter electrode 5 1 to 5 5 of each gas sensing element will be described later. Among the counter electrode 5 5 has a common electrode of the four gas sensing element.
Counter electrode 5 1 is formed inside the heater 2 above, 5 on the 5 first gas sensing element (for city gas detection) 6 is formed. First into compartment 3 adjacent to the compartments gas sensing element 6 is formed, respectively counter electrode 5 2, 5 second gas sensing element on a 5 (propane alcohol detection) 7, the counter electrode 5 3 , on 5 5 third gas sensing element 8 (for miscellaneous gas detection),
Counter electrode 5 4, 5 on the 5 fourth gas sensing element (alcohol detection) 9 is formed. An oxygen sensor 10 is formed in a section adjacent to the section in which the third gas detection element 8 is formed. The oxygen sensor 10 has a structure in which an Ag electrode, a LaF 3 layer, and a Pt electrode are sequentially formed on an alumina substrate, as described later. Ag electrode and Pt electrodes are connected to the bonding pad 4 8, 4 9 respectively by gold wires 11, 11. In a section adjacent to the section in which the fourth gas detection element 9 is formed, platinum resistors 12 are provided with bonding pads 4 10 and 4 11.
Is formed.

このような構成を有するヒータ基板1の各ボンディン
グパッド41〜411には、それぞれリード13、…が接続さ
れている。そして、各リード13、…は、ステム14に埋設
された各リードピン15、…に接続されている。ステム14
上にはネット製保護キャップ16が形成されている。
Thus each bonding pad 41 to 11 of the heater board 1, such a configuration, the lead 13, respectively, ... are connected. Each of the leads 13,... Is connected to each of the lead pins 15,. Stem 14
On the top, a net-made protective cap 16 is formed.

この複合型ガス検知素子の製造方法を第3図、第4図
及び第1図を参照して説明する。
A method for manufacturing the composite gas sensing element will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 1. FIG.

ヒータ基板1は、以下のようにして作製された。主原
料であるAl2O3に、微量のSiO2、MgO、CaOなど、及び溶
剤、可塑剤、樹脂を加え、ボールミルで混合してスラリ
ーを調製した。このスラリーから、ドクターブレード法
により約0.4mm厚のグリーンシートを作製した。このグ
リーンシートは、複数個のヒータ基板を形成できる面積
を有する。1層目のグリーンシートの表面の一部にヒー
タ用の厚膜抵抗体(Pt−W)をスクリーン印刷法で印刷
して内部ヒータ2を形成した。このグリーンシートの表
面に、内部ヒータ2と接続されるビアホールが形成され
た2層目のグリーンシートを熱圧着により積層した。2
層目のグリーンシートのビアホール内にスクリーン印刷
法で導体ペーストを充填した。この段階で、治具を用い
てグリーンシートを打ち抜くことにより、切欠部3を設
けた。また、スクリーン印刷法により白金抵抗体12を形
成した。このグリーンシートを還元雰囲気下で約1550℃
で焼成した。焼成後、基板表面に、対向電極51〜55及び
ボンディングパッド41〜411のパターン(Au)をスクリ
ーン印刷法で印刷した。1シートを複数個に分割してヒ
ータ基板1を作製した。作製されたヒータ基板1の寸法
は、14mm×10.4mm×0.4mmである。
The heater substrate 1 was manufactured as follows. A small amount of SiO 2 , MgO, CaO, etc., a solvent, a plasticizer, and a resin were added to Al 2 O 3 as a main raw material, and mixed with a ball mill to prepare a slurry. From this slurry, a green sheet having a thickness of about 0.4 mm was produced by a doctor blade method. The green sheet has an area where a plurality of heater substrates can be formed. An internal heater 2 was formed by printing a thick-film resistor (Pt-W) for a heater on a part of the surface of the first green sheet by a screen printing method. On the surface of this green sheet, a second layer green sheet having a via hole connected to the internal heater 2 was laminated by thermocompression bonding. 2
The conductive paste was filled into the via holes of the green sheet of the layer by screen printing. At this stage, the notch 3 was provided by punching out the green sheet using a jig. Further, the platinum resistor 12 was formed by a screen printing method. Approximately 1550 ° C under a reducing atmosphere
Was fired. After firing, the surface of the substrate, and printed pattern of the counter electrode 5 1 to 5 5 and the bonding pads 41 to 11 (Au) by a screen printing method. One sheet was divided into a plurality of pieces to produce the heater substrate 1. The dimensions of the manufactured heater substrate 1 are 14 mm × 10.4 mm × 0.4 mm.

各ガス検知素子6〜9を構成する半導体材料として
は、SnO2系半導体薄膜を用いた。まず、Snの金属石ケン
(例えば2−エチルヘキサン酸スズ)にNbの樹脂塩を加
え、Snに対して不純物としてNbを原子比で約1%添加し
た。これらの原料混合物をn−ブタノールに溶解し、Sn
の金属石ケンの濃度が約20wt%の溶液を調製した。この
溶液をヒータ基板1の表面の所定個所(約2mm□)に塗
布するために、所定個所の周囲をエポキシ樹脂で固め、
溶液をディスペンサーを用いて所定量滴下した。空気中
で約1時間放置した後、約600℃で30分間焼成し、約500
0Åの薄膜を形成した。Snの原料としては、金属石ケン
のほかに、樹脂塩、アルコキシド、又はSnを含有する有
機化合物を用いてもよい。不純物として、NbのほかにSb
を用いてもよい。不純物の添加量はSnに対する原子比で
0.5〜5%が好ましい。焼成温度は400〜700℃の温度範
囲が好ましい。
As a semiconductor material constituting each of the gas detection elements 6 to 9, a SnO 2 -based semiconductor thin film was used. First, Nb resin salt was added to Sn metal soap (for example, tin 2-ethylhexanoate), and about 1% of Nb was added as an impurity to Sn at an atomic ratio. These raw material mixtures were dissolved in n-butanol, and Sn
A solution having a concentration of about 20% by weight of metallic soap was prepared. In order to apply this solution to a predetermined location (about 2 mm square) on the surface of the heater substrate 1, the periphery of the predetermined location is hardened with epoxy resin,
A predetermined amount of the solution was dropped using a dispenser. After leaving it in the air for about 1 hour, baking it at about 600 ° C for 30 minutes, about 500 hours
A 0 ° thin film was formed. As a raw material of Sn, in addition to metal soap, a resin salt, an alkoxide, or an organic compound containing Sn may be used. As impurities, Sb in addition to Nb
May be used. The amount of impurities added is the atomic ratio to Sn
0.5-5% is preferred. The firing temperature is preferably in the range of 400 to 700 ° C.

これらのSnO2系半導体薄膜上に、以下のようにして触
媒層を形成した。触媒層としては、第1のガス検知素子
(都市ガス検知用)6にPt(1.0wt%)−Al2O3、第2の
ガス検知素子(プロパン・アルコール検知用)7にRh
(1.0wt%)−Al2O3、第3のガス検知素子(雑ガス検知
用)8にCu(1.0wt%)−W(5.0wt%)−Al2O3、第4
のガス検知素子(アルコール検知用)9にCu(1.0wt
%)−Al2O3を用いた。
A catalyst layer was formed on these SnO 2 -based semiconductor thin films as follows. As a catalyst layer, Pt (1.0 wt%)-Al 2 O 3 is used for the first gas detecting element (for detecting city gas) 6, and Rh is used for the second gas detecting element (for detecting propane / alcohol) 7.
(1.0 wt%)-Al 2 O 3 , Cu (1.0 wt%)-W (5.0 wt%)-Al 2 O 3 , fourth gas detecting element (for miscellaneous gas detection) 8
Cu (1.0wt) for the gas detection element (for alcohol detection) 9
%) - were used Al 2 O 3.

触媒層を構成する成分のうちPtの原料としてはH2PtCl
6・H2O、Rhの原料としてはRhCl3・H2O、Cuの原料として
は硫酸銅、Wの原料としてはタングステン酸アンモニウ
ムを用いた。まず、Pt触媒粉末、Rh触媒粉末、Cu触媒粉
末を以下のようにして調製した。各原料の水溶液を調製
し、アルミナ担体上に担持される触媒が所定量となるよ
うに水溶液を採取してアルミナとともに混合した。1〜
2時間減圧乾燥し、更に100℃で乾燥固化させた後、乳
鉢で充分粉砕した。この粉末を約500℃で1時間焼成す
ることにより、各触媒粉末を調製した。また、調製され
たCu触媒粉末と所定量のタングステン酸アンモニウムの
水溶液とを混合し、以下前記と同様の方法でCu−W触媒
粉末を調製した。なお、Pt、Rhの原料は前述した塩化物
の他に、(NH42PtCl5、(NH43RhCl6などのアンモニ
ウム塩を用いてもよい。Pt触媒粉末及びRh触媒粉末の焼
成温度は400〜800℃であることが好ましい。Cu触媒粉末
及びCu−W触媒粉末の焼成温度は400〜600℃であること
が好ましい。
H 2 PtCl is used as a raw material for Pt among the components constituting the catalyst layer.
RhCl 3 .H 2 O was used as a raw material for 6 · H 2 O and Rh, copper sulfate was used as a raw material for Cu, and ammonium tungstate was used as a raw material for W. First, a Pt catalyst powder, a Rh catalyst powder, and a Cu catalyst powder were prepared as follows. An aqueous solution of each raw material was prepared, and the aqueous solution was sampled and mixed with alumina so that a predetermined amount of the catalyst was supported on the alumina carrier. 1 to
After drying under reduced pressure for 2 hours and further drying and solidifying at 100 ° C., the mixture was sufficiently ground in a mortar. This powder was calcined at about 500 ° C. for 1 hour to prepare each catalyst powder. Further, the prepared Cu catalyst powder and a predetermined amount of an aqueous solution of ammonium tungstate were mixed, and a Cu-W catalyst powder was prepared in the same manner as described above. In addition, as a raw material of Pt and Rh, an ammonium salt such as (NH 4 ) 2 PtCl 5 and (NH 4 ) 3 RhCl 6 may be used in addition to the above-mentioned chloride. The calcination temperature of the Pt catalyst powder and the Rh catalyst powder is preferably 400 to 800 ° C. The firing temperature of the Cu catalyst powder and the Cu-W catalyst powder is preferably from 400 to 600 ° C.

調製された各触媒粉末を、アルコール系有機バインダ
ー又はAl樹脂塩を用いてスラリー化した。これらのスラ
リーを、SnO2系半導体薄膜上にディスペンサを用いて所
定量滴下した。約100℃で30分間乾燥した後、約500℃で
5分間焼成して焼き付けを行い、各触媒層を形成した。
Each prepared catalyst powder was slurried using an alcohol-based organic binder or an Al resin salt. A predetermined amount of each of these slurries was dropped on the SnO 2 -based semiconductor thin film using a dispenser. After drying at about 100 ° C. for 30 minutes, it was baked at about 500 ° C. for 5 minutes and baked to form each catalyst layer.

酸素センサ10は以下のようにして作製した。酸素セン
サ10を構成する低温作動型のフッ化物イオン伝導体とし
てはLaF3を用いた。0.2mm厚のアルミナ基板上に、参照
電極としてAgを1.5mm□の形状となるように2000Åの厚
さに蒸着した。LaF3粉末を、PVAなどの有機バインダー
を用いてスラリー化した。このスラリーを、スピンコー
ト法によりAg電極上に塗布し、約300℃で1時間焼成
し、LaF3層を形成した。LaF3層上に検知電極としてPtを
約1000Åの厚さにスパッタリングした。素子の大きさが
2mm□となるように、基板からスクライブして切り出
し、この素子をヒータ基板1上に無機接着剤で接着して
固定した。両電極のリード線として約30μmの金線11を
用い、いずれも導電性ペーストでボンディングパッド
48、49に接続した。
The oxygen sensor 10 was manufactured as follows. LaF 3 was used as a low-temperature operation type fluoride ion conductor constituting the oxygen sensor 10. Ag was vapor-deposited on a 0.2 mm-thick alumina substrate to a thickness of 2000 mm so as to have a 1.5 mm square shape as a reference electrode. LaF 3 powder was slurried using an organic binder such as PVA. The slurry was applied on an Ag electrode by a spin coating method and baked at about 300 ° C. for 1 hour to form a LaF 3 layer. It was sputtered to a thickness of about 1000Å Pt as sensing electrode LaF 3 layer on. The size of the element
The element was scribed out of the substrate so as to be 2 mm square, and this element was adhered and fixed on the heater substrate 1 with an inorganic adhesive. Approximately 30μm gold wire 11 was used as the lead wire for both electrodes, and both were bonded with conductive paste.
4 8, 4 is connected to the 9.

純ニッケルリードフレームを用い、パラレルギャップ
ウェルダーにより、ボンディングパッド41〜411とリー
ド13、…とを接続した後、リードフレームからリード1
3、…を切り離した。次いで、パラレルギャップウェル
ダーにより、各リード13、…とステム14に埋設された各
リードピン15、…とを接続した。更に、ネット製保護キ
ャップ16をステム14にカシメることにより取り付けた。
Using pure nickel lead frame, by a parallel gap welder, the bonding pads 41 to 11 and the leads 13, after connecting the ... and lead from the lead frame 1
3, ... was disconnected. Next, the respective leads 13,... And the respective lead pins 15, embedded in the stem 14 were connected by a parallel gap welder. Further, the protective cap 16 made of net was attached to the stem 14 by caulking.

本実施例の複合型ガス検知素子の動作を説明する。こ
の複合型ガス検知素子では、内部ヒータ2に通電して、
第1のガス検知素子6の表面温度が約450℃となったと
き、他のガス検知素子の表面温度は、第2のガス検知素
子7が約400℃、第3のガス検知素子8が約350℃、第4
のガス検知素子9が約300℃となる。酸素センサ10に関
しては、第1のガス検知素子6の表面温度が約450℃の
とき、酸素センサ10の表面温度が約150℃になるように
無機接着剤の厚みを調節している。この酸素センサ10
は、O221%の時に約100mVの出力値を示す。また、O2
度変化に対しては、ネルンストの式に従った出力変化を
示し、その変化率は約20mV/decadeである。白金抵抗体1
2に関しては、第1のガス検知素子6の表面温度が約450
℃のとき、その表面温度が約200℃となり、このときの
抵抗は140〜150Ωである。そして、温度変化に対する抵
抗の変化率は約5Ω/10℃である。
The operation of the composite gas detection element of this embodiment will be described. In this composite gas detection element, the internal heater 2 is energized,
When the surface temperature of the first gas detecting element 6 becomes about 450 ° C., the surface temperatures of the other gas detecting elements become about 400 ° C. for the second gas detecting element 7 and about 400 ° C. for the third gas detecting element 8. 350 ℃, 4th
Is about 300 ° C. Regarding the oxygen sensor 10, the thickness of the inorganic adhesive is adjusted so that the surface temperature of the oxygen sensor 10 becomes approximately 150 ° C. when the surface temperature of the first gas detection element 6 is approximately 450 ° C. This oxygen sensor 10
Indicates an output value of about 100 mV when O 2 is 21%. Also, the change in O 2 concentration indicates an output change according to the Nernst equation, and the change rate is about 20 mV / decade. Platinum resistor 1
Regarding 2, the surface temperature of the first gas detection element 6 is about 450
In the case of ° C., the surface temperature is about 200 ° C., and the resistance at this time is 140 to 150 Ω. The rate of change of the resistance with respect to the temperature change is about 5Ω / 10 ° C.

一般に、ガス検知素子のガス検出感度は、通常、大気
中における抵抗値(Rair)と所定濃度のガスを含む大気
中における抵抗値(Rgas)との比(Rair/Rgas)として
表わされる。本実施例の各ガス検知素子の感度を第1表
に示す。第1表から明らかなように、各素子は以下のガ
スに対して高感度を示す。6:CH4及びH2、7:C3H8及びC2H
5OH、8:H2、C3H8、CO及びC2H5OH、9:C2H5OH。
In general, the gas detection sensitivity of a gas detection element is usually represented as a ratio (Rair / Rgas) between the resistance value (Rair) in the atmosphere and the resistance value (Rgas) in the atmosphere containing a predetermined concentration of gas. Table 1 shows the sensitivity of each gas detection element of this embodiment. As is clear from Table 1, each device shows high sensitivity to the following gases. 6: CH 4 and H 2 , 7: C 3 H 8 and C 2 H
5 OH, 8: H 2, C 3 H 8, CO and C 2 H 5 OH, 9: C 2 H 5 OH.

ここで、各素子のガス検知レベルを次のように設定す
る。
Here, the gas detection level of each element is set as follows.

6:H2 1000ppm、 7:C2H5OH 500ppm、 8:CO 300ppm、 9:C2H5OH 500ppm。6: 1000 ppm of H 2 , 7: 500 ppm of C 2 H 5 OH, 8: 300 ppm of CO, 9: 500 ppm of C 2 H 5 OH.

このようにガス検知レベルを設定した場合に、各ガス
検知素子により検出できるガスは、第2表に示されるよ
うに、6:CH4及びH2、7:C3H8及びC2H5OH、8:H2、C3H8、C
O及びC2H5OH、9:C2H5OHとなる。
Thus in the case of setting the gas detection level, gas which can be detected by the gas detection element, as shown in Table 2, 6: CH 4 and H 2, 7: C 3 H 8 and C 2 H 5 OH, 8: H 2, C 3 H 8, C
O and C 2 H 5 OH, 9: C 2 H 5 OH.

したがって、各ガス検知素子の出力から、例えば第5
図に示すフローチャートに従って、CH4、H2、C3H8、CO
及びC2H5OHの5種のガスを検出することができる。これ
らの検出結果は、例えばLEDを点灯させることにより表
示される。
Therefore, from the output of each gas detection element, for example, the fifth
According to the flowchart shown in the figure, CH 4 , H 2 , C 3 H 8 , CO
And C 2 H 5 OH can be detected. These detection results are displayed by, for example, turning on an LED.

また、酸素センサ10により、雰囲気中の酸素濃度をモ
ニターすることができ、酸欠状態を検知することができ
る。また、白金抵抗体12により、周囲温度変化による各
ガス検知素子6〜9の特性変化を補正することができ
る。
In addition, the oxygen concentration in the atmosphere can be monitored by the oxygen sensor 10, and an oxygen deficiency state can be detected. Further, the platinum resistor 12 can correct the characteristic change of each of the gas detection elements 6 to 9 due to the change of the ambient temperature.

[発明の効果] 以上詳述したように、本発明の複合型ガス検知素子
は、4種のガス検知素子を集積したことにより、CH4、H
2、C3H8、CO及びC2H5OHという5種のガスを高い信頼性
で識別することができ、その工業的価値は極めて大き
い。
[Effects of the Invention] As described above in detail, the composite gas detection element of the present invention has CH 4 , H 4 by integrating four types of gas detection elements.
The five gases of 2 , C 3 H 8 , CO and C 2 H 5 OH can be distinguished with high reliability, and their industrial value is extremely large.

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

第1図は本発明の実施例における複合型ガス検知素子の
平面図、第2図は同複合型ガス検知素子を一部破断して
示す側面図、第3図及び第4図は同複合型ガス検知素子
の製造方法を工程順に示す平面図、第5図は同複合型ガ
ス検知素子による5種のガスの検出方法を示すフローチ
ャート図である。 1……ヒータ基板、2……内部ヒータ、3……切欠部、
41〜411……ボンディングパッド、51〜55……対向電
極、6……第1のガス検知素子(都市ガス検知用)、7
……第2のガス検知素子(プロパン・アルコール検知
用)、8……第3のガス検知素子8(雑ガス検知用)、
9……第4のガス検知素子(アルコール検知用)、10…
…酸素センサ、11……金線、12……白金抵抗体、13……
リード、14……ステム、15……リードピン、16……保護
キャップ。
FIG. 1 is a plan view of a composite gas detecting element according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view showing the composite gas detecting element with a part cut away, and FIG. 3 and FIG. FIG. 5 is a plan view showing a method of manufacturing the gas detection element in the order of steps, and FIG. 5 is a flowchart showing a method of detecting five types of gases by the composite gas detection element. 1 ... heater substrate, 2 ... internal heater, 3 ... notch,
41 to 11 ...... bonding pads, 5 1 to 5 5 ...... counter electrode, 6 ...... first gas sensing element (for city gas detection), 7
... Second gas detecting element (for detecting propane / alcohol), 8... Third gas detecting element 8 (for detecting miscellaneous gas),
9 ... 4th gas detection element (for alcohol detection), 10 ...
... Oxygen sensor, 11 ... Gold wire, 12 ... Platinum resistor, 13 ...
Lead, 14 ... Stem, 15 ... Lead pin, 16 ... Protective cap.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】CH4、H2、C3H8、CO及びC2H5OHの5種のガ
スを検知する複合型ガス検知素子であって、ヒータを内
蔵するセラミック基板上にそれぞれ形成された、CH4
びH2の存在を検知する第1の酸化物半導体ガス検知素
子、C3H8及びC2H5OHの存在を検知する第2の酸化物半導
体ガス検知素子、H2、C3H8、CO及びC2H5OHの存在を検知
する第3の酸化物半導体ガス検知素子、ならびにC2H5OH
の存在を検知する第4の酸化物半導体ガス検知素子から
なる4種の酸化物半導体ガス検知素子と、前記4種のガ
ス検知素子の出力を判定する手段とを具備したことを特
徴とする複合型ガス検知素子。
1. A composite gas detecting element for detecting five kinds of gases of CH 4 , H 2 , C 3 H 8 , CO and C 2 H 5 OH, each of which is formed on a ceramic substrate having a built-in heater. A first oxide semiconductor gas detection element for detecting the presence of CH 4 and H 2, a second oxide semiconductor gas detection element for detecting the presence of C 3 H 8 and C 2 H 5 OH, H 2 , A third oxide semiconductor gas sensing element for detecting the presence of C 3 H 8 , CO and C 2 H 5 OH, and C 2 H 5 OH
Characterized by comprising: four kinds of oxide semiconductor gas detecting elements each comprising a fourth oxide semiconductor gas detecting element for detecting the presence of a gas; and means for judging outputs of the four kinds of gas detecting elements. Type gas detection element.
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