JP4226176B2 - Gas sensor and gas detection method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の利用分野】
この発明は、SnO2膜の抵抗値の変化を用いたガスの検出に関する。
【0002】
【従来技術】
発明者らは、SnO2膜を用いたガスセンサでは、Naイオン等の不純物の侵入によりセンサ特性が変化し、非オーミックな電圧/電流特性が表れることを見出した。発明者はSnO2膜に対する陽極と陰極とのパターンを検討し、非オーミックな特性が表れにくいパターンを見出した。
【0003】
【発明の課題】
この発明の課題は、不純物等により汚染された場合でも、非オーミックな特性が生じにくいSnO2系のガスセンサを提供することにある(請求項1〜4)。
【0004】
【発明の構成】
請求項1の発明は、絶縁基板上にSnO2膜と陰極と陽極とを設けたガスセンサにおいて、陰極とSnO2膜との接触面積S1と陽極とSnO2膜との接触面積S2との比S1/S2を3.5以上、好ましくは4以上、より好ましくは5以上とし、この比は例えば100以下、好ましくは30以下とする。またSnO2膜から陰極への電流経路に沿った陰極端部の沿面長L1と、陽極からSnO2膜への電流経路に沿った陽極端部の沿面長L2との比L1/L2を1.5以上とし、この比は例えば20以下、好ましくは10以下とする。
【0005】
好ましくは、陰極と陽極とを共にL字状に構成して、陽極のL字の外側の一辺と陰極のL字の内側の一辺とを対向させ、かつ前記陰極のL字の外側の2辺をSnO2膜から露出させる。特に好ましくは、陰極のL字の内側の頂点にR部を設けて、頂点付近での電流密度を均一に近づける。
【0006】
この発明はまた、絶縁基板上にSnO2膜と陰極と陽極とを設け、陽極から陰極へ流れる電流からガスを検出するガス検出方法において、
陰極とSnO2膜との接触面積S1と陽極とSnO2膜との接触面積S2との比S1/S2を3.5以上とし、SnO2膜から陰極への電流経路に沿った陰極端部の沿面長L1と、陽極からSnO2膜への電流経路に沿った陽極端部の沿面長L2との比L1/L2を1.5以上とすることにより、電流密度を陽極側で高く陰極側で低くすることにより、陽極/陰極間の電圧に対する前記電流の非オーミック特性の発生を抑制することを特徴とする。
【0007】
【発明の作用と効果】
この発明では、接触面積の比S1/S2を3.5以上とすることにより、SnO2膜から陰極への接触面積を、陽極からSnO2膜への接触面積よりも充分に大きくする。また沿面長の比L1/L2を1.5以上とすることにより、SnO2膜から陰極への電流密度を、陽極からSnO2膜への電流密度よりも小さくする。これらの結果、電流密度は陽極側で高く陰極側で低くなり、非オーミックな特性の発生を抑制することができる。
【0008】
このため、ガスセンサが不純物で汚染された場合などでも、非オーミックな特性が表れるのを遅らせることができ、またガスセンサに加える電圧を大きくして扱いやすくすることができる。
【0009】
ここで陰極/陽極共にL字状の形状として、陽極のL字の外側の一辺と陰極の内側の一辺とを対向させ、陰極のL字の外側の2辺をSnO2膜から露出させると、前記の接触面積S1を大きくし、かつ陰極や陽極とSnO2膜とのパターンがずれた場合でも、特性への影響を最小にできる。
【0010】
【実施例】
図1,図2に実施例1のガスセンサ2の構造を示し、図1の上部はガスセンサ2の表面の電極パターンを、図1の下部は裏面のヒータパターンを示す。4はアルミナ等の基板で、6はSnO2膜で、アルミナ等を混合しても良く、Pd等の貴金属触媒をSnO2に添加したものとする。SnO2膜6は、膜厚をここでは40μmとしたが、薄膜でも良く、膜厚は例えば0.1μm〜500μm程度とする。
【0011】
8は陰極、10は陽極で、基板4の表面に例えばAuペーストの印刷で形成し、膜厚は陰極8,陽極10ともに4μmとしたが、薄膜でも良い。陰極8や陽極10の材料はAuに限らず、Pt,Rh,Ir,Pd等の貴金属や貴金属合金等が好ましい。12はスルーホールで、基板4の表面の陰極8,陽極10を裏面の電極パッド20,20に接続する。ガスセンサ2の裏面にRuO2等のヒータ膜14を設けて、ヒータ電極16を介して電極パッド18に接続し、電極パッド18,20にリード20を接続する。ヒータ膜14でSnO2膜6を加熱し、陽極10から陰極8へ電圧を加えて、可燃性ガスやCO等を検知する。なおガスセンサ2の加熱温度や加熱パターンは任意である。
【0012】
第2図に、SnO2膜6と陰極や陽極の接触面積S1,S2(斜線で表示)、沿面長L1,L2(太線で表示)を示し、接触面積S1は陰極8とSnO2膜6との接触面積で、接触面積S2は陽極10とSnO2膜6との接触面積で、この比S1/S2を3.5以上とし、好ましくは4以上とし、最も好ましくは5以上とする。比S1/S2はパターンの作り易さの点から、例えば100以下、好ましくは30以下とする。沿面長L1,L2は、陰極8や陽極10の端部がSnO2膜6との間の電流経路を横切る長さを意味し、陰極8や陽極10の端部でSnO2膜6に覆われた部分でも、電流経路から外れているものは含めず、また相手側の電極の端部と対向する範囲からはみ出した部分も含めない。陰極8の沿面長L1と陽極10の沿面長L2との比L1/L2は1.5以上とし、パターンの作り易さの点から例えば20以下、好ましくは10以下とする。
【0013】
陰極8側の接触面積S1が広く、沿面長L1が長いことは、陰極8とSnO2膜6との接触面積が広く、かつ端部での電流密度が小さいことを意味し、陰極/SnO2膜の界面での非オーミックな特性の発生を防止する条件である。陽極10側の接触面積S2が狭く、沿面長L2が短いことは、陽極10とSnO2膜6との接触面積が狭く、陽極側の端部での電流密度が大きく、陽極10の付近での電圧降下が大きいことを意味する。そして接触面積の比S1/S2が大きく、沿面長の比L1/L2が大きいことは、陽極10とSnO2膜6との境界付近での電流密度が大きく、陰極8の付近での電流密度が小さく、従って陰極8の付近で分極が生じにくく、非オーミックな特性が生じにくいことを意味する。
【0014】
陰極8は、沿面長に沿った部分でエッジがないことが好ましく、例えばL字状の陰極8の内側にR部9を設けてエッジを解消する。陰極8の面積を大きくし、かつSnO2膜6と陰極8とのパターンがずれた場合でも影響を小さくするため、陰極8の形状をL字状とするとともに、SnO2膜6の外側に陰極の露出部8a,8bをL字の外側の2辺に設けることが好ましい。陽極10とSnO2膜6とのパターンがずれた場合でも特性への影響が小さいように、好ましくは陽極10のパターンもL字状とする。また陽極10のL字の外側の1辺を、陰極8のL字の内側の1辺に対向させる。
【0015】
図3に、陰極8と陽極10との間の電位分布を模式的に示す。後述のように、非オーミックな特性はSnO2膜と陰極8との界面部分で生じ、SnO2膜6の内部では電位は直線的に変化し、陽極10とSnO2膜6の界面は非オーミックに接触している可能性があるものの、その程度は小さいと考えられる。陰極8とSnO2膜6との界面に非オーミックな特性があり、この界面を通過する電流密度が高いと、非オーミック特性を示すものと考えられる。陰極8とSnO2膜の界面の非オーミック特性の原因として考えられるものは、SnO2膜6等に含まれる不純物陽イオンが陰極8の界面に集中することで、使用中の不純物での汚染、SnO2膜自体の不純物、触媒の添加や焼結用のバインダーの添加、表面コート用のフィルター等を介して侵入した不純物などが原因と考えられる。
【0016】
【試験例1】
実施例1のガスセンサ2と、第4図のガスセンサ32(比較例1)、及び第5図のガスセンサ42(比較例2)を製造した。アルミナ基板の裏面にヒータ膜16、電極パッド18,20等を形成し、基板の表面にAuペーストを印刷して焼成し、厚さ4μmのAuの陰極8,陽極10とした。次いでSnO2(SnO2には1wt%のPdを添加)を印刷して700℃で焼成し、厚さ40μmのSnO2膜6とした。この後、基板を分割して1辺1.5mmの正方形状とした。実施例1のセンサでは、接触面積S1は0.432mm2、接触面積S2は0.0825mm2、沿面長L1は1.07mm、沿面長L2は約0.6mm、陰極8と陽極10の間隔は0.3mmである。
【0017】
比較例1のガスセンサ32を図4に示すと、38が陰極で図1での露出部8a,8bがないため、陰極8とSnO2膜6との接触面積S1が狭い。比較例2のガスセンサ42を図5に示すと、陰極48にはエッジ45があり、陽極50とSnO2膜との接触面積S2は実施例1や比較例1のセンサ2,32よりも大きい。比較例2での陰極48の沿面長L1は、実施例1や比較例1のセンサ2,32よりも大きいが、陽極50の沿面長L2は実施例1や比較例1のセンサ2,32よりもさらに大きい。なお比較例1や比較例2のセンサ32,42も、電極パターンを除いて、製造条件は実施例1と同様である。
【0018】
表1に、実施例1、比較例1、比較例2等に関する、沿面長の比L1/L2、及び接触面積の比S1/S2等を示す。
【0019】
【表1】
【0020】
実施例1のガスセンサ2と、比較例1,2のガスセンサ32,42に対して、陽イオンでの汚染時の特性を評価した。ガスセンサ2,32,42のSnO2膜6に、NaCl水溶液を滴下して、SnO2に対してNaを1mol%濃度で添加した。乾燥後に、回路電圧VCを5V、負荷抵抗RLを1kΩ、ヒータ膜14での消費電力PHを280mWとして3日間通電後、450℃で、メタン5000ppm中にて、陽極/陰極間の電圧を0vから7Vまで0.5V/minで増加させ、センサ電流を測定した。なお一般に、非オーミック性はセンサ電流を増すと発現し、空気中などでSnO2膜6が高抵抗の場合、検出電圧を大きくしても、非オーミック性は余り表れなかった。
【0021】
結果を図6〜図11に示す。図6,図7は比較例2(図5のパターン)での結果で、図8,図9は比較例1(図4のパターン)での結果で、図10、図11は実施例1でのガスセンサの結果である。図6〜図11において、Rsはセンサ抵抗で、Roはセンサ電圧Vsが1Vの時のセンサ抵抗を表し、Isはセンサ電流である。
【0022】
図6〜図11から明らかなように、非オーミック性は比較例2>比較例1>実施例1の順に減少し、これは接触面積比S1/S2が大きく、沿面長比L1/L2が大きいほど、非オーミックな特性が生じにくいことを示している。そして接触面積比S1/S2を大きく、沿面長比L1/L2を大きくすることは、陰極とSnO2膜との接触を改善することで、非オーミック性の原因が陰極とSnO2膜の界面にあることを示している。図6〜図11の特性は不純物の添加により得られた特性で、実施例1のセンサ2では、人為的に加えたNaイオンによる汚染への耐久性が高く、これと同様に、SnO2膜6の製造時や、電極8,10からの金属イオン、あるいは触媒やバインダーなどからの金属イオン等への耐久性も高い。
【0023】
【実施例2】
実施例2のガスセンサ62を図12に示す。陰極68を大きなコの字形にして、内側を半円状にし、小さく突き出した陽極70を取り巻くようにした。このとき沿面長の比L1/L2は2.35、接触面積の比S1/S2は6.35で、陰極68とSnO2膜6との接触を改善している。ただし図12のパターンでは、陽極70をL字状にしなかったため、SnO2膜6とのパターンずれで特性が変化する。
【0024】
実施例では特定の陰極や陽極のパターンを示したが、これらに限るものではない。この発明では、陰極とSnO2膜との接触面積S1と陽極とSnO2膜との接触面積S2との比を選び、陰極側と陽極側との沿面長の比を選ぶことにより、陰極側での非オーミックな特性の発生を抑制できる。このため、不純物に対する耐久性が高いガスセンサが得られる。また陰極と陽極の双方をL字状のパターンとして対向させることにより、SnO2膜と電極とのパターンがずれても、特性への影響を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1のガスセンサの表面と背面とを示す図
【図2】 実施例1での沿面長L1,L2,接触面積S1,S2を示す図
【図3】 実施例1のガスセンサの電位分布を模式的に示す図
【図4】 従来例1のガスセンサの電極パターンを示す平面図
【図5】 従来例2のガスセンサの電極パターンを示す平面図
【図6】 従来例2のガスセンサでの電圧/電流特性を示す特性図で、VSはセンサに加えた電圧を、Isはセンサ電流を示す
【図7】 従来例2のガスセンサでの電圧/抵抗特性を示す特性図
VSはセンサに加えた電圧を、Rsはセンサ電圧が1vでの抵抗値を基準とするとセンサ抵抗を示す
【図8】 従来例1のガスセンサでの電圧/電流特性を示す特性図
【図9】 従来例1のガスセンサでの電圧/抵抗特性を示す特性図
【図10】 実施例1のガスセンサでの電圧/電流特性を示す特性図
【図11】 実施例1のガスセンサでの電圧/抵抗特性を示す特性図
【図12】 実施例2のガスセンサでの電極パターンを示す平面図
【符号の説明】
2,62 ガスセンサ
4 基板
6 SnO2膜
8,68 陰極
8a,8b 露出部
9 R部
10,70 陽極
12 スルーホール
14 ヒータ膜
16 ヒータ電極
18,20 電極パッド
22 リード
38,48 陰極
50 陽極
45 エッジ
L1 陰極沿面長
L2 陽極沿面長
S1 陰極接触面積
S2 陽極接触面積[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to gas detection using a change in the resistance value of a
[0002]
[Prior art]
The inventors have found that in a gas sensor using a
[0003]
[Problems of the Invention]
An object of the present invention is to provide a SnO2-based gas sensor that hardly causes non-ohmic characteristics even when it is contaminated by impurities or the like (
[0004]
[Structure of the invention]
In the gas sensor in which the SnO2 film, the cathode and the anode are provided on the insulating substrate, the ratio S1 / S2 between the contact area S1 between the cathode and the SnO2 film and the contact area S2 between the anode and the SnO2 film is obtained. 3.5 or more, preferably 4 or more, more preferably 5 or more, and this ratio is, for example, 100 or less, preferably 30 or less. The ratio L1 / L2 between the creeping length L1 of the cathode end along the current path from the SnO2 film to the cathode and the creeping length L2 of the anode end along the current path from the anode to the SnO2 film is 1.5 or more. The ratio is, for example, 20 or less, preferably 10 or less.
[0005]
Preferably, the cathode and the anode are both formed in an L-shape, one side outside the L-shape of the anode is opposed to one side inside the L-shape of the cathode, and two sides outside the L-shape of the cathode Is exposed from the
[0006]
The present invention also provides a gas detection method in which an SnO2 film, a cathode, and an anode are provided on an insulating substrate, and gas is detected from a current flowing from the anode to the cathode.
The ratio S1 / S2 between the contact area S1 between the cathode and the SnO2 film and the contact area S2 between the anode and the SnO2 film is 3.5 or more, and the creeping length L1 of the cathode end along the current path from the SnO2 film to the cathode And the ratio L1 / L2 of the creeping length L2 at the end of the anode along the current path from the anode to the SnO2 film is 1.5 or more, so that the current density is increased on the anode side and lowered on the cathode side. The generation of the non-ohmic characteristic of the current with respect to the voltage between the anode and the cathode is suppressed.
[0007]
[Operation and effect of the invention]
In the present invention, the contact area ratio S1 / S2 is set to 3.5 or more so that the contact area from the
[0008]
For this reason, even when the gas sensor is contaminated with impurities, the appearance of non-ohmic characteristics can be delayed, and the voltage applied to the gas sensor can be increased to facilitate handling.
[0009]
Here, when both the cathode / anode are L-shaped, the outer side of the anode L-shape is opposed to the inner side of the cathode, and the two outer sides of the cathode L-shape are exposed from the
[0010]
【Example】
1 and 2 show the structure of the
[0011]
8 is a cathode, 10 is an anode, and is formed on the surface of the
[0012]
FIG. 2 shows the contact areas S1 and S2 (indicated by hatching) and the creepage lengths L1 and L2 (indicated by bold lines) between the
[0013]
The large contact area S1 on the
[0014]
The
[0015]
FIG. 3 schematically shows the potential distribution between the
[0016]
[Test Example 1]
The
[0017]
When the
[0018]
Table 1 shows the creepage length ratio L1 / L2 and the contact area ratio S1 / S2 for Example 1, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and the like.
[0019]
[Table 1]
[0020]
The characteristics at the time of contamination with positive ions were evaluated for the
[0021]
The results are shown in FIGS. 6 and 7 show the results of Comparative Example 2 (pattern of FIG. 5), FIGS. 8 and 9 show the results of Comparative Example 1 (pattern of FIG. 4), and FIGS. 10 and 11 show the results of Example 1. It is a result of the gas sensor. 6 to 11, Rs is a sensor resistance, Ro is a sensor resistance when the sensor voltage Vs is 1 V, and Is is a sensor current.
[0022]
As apparent from FIGS. 6 to 11, the non-ohmic property decreases in the order of Comparative Example 2> Comparative Example 1> Example 1, which has a large contact area ratio S1 / S2 and a large creepage length ratio L1 / L2. It shows that non-ohmic characteristics are less likely to occur. Increasing the contact area ratio S1 / S2 and increasing the creepage length ratio L1 / L2 improves the contact between the cathode and the SnO2 film, and causes non-ohmicity at the interface between the cathode and the SnO2 film. Is shown. The characteristics shown in FIGS. 6 to 11 are obtained by the addition of impurities, and the
[0023]
[Example 2]
The
[0024]
Although the specific cathode and anode patterns are shown in the embodiments, the present invention is not limited to these. In the present invention, the ratio of the contact area S1 between the cathode and the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a front surface and a back surface of a gas sensor according to a first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing creepage lengths L1 and L2 and contact areas S1 and S2 in the first embodiment. FIG. 4 is a plan view showing an electrode pattern of a gas sensor of Conventional Example 1. FIG. 5 is a plan view showing an electrode pattern of a gas sensor of Conventional Example 2. FIG. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the voltage / current characteristics of the gas sensor, VS is the voltage applied to the sensor, Is is the sensor current. FIG. 8 is a characteristic diagram showing voltage / current characteristics of the gas sensor of Conventional Example 1. FIG. 9 is a gas sensor of Conventional Example 1. Characteristic diagram showing the voltage / resistance characteristics in FIG. 10 [Example] FIG. 11 is a characteristic diagram showing voltage / current characteristics of the gas sensor of Example 1. FIG. 12 is a plan view showing electrode patterns of the gas sensor of Example 2. Explanation of]
2,62
Claims (4)
陰極とSnO2膜との接触面積S1と陽極とSnO2膜との接触面積S2との比S1/S2を3.5以上とし、SnO2膜から陰極への電流経路に沿った陰極端部の沿面長L1と、陽極からSnO2膜への電流経路に沿った陽極端部の沿面長L2との比L1/L2を1.5以上とすることにより、電流密度を陽極側で高く陰極側で低くすることにより、陽極/陰極間の電圧に対する前記電流の非オーミック特性の発生を抑制することを特徴とする、ガス検出方法。In a gas detection method in which an SnO 2 film, a cathode and an anode are provided on an insulating substrate, and gas is detected from a current flowing from the anode to the cathode,
The ratio S1 / S2 between the contact area S1 between the cathode and the SnO2 film and the contact area S2 between the anode and the SnO2 film is 3.5 or more, and the creeping length L1 of the cathode end along the current path from the SnO2 film to the cathode And the ratio L1 / L2 of the creeping length L2 at the end of the anode along the current path from the anode to the SnO2 film is 1.5 or more, so that the current density is increased on the anode side and lowered on the cathode side. A gas detection method characterized by suppressing generation of a non-ohmic characteristic of the current with respect to a voltage between an anode and a cathode.
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