JP3846313B2 - Gas sensor - Google Patents
Gas sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP3846313B2 JP3846313B2 JP2002008384A JP2002008384A JP3846313B2 JP 3846313 B2 JP3846313 B2 JP 3846313B2 JP 2002008384 A JP2002008384 A JP 2002008384A JP 2002008384 A JP2002008384 A JP 2002008384A JP 3846313 B2 JP3846313 B2 JP 3846313B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- heat
- resistant
- film
- insulating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中の一酸化炭素や炭化水素の濃度を検出するガスセンサであり、特に耐久信頼性に優れた省電力量タイプのガスセンサを提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一酸化炭素などに感応するガスセンサが種々提案されている。その構成の一例は図7に示す通りである。アルミナなどの非ガラス質基板1にガラス断熱層2を設け、この上部に酸化ルテニウムなどの膜状ヒータ3を形成した後、さらにオーバーコート用ガラス4を積層し、その上部に酸化スズなどのガス感応部5を順々に積層している。また、他の例としては、表面の材質を硝子質とした耐熱絶縁性基板の片面に、酸化ルテニウムや白金等のヒータ膜と、酸化スズ等のガス感応部を設けた構成のガスセンサが知られている。
【0003】
一方、Sensors and Actuators B 65(2000)190−192に記載された酸化錫系ガスセンサに関する文献には、金属ケイ素基板ウエハー(以下、シリコンウエハーと記す)の上部に、下から順に膜厚470nmの酸化珪素と膜厚150nmの窒化珪素とからなる絶縁微薄膜を形成し、さらにその上部に、下から順に膜厚30nmの金属チタンと膜厚240nmの白金からなるヒータを積層する旨が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
350〜500℃等の高温で動作するガスセンサにおいて省電力量を実現するためには、ガスセンサのサイズを極力小型化し、内蔵しているヒータ膜に大電力を短時間に印加して動作温度まで短時間に昇温する必要が有る。しかしながら、従来のガスセンサおよびそのヒータ膜は、その耐久信頼性確保を実現するために複雑な製膜技術と高度の品質管理技術を必要とする課題があった。これは、大電力値をパルス状に供給するため、ガス感応部の温度が急激に上昇し、この急激温度上昇によりガスセンサおよびそのヒータ膜が大きな熱衝撃を受け、従来の簡単な製法と品質管理で製造したガスセンサおよびそのヒータ膜は、その耐久信頼性が低下してしまうためである。例えば、従来の技術を組み合わせて、汎用的な硝子の耐熱絶縁性基板の上部に、チタンもしくはクロムと白金の積層膜からなるヒータ膜を形成し、さらにその上部に般用的な硝子の絶縁薄膜を積層しても、良好な耐久性は得られず、ヒータ膜はその抵抗が大きくなってしまう。これは、チタンもしくはクロムと白金等を積層してヒータ膜を形成する場合、その耐久信頼性を向上させるには、最適な耐熱絶縁性基板および絶縁薄膜の硝子組成、さらには最適なヒータ膜焼成条件があるためである。そのため、従来の般用的な硝子の耐熱絶縁性基板および絶縁薄膜を使用する場合、最適焼成条件になる様に、ヒータ膜を複雑な製膜技術を用いて製造しその品質を高度な品質管理技術で管理しないと、ヒータ膜は良好な耐久性は得られなかった。
【0005】
本発明は、前記する従来の課題を解決して、簡単な製膜技術と品質管理技術を用いて製造したガスセンサを、耐久信頼性に優れた小型省電力量タイプとして提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガスセンサは、表面の材質を硝子質とした絶縁性耐熱基板の上部に、少なくとも発熱体薄膜と、耐熱絶縁性薄膜と、耐熱ガス感受膜を下から順々に積層し、前記絶縁性耐熱基板の硝子質および前記耐熱絶縁性薄膜は、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、前記発熱体薄膜は、白金を主成分とするヒータ主薄膜と、前記ヒータ主薄膜より膜厚を薄くしてその下部に配置されたチタン、ジルコニウム、またはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜の積層膜としたものである。
【0007】
これにより、簡単な製膜技術と品質管理技術を用いて製造したガスセンサを、耐久信頼性に優れた小型省電力量タイプとして提供できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面の材質を硝子質とした絶縁性耐熱基板の上部に、少なくとも発熱体薄膜と、耐熱絶縁性薄膜と、耐熱ガス感受膜を下から順々に積層し、前記絶縁性耐熱基板の硝子質および前記耐熱絶縁性薄膜は、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、前記発熱体薄膜は、白金を主成分とするヒータ主薄膜と、前記ヒータ主薄膜より膜厚を薄くしてその下部に配置されたチタン、ジルコニウム、またはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜の積層膜であるガスセンサとしたものである。
【0009】
このように、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜は、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミックであるので、800℃以上の耐熱性を有する材料である。そのため、ガスセンサを構成する発熱体薄膜および耐熱ガス感受膜は、例えば800℃以上といった高温焼成が可能となり、簡単な製膜技術と品質管理技術を用いて製造できる。
【0010】
一方、チタン、ジルコニウム、クロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜は、接合性と展性に優れた材料であり、高温で焼成すると、ヒータ主材料である白金や絶縁性耐熱基板に良好に接合して展性を持つ発熱体薄膜が得られる。省電力実現のため大電力を短時間に印加すると、発熱体薄膜は短時間に動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置された絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜も同時に温度上昇して熱膨張するが、この積層型の発熱体薄膜は、この熱膨張に良好に追随して剥離を生じることがなく、優れた耐熱衝撃性を示し抵抗変化が発生しない。
【0011】
また、絶縁性耐熱基板の表面に有る硝子質は熱伝導率が非常に小さい材料であるので、発熱体薄膜で発生した熱は、絶縁性耐熱基板に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜に伝達される。そのため、動作温度まで少ない消費電力量で到達でき、消費電力量を低減したガスセンサが実現できるとともに、発熱体薄膜は、消費電力が小さいので印加される電圧電流値が小さく、優れた耐久特性が得られる。また、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜は、応力に非常に強い性質を有する硝子材であるので、発熱に起因する熱膨張に良好に追随し、このことで発熱体薄膜は、一層優れた耐久特性が得られる。
【0012】
さらに、ヒータの耐久性が優れているので、センサ動作温度が変化することがなくセンサ出力が長時間安定する利点や、ヒータの抵抗変化検知や抵抗変化に伴うセンサ出力の変化防止対策に纏わる制御回路が簡素化できる。
【0013】
また、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜を、少なくとも珪酸を90%以上含有する珪酸硝子または硼珪酸系硝子であるとしたことにより、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜は、この組成であると低熱膨張性となり熱衝撃に非常に強い性質を有するので、発熱に起因する熱膨張に良好に追随し、このことで発熱体薄膜は、一層優れた耐久特性が得られる。
【0014】
また、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜を、少なくとも珪酸を60〜80%でアルミナを5〜20%を含有する珪酸アルミナ系ガラスセラミックであるとしたことにより、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜は、この組成であると絶縁性耐熱基板の表面に有る硝子質は、低熱膨張性でしかも応力に非常に強い性質を有するので、発熱に起因する熱膨張に良好に追随し、このことで発熱体薄膜は、一層優れた耐久特性が得られる。
【0015】
また、絶縁性耐熱基板が水酸基を0.20wt%を超えないで含有する石英硝子であるとしたことにより、熱伝導率が非常に小さい石英硝子の絶縁性耐熱基板であるので、発熱体薄膜で発生した熱は、絶縁性耐熱基板に僅かしか伝達されずにその多くが耐熱ガス感受膜に伝達され、動作温度まで極めて少ない電力量で到達でき、消費電力量を極めて低減したガスセンサが実現できる。しかも、石英硝子は熱膨張係数が非常に小さいので、絶縁性耐熱基板の熱膨張が小さくなり、これにともない発熱体薄膜は絶縁性耐熱基板に良好に接着して優れた耐久特性が得られる。さらに、石英硝子に含有される水酸基を0.20wt%を超えないで含有するため、チタン、ジルコニウム、またはクロムの金属ヒータ補助薄膜が石英硝子製の絶縁性耐熱基板に一層良好に接着して一層優れた耐久特性が得られる。また、石英硝子は転移温度が1075℃と耐熱性に非常に優れているので、絶縁性耐熱基板に使用すると、発熱体薄膜や耐熱絶縁性薄膜さらに耐熱ガス感受膜は、焼成温度に関する制約が減少し簡単な製法で製膜できる。
【0016】
また、絶縁性耐熱基板が、その中心線表面粗さが0.05〜1μmであるとしたことにより、発熱体薄膜が一層良好に接合して熱膨張に良好に追随できるので、剥離を生じることがなく、一層優れた耐久特性が得られる。
【0017】
また、耐熱絶縁性薄膜は石英硝子であるとしたことにより、耐熱絶縁性薄膜は、低熱膨張性で熱衝撃に強く、発熱による熱膨張に良好に追随するので、一層優れた耐久特性の発熱体薄膜が得られる。また、石英硝子は転移温度が1075℃と耐熱性に非常に優れているので、絶縁性耐熱基板に使用すると、発熱体薄膜や耐熱絶縁性薄膜さらに耐熱ガス感受膜は、焼成温度に関する制約が減少し簡単な製法で製膜できる。
【0018】
また、耐熱ガス感受膜は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜と、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜の上部に配置した通気性の第1電極薄膜および第2電極薄膜と、前記第1電極薄膜を覆って積層した通気多孔性の酸化触媒膜を少なくとも備え、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜はその熱伝導率が1〜7W/mKの材料であるとしたことにより、酸素イオン導電性固体電解質薄膜は、良好な放熱薄膜として働く。そのため、発熱体薄膜はその局部温度上昇が抑制され一層優れた耐久特性が得られる。
【0019】
また、酸化触媒膜は、その熱伝導率が1〜25W/mKの材料が主成分であるとしたことにより、酸化触媒膜は良好な放熱薄膜として働く。そのため、発熱体薄膜はその局部温度上昇が抑制され一層優れた耐久特性が得られる。
【0020】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【0021】
図1は本発明の実施例であるガスセンサを示しており、表面の材質を硝子質とした絶縁性耐熱基板6の上部に、少なくとも発熱体薄膜7と、耐熱絶縁性薄膜8と、耐熱ガス感受膜9を下から順々に積層している。前記絶縁性耐熱基板6の硝子質および前記耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミック(結晶化硝子とも称する)である。発熱体薄膜7は、白金を主成分とするヒータ主薄膜10と、ヒータ主薄膜10より膜厚を薄くしてその下部に配置されたチタン、ジルコニウム、またはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜11の積層膜である。
【0022】
(実施例1)
本発明のガスセンサを試作しその効果の確認を行った。
【0023】
絶縁性耐熱基板6は、2mm角×厚み0.3mmの寸法を有する板である。その材質は、珪酸硝子、硼珪酸系硝子、珪酸アルミナ系ガラスセラミックである。
【0024】
発熱体薄膜7は、下部に配置したチタンもしくはジルコニウムもしくはクロムの1種材料からなる金属ヒータ補助微薄膜11と、その上部に配置した白金のヒータ主薄膜10の積層膜で構成されており、スパッタ法を用いて形成されている。
【0025】
耐熱絶縁性薄膜8は、スパッタ法を用いて形成した2μm膜厚の薄膜であり、発熱体薄膜6の上部に積層されている。その材質は、珪酸硝子、硼珪酸系硝子、珪酸アルミナ系ガラスセラミックである。
【0026】
耐熱ガス感受膜9は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12と、その上部同一面に形成されている通気性の第1電極薄膜13および第2電極薄膜14と、第1電極薄膜13に積層した通気多孔性の酸化触媒膜15で構成される。酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、酸化イットリウム8モル%と酸化ジルコニウム92モル%の固溶体である安定化ジルコニア体であり、スパッタ法を用いて形成された約2μm膜厚が耐熱絶縁性薄膜8に積層されている。その物性値は、熱膨張係数が10×10-6(1/deg)、熱伝導率が5W/mKである。第1電極薄膜13および第2電極薄膜14は、白金をスパッタして形成した白金の通気性多孔質薄膜であり、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12の上部同一表面に約0.5μmの膜厚で形成されている。酸化触媒膜15は、白金触媒を結晶化硝子の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、第1電極薄膜13の上部に約20μmの膜厚で積層されている。その物性値は、熱膨張係数が9×10-6(1/deg)、熱伝導率が2.5W/mKである。
【0027】
最後に、発熱体薄膜7および耐熱ガス感受膜9に白金リード線を接続したのち、実装ケースに収納して完成である。発熱体薄膜7は、接続した白金リード線を介して直流電源(記載せず)と電気的に導通しており、電圧電流の印加で加熱されるとともに、この発熱体薄膜7の加熱で耐熱ガス感受膜9から発せられるセンサ出力は、電圧計(記載せず)で測定する様にした。
【0028】
上記構成の耐熱ガス感受膜9は固体電解質型と称されており、その一酸化炭素ガスの検知メカニズムを説明する。まず、ガスセンサ素子は、発熱体薄膜7より400℃まで加熱させる。酸化触媒膜15の表面では、一酸化炭素ガスはその触媒作用で酸素ガスと反応して二酸化炭素ガスとなり消耗して無くなるが、酸素濃度はその濃度が圧倒的に高いため、略雰囲気濃度のままで第1電極薄膜13に到達する。一方、他方の第2電極薄膜14の表面では、その触媒作用で一酸化炭素ガスと酸素ガスが反応して二酸化炭素ガスとなり、表面における酸素ガス濃度が減少する。このため、酸素濃度に着目すると、第1電極薄膜13側の方が第2電極薄膜14より高濃度となり、第1電極薄膜13側より第2電極薄膜14に向かって、酸素ガスが酸素イオン導電性固体電解質薄膜12の中を酸素イオンとなって移動し、この酸素移動によって起電力が発生する。この起電力がセンサ出力であり、一酸化炭素ガス濃度の対数値に略比例した値が得られる。
【0029】
まず、発熱体薄膜7の材質を変化させ、本発明の効果の判定を行った。
【0030】
検討に使用した絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、石英硝子である。その物性値は、熱膨張係数が0.5×10-6(1/deg)、熱伝導率が1.7W/mK、転移温度が1075℃、軟化点が1580℃である。石英硝子は、その組成は酸化珪素が99.99%で水酸基が0.01%弱含有されている。絶縁性耐熱基板6は、表面を研磨して中心線表面粗さが0.05〜0.2μmとしており、特に言及しない限り以後はこの材質を使用した。
【0031】
本発明1の発熱体薄膜7は、膜厚0.5μmの白金からなるヒータ主薄膜10と、このヒータ主薄膜10の下部に配置された膜厚0.005μmのチタンからなる金属ヒータ補助微薄膜11で構成されている。
【0032】
本発明2の発熱体薄膜7は、膜厚0.5μmの白金からなるヒータ主薄膜10と、このヒータ主薄膜10の下部に配置された膜厚0.005μmのジルコニウムからなる金属ヒータ補助微薄膜11で構成されている。
【0033】
本発明3の発熱体薄膜7は、膜厚0.5μmの白金からなるヒータ主薄膜10と、このヒータ主薄膜10の下部に配置された膜厚0.005μmのクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜11で構成されている。
【0034】
従来例の発熱体薄膜は、膜厚0.5μmの白金からなるヒータ主薄膜だけである。
【0035】
その結果を(表1)に示す。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、発熱体薄膜7に直流電圧電流を印加して動作温度400℃まで10ミリ秒で到達したのち、電源を切るON−OFF試験を10万回行った際の、実験前後の抵抗値より算出した値である。
【0036】
【表1】
【0037】
この(表1)から明らかなように、本発明1〜3は、白金のヒータ主薄膜10と、白金薄膜より膜厚を薄くしてその下部に配置されたチタンもしくはジルコニウムもしくはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜11とで構成された発熱体薄膜7であり、優れた耐久性を持つことがわかる。この優れた耐久性は、次の理由による。白金は展性および耐熱性に優れた材料で、チタンやジルコニウムさらにクロムは接合性に優れ良好な展性を持つ材料である。これらは積層されると良好に接合して展性を持つ発熱体薄膜7が得られ、この発熱体薄膜7は、絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8にも良好に接合する。通電すると、発熱体薄膜7は短時間に動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置された絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8も同時に温度上昇して熱膨張するが、絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8の熱膨張に、積層膜とした発熱体薄膜7は良好に追随して剥離や断線を生じることがないためである。
【0038】
また、本発明1〜3は、その上部の耐熱ガス感受膜9が、耐熱絶縁性薄膜8の薄膜を介して発熱体薄膜7で発生した熱が効果的に伝達されるので、10ミリ秒の通電で動作状態となって一酸化炭素ガス濃度が検知可能となり、その電力量は14mW秒であった。また、硼珪酸系硝子や珪酸アルミナ系ガラスセラミックを絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8として用いたガスセンサでも、上記と同様に優れた耐久性を得られた。なお、ヒータ主薄膜10は、少量のロジウムやパラジウム等が20重量%以下で混合された白金の80重量%以上を主成分とする白金系金属が有効であり、その膜厚は0.3〜1.0μmが適正であり、特に0.4〜0.7μmは最適であった。一方、チタンもしくはジルコニウムもしくはクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜11の膜厚は、500〜20Åが適正であり、特に300〜30Åは最適であった。
【0039】
次に、絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8の材質を変化させ、本発明の効果の判定を行った。検討に使用した発熱体薄膜7は、下部に配置したクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜11と、上部に配置した白金からなるヒータ主薄膜10の積層膜である。他は、前述と同じであり、耐熱絶縁性薄膜8の上部に前述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層し、ガスセンサとしている。
【0040】
本発明1の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、石英硝子であり、転移温度は1075℃、熱膨張係数は0.5×10-6(1/deg)である。
【0041】
本発明2の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸96%で硼酸4%の硼珪酸硝子であり、転移温度は890℃、熱膨張係数は0.8×10-6で(1/deg)である。
【0042】
本発明3の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸アルミナ系ガラスセラミック(結晶化硝子とも称する)である。その組成は、珪酸が64%で、アルミナが15%で、酸化チタンや酸化亜鉛等の金属酸化物が21%の珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、転移温度は880℃、熱膨張係数は3.1×10-6で(1/deg)である。
【0043】
従来例の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、ソーダ石灰硝子であり、転移温度は620℃、熱膨張係数は5.2×10-6で(1/deg)である。
【0044】
比較例は、絶縁性耐熱基板6をシリコンウエハーの表面に酸化珪素と窒化珪素とからなる絶縁微薄膜を形成した基板とし、耐熱絶縁性薄膜8を酸化珪素とアルミナを積層した。
【0045】
その結果を(表2)に示す。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、発熱体薄膜7に直流電圧電流を印加して動作温度400℃まで10ミリ秒で到達したのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の、実験前後の抵抗値より算出した値である。
【0046】
【表2】
【0047】
本発明1〜3の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、石英硝子、硼珪酸系硝子、珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、これを用いたガスセンサの発熱体薄膜7は優れた耐久性を持つことがわかる。この優れた耐久性は、次の理由による。発熱体薄膜7を構成するクロムは、接合性に優れ良好な展性を持つ材料であり、これら材質の絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8にも良好に接合する。通電すると、発熱体薄膜7は短時間に動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置された絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8も同時に温度上昇して熱膨張するが、絶縁性耐熱基板6や耐熱絶縁性薄膜8の熱膨張に、この積層膜の発熱体薄膜7は良好に追随して剥離や断線を生じることがないためである。
【0048】
また、本発明1〜3は、その上部の耐熱ガス感受膜9が、耐熱絶縁性薄膜8の薄膜を介して発熱体薄膜7で発生した熱が効果的に伝達されるので、10ミリ秒の通電で動作状態となって一酸化炭素ガス濃度が検知可能となり、その電力量は15〜25mW秒と小さかった。なお、比較例として用いたシリコンウエハー系の基板は、耐熱性がせいぜい300〜400℃前後であり、センサ製造における600℃の熱付与により、その表面に密着力の乏しい新たな酸化物を著しく生成させたため、パルス通電中に発熱体薄膜が剥離して断線した。
【0049】
この構成の実施例において、発熱体薄膜7は、白金のヒータ主薄膜10と、このヒータ主薄膜10より薄くしてその下部に配置されたチタンもしくはジルコニウムの金属ヒータ補助微薄膜11とで構成しても、上記と同様に優れた耐久性を得られた。さらに、絶縁性耐熱基板6は、アルミナやフォルステライトなどのセラミック板の上部に、石英硝子もしくは硼珪酸系硝子もしくは珪酸アルミナ系ガラスセラミックからなる硝子質の厚膜層(30〜100μm膜厚)を形成した基板を用いて良い。この絶縁性耐熱基板6と同じ硝子質材料の耐熱絶縁性薄膜8を用いたガスセンサは、その発熱体薄膜7が優れた耐久性を持ち、その電力量も17〜27mW秒と小さかった。
【0050】
耐熱ガス感受膜9は、酸化スズや酸化鉄さらに酸化タングステンなどの金属酸化物半導体膜、固体電解質型が有効である。耐熱ガス感受膜9が固体電解質型の場合、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、酸化イットリウム3モル%と酸化ジルコニウム97モル%の部分安定化ジルコニア体に代表される各種ジルコニア系酸素イオン導電性固体電解質やセリア系酸素イオン導電性固体電解質のスパッタ膜、蒸着膜、ゾルゲル膜が有効である。第1電極薄膜13および第2電極薄膜14は、白金などの貴金属もしくは酸素イオン導電性金属酸化物の通気性印刷膜およびスパッタ膜もしくは蒸着膜が有効である。酸化触媒膜15は、結晶化硝子などの無機接着材に白金等の貴金属もしくは金属酸化物を混合させた通気性多孔質膜が有効である。
【0051】
(実施例2)
実施例2は、絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8に用いる硝子の物性について検討した。硝子は、熱伝導率が非常に小さいので絶縁性耐熱基板6に使用すると、発熱体薄膜7で発生した熱が絶縁性耐熱基板6に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜9に伝達されので、動作温度400℃まで少ない電力で到達でき、消費電力量を低減したガスセンサが実現できる利点が有る。また、硝子は、その材料組成の制約より熱膨張係数10×10-6(1/deg)が現在の技術ではその製造可能な上限値であり、大部分の硝子はこの値以下の熱膨張係数を有する。一方、発熱体薄膜7は白金を主成分とするため、その熱膨張係数は10×10-6(1/deg)である。発熱体薄膜7は発熱すると熱膨張するが、この発熱体薄膜7より熱膨張係数が小さい硝子からなる絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、僅かしか熱膨張せず、この結果、圧縮応力がかかるが、硝子には圧縮応力に非常に強い性質が有るので、これら材料は熱膨張に良好に追随して破損しない利点も有る。そこで、優れた耐久特性の発熱体薄膜7が得られる絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8の硝子組成について検討した。
【0052】
検討は、珪酸の濃度を異ならせた絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8を用い、本発明の効果の判定を行った。検討に使用した発熱体薄膜7は、下部に配置したクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜11と、上部に配置した白金からなるヒータ主薄膜10の積層膜である。他は、前述と同じであり、耐熱絶縁性薄膜8の上部に前述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層し、ガスセンサとしている。
【0053】
本発明1の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が99.99%の石英硝子であり、転移温度は1075℃、熱膨張係数は0.5×10-6(1/deg)である。
【0054】
本発明2の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が96%で硼酸が4%の硼珪酸硝子であり、転移温度は890℃、熱膨張係数は0.8×10-6で(1/deg)である。
【0055】
本発明3の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が90%で硼酸が4%で酸化カルシウム等の金属酸化物が6%の硼珪酸硝子であり、転移温度は850℃、熱膨張係数は1.6×10-6で(1/deg)である。
【0056】
比較例の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が87%で、硼酸が5%で、酸化カルシウム等の金属酸化物が8%の硼珪酸硝子であり、転移温度は780℃、熱膨張係数は2.6×10-6で(1/deg)である。
【0057】
図2は、絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8として用いる硝子に含有される珪酸の濃度と、発熱体薄膜の抵抗変化率の関係を測定したものである。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜10を動作温度400℃まで10ミリ秒で上昇させたのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0058】
図より明らかなように、発熱体薄膜7の抵抗変化率は、硝子に含有される珪酸の濃度が、90%を境に変化することがわかる。本発明品は、硝子に含有される珪酸の濃度が90%を越える絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8であるため、発熱体薄膜7は絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8に良好に接着し、優れた耐久特性が得られる。また、熱伝導率が非常に小さい硝子材の絶縁性耐熱基板6であるので、発熱体薄膜7で発生した熱は、絶縁性耐熱基板6に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜9に伝達される。そのため、動作温度まで少ない電力で到達でき、消費電力を一層低減したガスセンサが実現できた。またさらに、発熱体薄膜7は、消費電力が小さいので印加される電圧電流値が小さくなり、一層優れた耐久特性が得られる効果が生じた。
【0059】
一方、硝子に含有される珪酸の濃度が90%未満の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、発熱体薄膜7が絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8に良好に接着しないため、幾分の耐久性低下が観察された。これは、珪酸の濃度が少ないため、耐久性の優れたヒータ膜を得るに最適な硝子組成が実現できていないためである。
【0060】
なお、発熱体薄膜7として、白金系のヒータ主薄膜10とその下部に少なくとも配置されたチタンやジルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。さらに、絶縁性耐熱基板6は、アルミナやフォルステライトなどのセラミック板の上部に、石英硝子もしくは硼珪酸系硝子からなる硝子質の厚膜層(30〜100μm膜厚)を形成した基板を用いて良い。この絶縁性耐熱基板6と同じ硝子質材料の耐熱絶縁性薄膜8を用いたガスセンサは、その発熱体薄膜7が優れた耐久性を持ち、その電力量も17〜22mW秒と小さかった。
【0061】
(実施例3)
実施例3は、絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8に用いる珪酸アルミナ系ガラスセラミックの材料組成について検討した。珪酸アルミナ系ガラスセラミックは、熱伝導率が小さいので絶縁性耐熱基板6に使用すると、発熱体薄膜7で発生した熱が絶縁性耐熱基板6に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜9に伝達されので、動作温度400℃まで少ない電力で到達でき、消費電力量を低減したガスセンサが実現できる利点が有る。また、珪酸アルミナ系ガラスセラミックは、その材料組成の制約より熱膨張係数10×10-6(1/deg)が現在の技術ではその製造可能な上限値であり、大部分の珪酸アルミナ系ガラスセラミックはこの値以下の熱膨張係数を有する。一方、発熱体薄膜7は白金を主成分とするため、その熱膨張係数は10×10-6(1/deg)である。発熱体薄膜7は発熱すると熱膨張するが、この発熱体薄膜7より熱膨張係数が小さい珪酸アルミナ系ガラスセラミックからなる絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、僅かしか熱膨張せず、この結果、圧縮応力がかかるが、珪酸アルミナ系ガラスセラミックには圧縮応力に強い性質が有るので、これら材料は熱膨張に良好に追随して破損しない利点も有る。そこで、この優れた効果の有る珪酸アルミナ系ガラスセラミックを実現するための組成について検討した。
【0062】
検討は、珪酸およびアルミナの濃度を異ならせた絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8を用いて行った。検討に使用した発熱体薄膜7は、下部に配置したクロムからなる金属ヒータ補助微薄膜11と、上部に配置した白金からなるヒータ主薄膜10の積層膜である。他は、前述と同じであり、耐熱絶縁性薄膜8の上部に前述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層し、ガスセンサとしている。検討に先だち、珪酸アルミナ系ガラスセラミックが良好な硝子物性を得るための、珪酸の含有量上限値と下限値、アルミナの含有量上限値と下限値を求めた。その結果、珪酸の含有量上限が80%でアルミナの含有量上限が20%であり、珪酸の含有量下限は60%でアルミナの含有量下限が5%であることが判明した。また、この組成にすると、熱膨張係数が約2〜4×10-6(1/deg)と小さいので熱衝撃に優れるとともに、その転移温度も約800℃以上と耐熱性にも優れることも判明した。そこで、検討はこの組成領域にて行なった。
【0063】
本発明1の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が80%でアルミナが20%の珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、転移温度は920℃、熱膨張係数は1.8×10-6(1/deg)である。
【0064】
本発明2の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が80%でアルミナが5%で酸化チタン等の金属酸化物が15%の珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、転移温度は920℃、熱膨張係数は3.6×10-6で(1/deg)である。
【0065】
本発明3の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が60%でアルミナが20%で酸化チタンや酸化亜鉛等の金属酸化物が20%の珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、転移温度は880℃、熱膨張係数は3.1×10-6で(1/deg)である。
【0066】
本発明4の絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8は、珪酸が60%で、アルミナが5%で、酸化チタン等の金属酸化物が35%の珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、転移温度は870℃、熱膨張係数は3.6×10-6で(1/deg)である。
【0067】
(表3)は、珪酸およびアルミナの濃度が異なる珪酸アルミナ系ガラスセラミックの絶縁性耐熱基板6および耐熱絶縁性薄膜8について、発熱体薄膜7の抵抗変化率を測定したものである。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜7を動作温度400℃まで10ミリ秒で上昇させたのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0068】
【表3】
【0069】
(表3)より明らかなように、発熱体薄膜7の抵抗変化率は、珪酸を60〜80%でアルミナを5〜20%を含有する珪酸アルミナ系ガラスセラミックとすることで、優れた耐久特性が得られることがわかる。
【0070】
なお、発熱体薄膜7として、白金系のヒータ主薄膜10とその下部に少なくとも配置されたチタンやジルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。またさらに、絶縁性耐熱基板6は、アルミナやフォルステライトなどのセラミック板の上部に、この組成の珪酸アルミナ系ガラスセラミックからなる硝子質の厚膜層(30〜100μm膜厚)を形成した基板を用いて良い。この絶縁性耐熱基板6と同じ硝子質材料の耐熱絶縁性薄膜8を用いたガスセンサは、その発熱体薄膜7が優れた耐久性を持ち、その電力量も24〜27mW秒と小さかった。
【0071】
(実施例4)
前述の実施例1に記載したように、絶縁性耐熱基板6に珪酸100%の石英硝子を用いると優れた耐久特性を持つことがわかる。そこで、実施例4は、絶縁性耐熱基板6に用いる石英硝子の組成について検討した。石英硝子は、珪酸(SiO2)を主成分とする硝子であるが、水酸基(OH基と称す)を微量含有する。そこで、水酸基の含有量を異ならした石英硝子の絶縁性耐熱基板6を用い、その影響の解析を行った。
【0072】
検討は、水酸基の含有量を異ならした石英硝子の絶縁性耐熱基板6を用いその上部に、チタンからなる金属ヒータ補助微薄膜11と白金からなるヒータ主薄膜10を順々に積層して発熱体薄膜7とし、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜8をさらに積層して焼成し、最後に、前述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層したガスセンサで行った。
【0073】
本発明1の絶縁性耐熱基板6は、0.01wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用温度は1050℃である。
【0074】
本発明2の絶縁性耐熱基板6は、0.04wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用温度は1000℃である。
【0075】
本発明3の絶縁性耐熱基板6は、0.12wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用温度は950℃である。
【0076】
本発明4の絶縁性耐熱基板6は、0.20wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用温度は900℃である。
【0077】
比較例2の絶縁性耐熱基板は、0.25wt%の水酸基を含有する石英硝子であり、その安全使用温度は800℃である。
【0078】
図3は、石英硝子の水酸基の含有量を変化させ、発熱体薄膜7の抵抗変化率を測定したものであり、石英硝子の水酸基含有量と抵抗変化率の相関特性である。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜7を動作温度400℃まで2ミリ秒で到達させ、そののち8ミリ秒保持させ、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0079】
ヒータの抵抗変化率は、石英硝子に含まれる水酸基が0.20wt%を境に変化することがわかる。本発明品は、石英硝子に含まれる水酸基が0.20wt%以下であるため、チタンの金属ヒータ補助微薄膜11が石英硝子に良好に接着して一層優れた耐久特性が得られる。また、熱膨張係数が非常に小さい石英硝子を絶縁性耐熱基板6として使用しているので、発熱体薄膜7の発熱に起因する絶縁性耐熱基板6の熱膨張が小さくなり、これにともない発熱体薄膜7は絶縁性耐熱基板6に一層良好に接着して優れた耐久特性が得られる。さらに、熱伝導率が非常に小さい石英硝子の絶縁性耐熱基板6であるので、発熱体薄膜7で発生した熱は、絶縁性耐熱基板6に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜9に伝達される。そのため、動作温度まで少ない電力で到達でき、消費電力を一層低減したガスセンサが実現できる。また、発熱体薄膜7は、消費電力が小さいので印加される電圧電流値が小さくなり、一層優れた耐久特性が得られる効果が生じている。これに加え、石英硝子に含まれる水酸基が0.20wt%以下であると、その上部に積層される耐熱絶縁性薄膜8の形成に、高温処理を施こすことができ、欠陥の少ない耐熱絶縁性薄膜8が生成されて優れた絶縁特性が確保できる。そのため、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、発熱体薄膜7の影響を受けることが少なく、適正動作温度400℃で良好な酸素イオン導電性を発揮する。この効果により、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12や電極薄膜13そして酸化触媒膜15で構成される耐熱ガス感受膜9は、その下部に配置した発熱体薄膜7により短時間で加熱されて動作状態となり、極めて短時間に暖気される利点もある。
【0080】
一方、石英硝子に含まれる水酸基が0.20wt%を超えると、チタンの金属ヒータ補助微薄膜11が石英硝子に接着しにくくなり、幾分の耐久性低下が観察された。
【0081】
なお、発熱体薄膜7として、白金のヒータ主薄膜10に、その下部もしくは上部に少なくとも配置されたチタンやジルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
【0082】
(実施例5)
実施例5は、絶縁性耐熱基板6の中心線表面粗さについて検討した。検討は、中心線表面粗さを変化させた石英硝子の絶縁性耐熱基板6の上部に、チタンからなる金属ヒータ補助微薄膜11と白金からなるヒータ主薄膜10を順々に積層して発熱体薄膜7とし、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜8をさらに積層して焼成し、最後に、前述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層したガスセンサで行った。
【0083】
中心線表面粗さを変化させた絶縁性耐熱基板6を用いたガスセンサのON―OFF通電試験を行い、発熱体薄膜7の抵抗変化率を測定した。図4は、中心線表面粗さと抵抗変化率の相関特性を整理した特性図である。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜7を動作温度400℃まで10ミリ秒で到達させ、そののち電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0084】
図4から明らかなように、抵抗変化率は、中心線表面粗さが0.05μmおよび1μmを境に大きく変化することがわかる。本発明品は、中心線表面粗さが0.05〜1μmであるため、焼成により発熱体薄膜7が絶縁性耐熱基板6に良好に接着して優れた耐久特性が得られる。
【0085】
一方、中心線表面粗さが0.05μm未満および1μmを超える絶縁性耐熱基板6にすると、焼成しても発熱体薄膜7が絶縁性耐熱基板6に良好に接着せず幾分の耐久性低下が観察される。
【0086】
上記結果は、絶縁性耐熱基板6として、硼珪酸系硝子もしくは珪酸アルミナ系ガラスセラミックの板を用いても、発熱体薄膜7は優れた耐久特性が得られる。または、アルミナやフォルステライトなどのセラミック板の上部に、石英硝子もしくは硼珪酸系硝子もしくは珪酸アルミナ系ガラスセラミックからなる硝子質の厚膜層(30〜100μm膜厚)を形成した基板を用いても、発熱体薄膜7は優れた耐久特性が得られることは言うまでもない。さらに、発熱体薄膜7として、白金のヒータ主薄膜10に、その下部に少なくとも配置されたチタンやジルコニウムやクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
【0087】
(実施例6)
実施例6は、耐熱絶縁性薄膜8を構成する材料について検討した。
【0088】
石英硝子は、前述に記載した様に、この組成の発熱体薄膜7より熱膨張係数が小さい特性を本来的に有している。そのため、石英硝子は、耐熱絶縁性薄膜8として用いると、発熱体薄膜7が発熱して熱膨張しても、極めて僅かしか熱膨張せず、石英硝子の持つ圧縮応力に非常に強い性質とかみ合って、熱膨張に良好に追随し、(表2)に記載した様に、優れた耐久特性を有する発熱体薄膜7が実現できる。
【0089】
なお、上記結果は、発熱体薄膜7として、白金のヒータ主薄膜10の下部に配置されたチタンやジルコニウムさらにクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
【0090】
(実施例7)
実施例7は、耐熱ガス感受膜9として固体電解質型ガス感受膜を用いる際の、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12の熱伝導率について検討した。
【0091】
検討は、石英硝子の絶縁性耐熱基板6の上部に、チタンからなる金属ヒータ補助微薄膜11と白金のヒータ主薄膜10を順々に積層して発熱体薄膜7とし、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜8をさらに積層して焼成したのち最後に、後述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層したガスセンサで行った。
【0092】
固体電解質型の耐熱ガス感受膜9は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12と、その同一面に形成された通気性の第1電極薄膜13および第2電極薄膜14と、第1電極薄膜13に積層した酸化触媒膜15で構成される。第1電極薄膜13および第2電極薄膜14さらに酸化触媒膜15は、次の2種類の材料を用いて検討を行なった。
【0093】
材料(I)は、第1電極薄膜13および第2電極薄膜14が、白金をスパッタして形成した通気性の薄膜であり、熱膨張係数が9×10-6(1/deg)で熱伝導率が69.5W/mKの物性値を持つ。酸化触媒膜15は、白金触媒をシリカアルミナ系結晶化硝子の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が1W/mKの物性値を持つ。
【0094】
材料(II)は、第1電極薄膜13および第2電極薄膜14が、ペロブスカイト型金属酸化物であるランタンコバルト系複合酸化物を酸化ビスマスの3%と混合して厚膜印刷した通気性の薄膜である。酸化触媒膜15は、白金触媒をアルミナ系結合材の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が25W/mKの物性値を持つ。
【0095】
比較例1の酸素イオン導電性固体電解質薄膜は、セリウム添加のイットリウム系部分安定化ジルコニアであり、結晶粒径を微細化しているのでその熱伝導率は0.8W/mK、組成はZrO296モル%とY2O33モル%とCeO21モル%の固溶体である。
【0096】
本発明1の酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、スカンジウム添加のセリア系ジルコニアであり、結晶粒径を微細化しているのでその熱伝導率は1.0W/mK、組成はZrO290モル%とCeO210モル%とSc2O310モル%の固溶体である。
【0097】
本発明2の酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、イットリウム系部分安定化ジルコニアであり、熱伝導率は3.0W/mKとなり、その組成はZrO297モル%とY2O33モル%の固溶体である。
【0098】
本発明3の酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、イットリウム系安定化ジルコニアであり、熱伝導率は5.0W/mKとなり、その組成はZrO292モル%とY2O38モル%の固溶体である。
【0099】
本発明4の酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、イットリアをドープしたセリア系材料であり、熱伝導率は6.5W/mKとなり、その組成は(CeO2)1-0.7(YO1.5)0.3である。
【0100】
本発明5の酸素イオン導電性固体電解質薄膜12は、サマリウムをドープしたセリア系材料であり、熱伝導率は7.0W/mKとなり、組成は(CeO2)0.8(SmO1.5)0.2である。
【0101】
比較例2の絶縁性耐熱基板は、イットリウム系酸化ビスマスであり、その熱伝導率は10W/mK、組成はBi2O396モル%とY2O34モル%の固溶体である。
【0102】
熱伝導率が異なる酸素イオン導電性固体電解質薄膜を用いたガスセンサのON―OFF通電試験を行い、発熱体薄膜7の抵抗変化率を測定した。図5は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12の熱伝導率と抵抗変化率の相関特性を整理した特性図である。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜6を動作温度400℃まで10ミリ秒で昇温させたのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0103】
図5から明らかなように、抵抗変化率は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12の熱伝導率が1W/mK未満および7W/mKを越えると、大きく変化することがわかる。本発明品は、熱伝導率が1〜7W/mKであるため、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12が良好に放熱し、発熱体薄膜7はその温度上昇が抑制され優れた耐久特性が得られる。
【0104】
一方、熱伝導率が1W/mK未満であると、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12からの放熱が悪いため、発熱体薄膜7はその温度が上昇し幾分の耐久性低下が観察された。また、熱伝導率が7W/mKを越えると、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12からの放熱が良いため、発熱体薄膜7はその温度を保持しようと大きな電流が流れて幾分の耐久性低下が観察された。
【0105】
なお、上記結果は、発熱体薄膜7として、白金のヒータ主薄膜10の下部に配置されたチタンやジルコニウムさらにクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
【0106】
(実施例8)
実施例8は、耐熱ガス感受膜9として固体電解質型ガス感受膜を用いる際における、酸化触媒膜15の熱伝導率について検討した。
【0107】
検討は、石英硝子の絶縁性耐熱基板6の上部に、チタンからなる金属ヒータ補助微薄膜11と白金のヒータ主薄膜10を順々に積層して発熱体薄膜7とし、石英硝子からなる耐熱絶縁性薄膜8をさらに積層して焼成したのち最後に、後述の固体電解質型の耐熱ガス感受膜9を積層したガスセンサで行った。固体電解質型の耐熱ガス感受膜9は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12と、その同一面に形成された通気性の第1電極薄膜13および第2電極薄膜14と、第1電極薄膜13に積層した酸化触媒膜15で構成される。酸素イオン導電性固体電解質薄膜12と、第1電極薄膜13および第2電極薄膜14は、次の2種類の材料を用いて検討を行なった。
【0108】
材料(I)は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12が、イットリウム系安定化ジルコニアであり、熱伝導率は5W/mKで組成はZrO292モル%とY2O38モル%の固溶体である。第1電極薄膜13および第2電極薄膜14が、白金をスパッタして形成した通気性の薄膜であり、熱膨張係数が9×10-6(1/deg)で熱伝導率が69.5W/mKの物性値を持つ。
【0109】
材料(II)は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜12が、サマリウムをドープしたセリア系材料であり、熱伝導率は7.0W/mKで組成は(CeO2)0.8(SmO1.5)0.2である。第1電極薄膜13および第2電極薄膜14が、ペロブスカイト型金属酸化物であるランタンコバルト系複合酸化物を酸化ビスマスの3%と混合して厚膜印刷した通気性の薄膜である。
【0110】
比較例1の酸化触媒膜は、白金触媒をコージライト系結晶化硝子の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が0.7W/mKの物性値を持つ。
【0111】
本発明1の酸化触媒膜15は、白金ロジウム触媒をシリカアルミナ系結晶化硝子の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が1.0W/mKの物性値を持つ。
【0112】
本発明2の酸化触媒膜15は、白金パラジウム触媒をシリカアルミナ硼素系結晶化硝子の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が2.5W/mKの物性値を持つ。
【0113】
本発明3の酸化触媒膜15は、白金触媒をアルミナジルコニア系結合材の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が7.0W/mKの物性値を持つ。
【0114】
本発明4の酸化触媒膜15は、白金触媒をアルミナシリカ系結合材の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が12.5W/mKの物性値を持つ。
【0115】
本発明5の酸化触媒膜15は、白金触媒をアルミナ系結合材の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が25W/mKの物性値を持つ。
【0116】
比較例2の酸化触媒膜15は、白金触媒を炭化珪素系結合材の表面に担持させた通気性の多孔質膜であり、熱伝導率が40W/mKの物性値を持つ。
【0117】
熱伝導率が異なる酸化触媒膜を用いたガスセンサのON―OFF通電試験を行い、発熱体薄膜7の抵抗変化率を測定した。図6は、酸化触媒膜15の熱伝導率と抵抗変化率の相関特性を整理した特性図である。発熱体薄膜7の抵抗変化率は、実装ケースの端子に直流電圧電流を印加して発熱体薄膜7を動作温度400℃まで10ミリ秒で到達させたのち、電源を切るON―OFF試験を10万回行った際の抵抗変化率である。
【0118】
図6から明らかなように、抵抗変化率は、酸化触媒膜15の熱伝導率が1W/mK未満および25W/mKを越えると、大きく変化することがわかる。本発明品は、熱伝導率が1〜25W/mKであるため、酸化触媒膜15が良好に放熱し、発熱体薄膜7はその温度上昇が抑制され優れた耐久特性が得られる。
【0119】
一方、熱伝導率が1W/mK未満であると、酸化触媒膜15からの放熱が悪いため、発熱体薄膜7はその温度が上昇し幾分の耐久性低下が観察される。一方、熱伝導率が25W/mKを越えると、酸化触媒膜15からの放熱が良いため、発熱体薄膜7はその温度を保持しようと大きな電流が流れて幾分の耐久性低下が観察される。
【0120】
なお、上記結果は、発熱体薄膜7として、白金のヒータ主薄膜10の下部に配置されたチタンやジルコニウムさらにクロムの金属ヒータ補助微薄膜11を積層した構成を用いても、同様な効果が得られた。
【0121】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスセンサは、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜が、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミックであるので、800℃以上の耐熱性を有する材料となる。そのため、ガスセンサを構成する発熱体薄膜および耐熱ガス感受膜は、例えば800℃以上といった高温焼成が可能となり、このことで焼成に関する制約が減少するので、簡単な製膜技術と品質管理技術を用いて製造できる。
【0122】
一方、チタン、ジルコニウム、またはクロムの金属ヒータ補助微薄膜は、接合性と展性に優れた材料であり、高温で焼成すると、ヒータ主材料である白金や絶縁性耐熱基板に良好に接合して展性を持つ発熱体薄膜が得られる。省電力実現のため大電力を短時間に印加すると、発熱体薄膜は短時間に動作温度まで温度上昇して熱膨張し、その上下に配置された絶縁性耐熱基板や耐熱絶縁性薄膜も同時に温度上昇して熱膨張するが、この積層型の発熱体薄膜は、この熱膨張に良好に追随して剥離を生じることがなく、優れた耐熱衝撃性を示し抵抗変化が発生しない。
【0123】
積層された耐熱ガス感受膜は、耐熱絶縁性薄膜の薄膜を介して発熱体薄膜で発生した熱が効果的に伝達され、短時間で動作状態となりガス濃度が検知可能となる。その際、絶縁性耐熱基板の表面に存在する硝子質は熱伝導率が非常に小さい材料であるので、発熱体薄膜で発生した熱は、絶縁性耐熱基板に僅かしか伝達されず、その多くが耐熱ガス感受膜に伝達される。そのため、動作温度まで少ない消費電力量で到達でき、消費電力量を低減したガスセンサが実現できる。
【0124】
さらに、発熱体薄膜は、消費電力が小さいので印加される電圧電流値が小さく、優れた耐久特性が得られる。また、絶縁性耐熱基板の硝子質および耐熱絶縁性薄膜は、応力に非常に強い性質を有する硝子材であるので発熱に起因する熱膨張に良好に追随し、このことで発熱体薄膜は、一層優れた耐久特性が得られる。これに加えて、ヒータの耐久性が優れているので、センサ動作温度が変化することがなくセンサ出力が長時間安定する利点や、ヒータの抵抗変化検知や抵抗変化に伴うセンサ出力の変化防止対策に纏わる制御回路が簡素化できる利点が有る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるガスセンサの断面図
【図2】同実施例における、硝子に含有される珪酸濃度と発熱体薄膜の抵抗変化率の特性図
【図3】同実施例における、石英硝子中の水酸基含有量と発熱体薄膜の抵抗変化率の特性図
【図4】同実施例における、絶縁性耐熱基板の中心線表面粗さと発熱体薄膜の抵抗変化率の特性図
【図5】同実施例における、酸素イオン導電性固体電解質薄膜の熱伝導率と発熱体薄膜の抵抗変化率の特性図
【図6】同実施例における、酸化触媒膜の熱伝導率と発熱体薄膜の抵抗変化率の特性図
【図7】従来のガスセンサの断面図
【符号の説明】
6 絶縁性耐熱基板
7 発熱体薄膜
8 耐熱絶縁性薄膜
9 耐熱ガス感受膜
10 ヒータ主薄膜
11 金属ヒータ補助微薄膜
12 酸素イオン導電性固体電解質薄膜
13 第1電極薄膜
14 第2電極薄膜
15 酸化触媒膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a gas sensor that detects the concentration of carbon monoxide and hydrocarbons in the atmosphere, and provides a power-saving gas sensor that is particularly excellent in durability and reliability.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various gas sensors that are sensitive to carbon monoxide have been proposed. An example of the configuration is as shown in FIG. A glass
[0003]
On the other hand, in the literature relating to the tin oxide gas sensor described in Sensors and Actuators B 65 (2000) 190-192, an oxide having a thickness of 470 nm is formed on the top of a metal silicon substrate wafer (hereinafter referred to as a silicon wafer) in order from the bottom. A thin insulating thin film made of silicon and silicon nitride with a thickness of 150 nm is formed, and further, a heater made of titanium metal with a thickness of 30 nm and platinum with a thickness of 240 nm is laminated on top of the thin insulating film.Are listed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to achieve power saving in gas sensors that operate at high temperatures such as 350 to 500 ° C, the size of the gas sensor is reduced as much as possible, and high power is applied to the built-in heater film in a short time to shorten the operating temperature. It is necessary to raise the temperature in time. However, the conventional gas sensor and its heater film have a problem of requiring complicated film forming technology and advanced quality control technology in order to achieve durability and reliability. This is because a large electric power value is supplied in the form of pulses, so the temperature of the gas sensitive part suddenly rises, and the gas sensor and its heater film are subjected to a large thermal shock due to this sudden rise in temperature. This is because the durability and reliability of the gas sensor and its heater film manufactured in (1) are lowered. For example, by combining conventional technologies, a heater film made of a laminated film of titanium or chromium and platinum is formed on the heat-resistant insulating substrate of general-purpose glass, and a general glass insulating thin film is formed on the heater film. Even if laminated, good durability cannot be obtained, and the resistance of the heater film increases. This is because when a heater film is formed by laminating titanium or chromium and platinum, the glass composition of the optimal heat-resistant insulating substrate and insulating thin film, as well as the optimal heater film firing, are required to improve the durability and reliability. This is because there are conditions. For this reason, when using conventional heat-resistant insulating glass substrates and insulating thin films, heater films are manufactured using complex film-forming technology so that optimum firing conditions are achieved, and the quality is controlled at a high level. If not managed by technology, the heater film could not have good durability.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and provide a gas sensor manufactured by using a simple film forming technique and a quality control technique as a small power saving type having excellent durability and reliability. Is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the gas sensor of the present invention comprises at least a heating element thin film, a heat-resistant insulating thin film, and a heat-resistant gas sensitive film in order from the bottom on an insulating heat-resistant substrate whose surface material is glassy. The glassy material of the insulating heat-resistant substrate and the heat-resistant insulating thin film are silicate glass, borosilicate glass, or silicate-alumina glass ceramic whose main component is silicic acid, and the heating element thin film is A heater main thin film mainly composed of platinum, and a metal heater auxiliary fine film mainly composed of at least one material selected from titanium, zirconium, or chromium which is thinner than the heater main thin film and is disposed below the heater main thin film. It is a thin film stack.
[0007]
Thereby, the gas sensor manufactured using simple film forming technology and quality control technology can be provided as a small power saving type with excellent durability and reliability.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventionAt least the heating element thin film, the heat-resistant insulating thin film, and the heat-resistant gas-sensitive film are laminated in order from the bottom on the insulating heat-resistant substrate whose surface material is glassy, and the glass properties of the insulating heat-resistant substrate and The heat-resistant insulating thin film is a silicate glass, a borosilicate glass, or an alumina silicate glass ceramic mainly composed of silicic acid, and the heating element thin film is a heater main thin film mainly composed of platinum and the heater main film. The gas sensor is a laminated film of a metal heater auxiliary thin film whose main component is at least one material selected from titanium, zirconium, or chromium, which is thinner than the thin film and is disposed below the thin film.
[0009]
Thus, the vitreous material and the heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are silicate glass, borosilicate glass, or silicate alumina glass ceramic mainly composed of silicic acid.800 ° CIt is a material having the above heat resistance. Therefore, the heating element thin film and the heat-resistant gas sensitive film constituting the gas sensor can be fired at a high temperature of, for example, 800 ° C. or higher, and can be manufactured using a simple film forming technique and quality control technique.
[0010]
On the other hand, the metal heater auxiliary fine thin film mainly composed of at least one material selected from titanium, zirconium and chromium is a material excellent in bondability and malleability, and when fired at a high temperature, the heater main material such as platinum or A heat generating thin film having excellent malleability can be obtained by bonding to an insulating heat-resistant substrate. When a large amount of power is applied in a short period of time to save power, the heating element thin film rises to the operating temperature in a short period of time and thermally expands, and the insulating heat-resistant substrates and heat-resistant insulating thin films placed above and below the temperature simultaneously The laminated heating element thin film follows the thermal expansion well and does not peel off, exhibits excellent thermal shock resistance, and does not cause a resistance change.
[0011]
In addition, since the glassy material on the surface of the insulating heat-resistant substrate is a material having a very low thermal conductivity, the heat generated in the heating element thin film is hardly transferred to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is heat-resistant gas. It is transmitted to the sensitive film. Therefore, it is possible to achieve a gas sensor that can reach the operating temperature with low power consumption and reduce power consumption, and the heating element thin film has low power consumption, so the applied voltage / current value is small and excellent durability characteristics are obtained. It is done. In addition, since the glassy material and the heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are glass materials having a very strong property against stress, they follow the thermal expansion caused by heat generation well. Excellent durability characteristics can be obtained.
[0012]
In addition, because the heater has excellent durability, the sensor operating temperature does not change and the sensor output stabilizes for a long time, and the control is combined with the detection of the resistance change of the heater and the measures to prevent the sensor output from changing due to the resistance change. The circuit can be simplified.
[0013]
Also,By virtue of the fact that the glassy material and heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are silicate glass or borosilicate glass containing at least 90% of silicic acid, the glassy material and heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are This composition has a low thermal expansion property and a very strong property against thermal shock. Therefore, the thermal expansion caused by heat generation can be followed well, whereby the heating element thin film can obtain further excellent durability characteristics.
[0014]
Also,By virtue of the fact that the glassy material and the heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are made of silicate-alumina glass ceramic containing at least 60 to 80% silicic acid and 5 to 20% alumina, the glassy material of the insulating heat-resistant substrate With this composition, the glassy material on the surface of the insulating heat-resistant substrate has a low thermal expansion property and very strong resistance to stress. As a result, the heating element thin film can obtain more excellent durability characteristics.
[0015]
Also,Since the insulating heat-resistant substrate is a quartz glass containing a hydroxyl group not exceeding 0.20 wt%, it is a quartz glass insulating heat-resistant substrate having a very low thermal conductivity. Only a small amount of heat is transferred to the insulating heat-resistant substrate, and most of it is transferred to the heat-resistant gas-sensitive film, so that it can reach the operating temperature with a very small amount of electric power, and a gas sensor with extremely reduced power consumption can be realized. In addition, quartz glass has a very small coefficient of thermal expansion, so that the thermal expansion of the insulating heat-resistant substrate is reduced. Accordingly, the heating element thin film adheres well to the insulating heat-resistant substrate and provides excellent durability characteristics. Furthermore, since the hydroxyl group contained in quartz glass does not exceed 0.20 wt%, the auxiliary thin film of titanium, zirconium, or chromium metal heater adheres better to the insulating heat-resistant substrate made of quartz glass. Excellent durability characteristics can be obtained. In addition, quartz glass has a very high transition temperature of 1075 ° C, so when used on an insulating heat-resistant substrate, the heating element thin film, heat-resistant insulating thin film, and heat-resistant gas sensitive film have fewer restrictions on the firing temperature. It can be formed by a simple manufacturing method.
[0016]
Also,Since the insulating heat-resistant substrate has a center line surface roughness of 0.05 to 1 μm, the heating element thin film can be bonded more favorably and can follow the thermal expansion without causing peeling. Further excellent durability characteristics can be obtained.
[0017]
Also,Since the heat-resistant insulating thin film is made of quartz glass, the heat-resistant insulating thin film is low in thermal expansion, resistant to thermal shock, and well follows thermal expansion due to heat generation. can get. In addition, quartz glass has a very high transition temperature of 1075 ° C, so when used on an insulating heat-resistant substrate, the heating element thin film, heat-resistant insulating thin film, and heat-resistant gas sensitive film have fewer restrictions on the firing temperature. It can be formed by a simple manufacturing method.
[0018]
Also,The heat-resistant gas sensing film covers the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, the breathable first electrode thin film and the second electrode thin film disposed on the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, and the first electrode thin film. The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film includes at least a laminated porous porous oxidation catalyst film, and the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film is a material having a thermal conductivity of 1 to 7 W / mK. Works as a good heat dissipation thin film. For this reason, the heating element thin film is suppressed from rising in local temperature, and more excellent durability characteristics can be obtained.
[0019]
Also,Since the oxidation catalyst film is mainly composed of a material having a thermal conductivity of 1 to 25 W / mK, the oxidation catalyst film works as a good heat dissipation thin film. For this reason, the heating element thin film is suppressed from rising in local temperature, and more excellent durability characteristics can be obtained.
[0020]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0021]
FIG. 1 shows a gas sensor according to an embodiment of the present invention. At least an exothermic
[0022]
(Example 1)
The gas sensor of the present invention was prototyped and its effect was confirmed.
[0023]
The insulating heat-
[0024]
The heating element
[0025]
The heat-resistant insulating
[0026]
The heat-resistant gas
[0027]
Finally, a platinum lead wire is connected to the heating element
[0028]
The heat-resistant gas-
[0029]
First, the effect of the present invention was determined by changing the material of the heating element
[0030]
The insulating heat-
[0031]
The heating element
[0032]
The heating element
[0033]
The heating element
[0034]
The conventional heating element thin film is only a heater main thin film made of platinum having a thickness of 0.5 μm.
[0035]
The results are shown in (Table 1). The rate of change in resistance of the heating element
[0036]
[Table 1]
[0037]
As is clear from this (Table 1), the
[0038]
Further, in the
[0039]
Next, the material of the insulating heat-
[0040]
The insulating heat-
[0041]
The insulating heat-
[0042]
The insulating heat-
[0043]
The insulating heat-
[0044]
In the comparative example, the insulating heat-
[0045]
The results are shown in (Table 2). The resistance change rate of the heating element
[0046]
[Table 2]
[0047]
The heat-resistant
[0048]
Further, in the
[0049]
In the embodiment of this configuration, the heating element
[0050]
As the heat-resistant gas
[0051]
(Example 2)
In Example 2, the physical properties of glass used for the insulating heat-
[0052]
In the examination, the effect of the present invention was determined using the insulating heat-
[0053]
The insulating heat-
[0054]
The insulating heat-
[0055]
The insulating heat-
[0056]
The insulating heat-
[0057]
FIG. 2 shows the relationship between the concentration of silicic acid contained in the glass used as the insulating heat-
[0058]
As is apparent from the figure, the resistance change rate of the heating element
[0059]
On the other hand, the insulating heat-
[0060]
The same effect can be obtained by using a structure in which a platinum heater main
[0061]
(Example 3)
In Example 3, the material composition of an alumina silicate glass ceramic used for the insulating heat-
[0062]
The examination was performed using the insulating heat-
[0063]
The insulating heat-
[0064]
The insulating heat-
[0065]
The insulating heat-
[0066]
The insulating heat-
[0067]
Table 3 shows the resistance change rate of the heating element
[0068]
[Table 3]
[0069]
As apparent from (Table 3), the resistance change rate of the heating element
[0070]
The same effect can be obtained by using a structure in which a platinum heater main
[0071]
(Example 4)
As described in Example 1 above, it can be seen that when the insulating heat-
[0072]
In the examination, an insulating heat-
[0073]
The insulating heat-
[0074]
The insulating heat-
[0075]
The insulating heat-
[0076]
The insulating heat-
[0077]
The insulating heat-resistant substrate of Comparative Example 2 is quartz glass containing 0.25 wt% hydroxyl group, and its safe use temperature is 800 ° C.
[0078]
FIG. 3 shows the correlation characteristics between the hydroxyl group content of quartz glass and the resistance change rate when the resistance change rate of the heating element
[0079]
It can be seen that the resistance change rate of the heater changes at 0.20 wt% of the hydroxyl group contained in the quartz glass. In the product of the present invention, since the hydroxyl group contained in the quartz glass is 0.20 wt% or less, the titanium metal heater auxiliary fine
[0080]
On the other hand, when the hydroxyl group contained in the quartz glass exceeds 0.20 wt%, the titanium metal heater auxiliary fine
[0081]
The same effect can be obtained by using a structure in which the heater
[0082]
(Example 5)
In Example 5, the center line surface roughness of the insulating heat-
[0083]
An ON-OFF energization test of the gas sensor using the insulating heat-
[0084]
As can be seen from FIG. 4, the rate of resistance change greatly changes with the center line surface roughness being 0.05 μm and 1 μm as a boundary. Since the product of the present invention has a center line surface roughness of 0.05 to 1 μm, the heating element
[0085]
On the other hand, if the insulating heat-
[0086]
As a result, even when a borosilicate glass or an alumina silicate glass ceramic plate is used as the insulating heat-
[0087]
(Example 6)
In Example 6, the material constituting the heat-resistant insulating
[0088]
As described above, quartz glass inherently has a characteristic that the thermal expansion coefficient is smaller than that of the heating element
[0089]
The above results show that the same effect can be obtained even when the heating element
[0090]
(Example 7)
Example 7 examined the thermal conductivity of the oxygen ion conductive solid electrolyte
[0091]
The examination was made by sequentially laminating a metal heater auxiliary
[0092]
The solid electrolyte type heat-resistant gas-
[0093]
The material (I) is a breathable thin film formed by sputtering platinum on the first electrode
[0094]
The material (II) is a breathable thin film in which the first electrode
[0095]
The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film of Comparative Example 1 is cerium-added yttrium-based partially stabilized zirconia, which has a finer crystal grain size, so its thermal conductivity is 0.8 W / mK, and its composition is ZrO.296 mol% and Y2OThree3 mol% and CeO2It is a 1 mol% solid solution.
[0096]
The oxygen ion conductive solid electrolyte
[0097]
The oxygen ion conductive solid electrolyte
[0098]
The oxygen ion conductive solid electrolyte
[0099]
The oxygen ion conductive solid electrolyte
[0100]
The oxygen ion conductive solid electrolyte
[0101]
The insulating heat-resistant substrate of Comparative Example 2 is yttrium-based bismuth oxide, its thermal conductivity is 10 W / mK, and its composition is Bi.2OThree96 mol% and Y2OThreeIt is a 4 mol% solid solution.
[0102]
The gas sensor using oxygen ion conductive solid electrolyte thin films with different thermal conductivities was subjected to an ON-OFF energization test, and the resistance change rate of the heating element
[0103]
As is apparent from FIG. 5, it can be seen that the rate of change in resistance greatly changes when the thermal conductivity of the oxygen ion conductive solid electrolyte
[0104]
On the other hand, when the thermal conductivity is less than 1 W / mK, the heat radiation from the oxygen ion conductive solid electrolyte
[0105]
The above results show that the same effect can be obtained even when the heating element
[0106]
(Example 8)
In Example 8, the thermal conductivity of the
[0107]
The examination was made by sequentially laminating a metal heater auxiliary
[0108]
The material (I) is an oxygen ion conductive solid electrolyte
[0109]
Material (II) is a ceria-based material in which the oxygen ion conductive solid electrolyte
[0110]
The oxidation catalyst film of Comparative Example 1 is a breathable porous film in which a platinum catalyst is supported on the surface of cordierite crystallized glass, and has a physical property value of 0.7 W / mK.
[0111]
The
[0112]
The
[0113]
The
[0114]
The
[0115]
The
[0116]
The
[0117]
An ON-OFF energization test of gas sensors using oxidation catalyst films having different thermal conductivities was performed, and the resistance change rate of the heating element
[0118]
As is apparent from FIG. 6, it can be seen that the resistance change rate changes greatly when the thermal conductivity of the
[0119]
On the other hand, if the thermal conductivity is less than 1 W / mK, the heat dissipation from the
[0120]
The above results show that the same effect can be obtained even when the heating element
[0121]
【The invention's effect】
As aboveOf the present inventionIn the gas sensor, the glassy material and the heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are silicate glass, borosilicate glass, or silicate alumina glass ceramic whose main component is silicic acid.800 ° CIt becomes the material which has the above heat resistance. Therefore, the heating element thin film and the heat-resistant gas sensitive film constituting the gas sensor can be fired at a high temperature of, for example, 800 ° C. or more, and this reduces the restrictions on firing, so that simple film forming technology and quality control technology are used. Can be manufactured.
[0122]
On the other hand, titanium, zirconium, or chromium metal heater auxiliary thin film is a material with excellent bondability and malleability, and when fired at high temperature, it can bond well to platinum and insulating heat-resistant substrates as the main heater material. A malleable heating element thin film is obtained. When a large amount of power is applied in a short period of time to save power, the heating element thin film rises to the operating temperature in a short period of time and thermally expands, and the insulating heat-resistant substrates and heat-resistant insulating thin films placed above and below the temperature simultaneously The laminated heating element thin film follows the thermal expansion well and does not peel off, exhibits excellent thermal shock resistance, and does not cause a resistance change.
[0123]
The laminated heat-resistant gas sensitive film effectively transfers the heat generated in the heating element thin film through the heat-resistant insulating thin film, becomes an operating state in a short time, and can detect the gas concentration. At that time, since the vitreous material present on the surface of the insulating heat-resistant substrate is a material having a very low thermal conductivity, the heat generated in the heating element thin film is hardly transferred to the insulating heat-resistant substrate, most of which is It is transmitted to the heat-resistant gas sensitive film. Therefore, it is possible to achieve a gas sensor that can reach the operating temperature with a small amount of power consumption and that has a reduced power consumption.
[0124]
Furthermore, since the heating element thin film has low power consumption, the applied voltage / current value is small, and excellent durability characteristics can be obtained. In addition, the glassy material and the heat-resistant insulating thin film of the insulating heat-resistant substrate are glass materials having a very strong property against stress, so that they follow the thermal expansion caused by heat generation. Excellent durability characteristics can be obtained. In addition to this, the durability of the heater is excellent, so the sensor operating temperature does not change and the sensor output stabilizes for a long time, and the resistance change detection of the heater due to the resistance change detection and the resistance change prevention measures There is an advantage that the control circuit associated with can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a gas sensor in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of the concentration of silicic acid contained in the glass and the rate of change in resistance of the heating element thin film in the same example.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the hydroxyl group content in quartz glass and the resistance change rate of the heating element thin film in the same example.
FIG. 4 is a characteristic diagram of the center line surface roughness of the insulating heat-resistant substrate and the resistance change rate of the heating element thin film in the same example.
FIG. 5 is a characteristic diagram of the thermal conductivity of the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film and the resistance change rate of the heating element thin film in the same example.
FIG. 6 is a characteristic diagram of the thermal conductivity of the oxidation catalyst film and the resistance change rate of the heating element thin film in the same example.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional gas sensor
[Explanation of symbols]
6 Insulation heat-resistant substrate
7 Heating element thin film
8 Heat-resistant insulating thin film
9 Heat-resistant gas sensitive film
10 Heater main thin film
11 Metal heater auxiliary thin film
12 Oxygen ion conductive solid electrolyte thin film
13 First electrode thin film
14 Second electrode thin film
15 Oxidation catalyst membrane
Claims (6)
の硝子質および前記耐熱絶縁性薄膜は、珪酸を主成分とする珪酸硝子、硼珪酸系硝子、または珪酸アルミナ系ガラスセラミックであり、前記発熱体薄膜は、白金を主成分とするヒータ主薄膜と、前記ヒータ主薄膜より膜厚を薄くしてその下部に配置されたチタン、ジルコニウム、またはクロムより選択した少なくとも1種材料を主成分とする金属ヒータ補助微薄膜の積層膜であり、前記耐熱ガス感受膜は、酸素イオン導電性固体電解質薄膜と、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜の上部に配置した通気性の第1電極薄膜および第2電極薄膜と、前記第1電極薄膜を覆って積層した通気多孔性の酸化触媒膜とを少なくとも備え、前記酸素イオン導電性固体電解質薄膜はその熱伝導率が1〜7 W/mK の材料であるガスセンサ。At least the heating element thin film, the heat-resistant insulating thin film, and the heat-resistant gas-sensitive film are laminated in order from the bottom on the insulating heat-resistant substrate whose surface material is glassy, and the glass properties of the insulating heat-resistant substrate and The heat-resistant insulating thin film is a silicate glass, a borosilicate glass, or an alumina silicate glass ceramic mainly composed of silicic acid, and the heating element thin film is a heater main thin film mainly composed of platinum and the heater main film. titanium disposed thereunder by reducing the thickness from the thin film, zirconium or metallic heater auxiliary laminated film der fine film containing as a main component at least one material selected from chromium, is, the heat gas sensitive film The oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, the breathable first electrode thin film and the second electrode thin film disposed on the oxygen ion conductive solid electrolyte thin film, and the first electrode thin film were laminated. Comprising at least a gas-porous oxide catalyst layer, the oxygen ion conductive solid electrolyte film is the thermal conductivity of the material of 1 to 7 W / mK gas sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002008384A JP3846313B2 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002008384A JP3846313B2 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Gas sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003215091A JP2003215091A (en) | 2003-07-30 |
JP3846313B2 true JP3846313B2 (en) | 2006-11-15 |
Family
ID=27646660
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002008384A Expired - Fee Related JP3846313B2 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3846313B2 (en) |
-
2002
- 2002-01-17 JP JP2002008384A patent/JP3846313B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003215091A (en) | 2003-07-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2002174618A (en) | Solid electrolyte gas sensor | |
JP4845469B2 (en) | Thin film gas sensor | |
CN110658238A (en) | Catalytic combustion gas sensor based on ceramic-based micro-hotplate and preparation method thereof | |
JP3846313B2 (en) | Gas sensor | |
JP3873753B2 (en) | Gas sensor | |
JP3668050B2 (en) | Heater integrated oxygen sensor and manufacturing method thereof | |
JP2004327255A (en) | Manufacturing method for ceramic heater structure and ceramic heater structure | |
JP2003222607A (en) | Gas sensor | |
JP2003050223A (en) | Gas sensor | |
JP4103027B2 (en) | Thin film gas sensor | |
JP2003262608A (en) | Gas concentration detecting apparatus and gas sensor element used for the same | |
JP2002174617A (en) | Gas sensor | |
JP2002014076A (en) | Solid electrolyte type micro gas sensor and its manufacturing method | |
JP4084505B2 (en) | Heater integrated oxygen sensor element | |
JP4324439B2 (en) | Ceramic heater and ceramic heater structure | |
JP2002310980A (en) | Sold electrolyte gas sensor | |
JP4166403B2 (en) | Gas sensor element and gas sensor including the same | |
RU2426193C1 (en) | Method of depositing platinum layers onto substrate | |
JP2002310981A (en) | Gas sensor | |
JP3793563B2 (en) | Manufacturing method of oxygen sensor | |
CN213073138U (en) | Full ceramic micro-heating plate | |
JP3935166B2 (en) | Manufacturing method of ceramic heater element | |
JP2005337852A (en) | Substrate for gas sensor | |
JP3987708B2 (en) | Theoretical air-fuel ratio sensor element | |
JP4608918B2 (en) | Hydrogen gas detection material and hydrogen gas sensor using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040514 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20050704 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050829 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051101 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051226 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060801 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060814 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |