JP6805852B2 - ガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法 - Google Patents
ガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
[1]ガス検知部と触媒部とを有するガスセンサ素子であって、
触媒部が、触媒材料が担持されていない担体材料からなる担体層と、担体層上に形成され、触媒材料が担持された担体材料からなる触媒層と、を有し、
担体層は、バインダを有する担体層の塗布体を熱処理して、バインダの一部が担体層の塗布体内部に残存するように形成され、触媒層は、熱処理後の担体層の塗布体上に形成された触媒層の塗布体を熱処理することにより形成されることを特徴とするガスセンサ素子である。
[6]ガス検知部と触媒部とを有するガスセンサ素子を製造する方法であって、
触媒部が、触媒材料が担持されていない担体材料からなる担体層と、担体層上に形成され、触媒材料が担持された担体材料からなる触媒層とを有しており、
バインダを有する担体層用ペーストを用いて担体層の塗布体を形成して熱処理する第1熱処理工程と、
バインダを有する触媒層用ペーストを用いての触媒層の塗布体を第1熱処理工程後の担体層の塗布体上に形成して熱処理する第2熱処理工程と、を有し、
第1熱処理工程では、担体層の塗布体内部にバインダの一部を残存させることを特徴とするガスセンサ素子の製造方法である。
1.ガスセンサ素子
1.1 ガスセンサ素子の全体構成
1.2 触媒部
1.3 ガス検知部
1.4 ヒータ部
1.5 基板部
1.6 ガスセンサ素子の動作原理
2.ガスセンサ素子の製造方法
3.本実施形態における効果
4.変形例
本実施形態に係るガスセンサ素子は、可燃性ガスを検知するための接触燃焼式ガスセンサ素子である。このガスセンサ素子を外部回路に接続してガスセンサとして用いてもよいし、測定雰囲気と連通する公知のパッケージ内に収容して用いてもよい。また、このガスセンサ素子のみでガスを検知してもよいし、温度補償用のセンサ素子、別種のガスを検知するための他のガスセンサ素子等とともにガスを検知してもよい。
図1に示すように、本実施形態に係るガスセンサ素子1は、基板部40、ヒータ部30、ガス検知部20および触媒部10がこの順序で積層された構成を有する積層構造体である。触媒部10は、担体層11および触媒層12から構成され、ガス検知部20は、ガス検知材21、ガス検知電極22およびガス検知材保護膜23から構成される。また、ヒータ部30は、所定の抵抗値を有する配線からなるヒータ31およびヒータ保護膜32から構成される。基板部40において、支持基板41の一方の主面に絶縁膜42が形成されるとともに、支持基板41には空洞部43が形成されている。各構成要素についての詳細な説明は後述する。
図2(a)および(b)に示すように、触媒部10はガス検知部20の表面(本実施形態では、ガス検知材保護膜23)上に形成されており、ガス検知部20の表面と接触している担体層11と、担体層11上に形成され、ガス検知部20の表面と接触していない触媒層12との2層構造を有している。
図1に示すように、ガス検知部20は、ガス検知材21と、ガス検知電極22と、ガス検知材保護膜23とから構成されている。本実施形態では、ガス検知材21はサーミスタである。サーミスタ21は、負の抵抗温度係数を持ち、触媒部10における可燃性ガスの燃焼による温度変化に起因して抵抗値が変化することによりガス検知を行う。サーミスタ21を構成する材料としては、サーミスタとして使用可能な材料であれば特に制限されない。本実施形態では、サーミスタ21の材料としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム等が例示される。
図1に示すように、ヒータ部30は、通電により発熱する抵抗体であるヒータ31とヒータ保護膜32とから構成される。ヒータ31として、サーミスタ21を効率よくかつ確実に加熱できるように所定の抵抗値を有する配線が配置される。本実施形態では、触媒部10およびサーミスタ部20の形成領域に対応する領域において、ヒータ31の配線が複数回折り返され所定の間隔で平行に配置されるパターン(ミアンダパターン)であることが好ましい。
図1に示すように、基板部40は、支持基板41と絶縁膜42と空洞部43とから構成されている。支持基板41は、その上に形成されるヒータ部30、サーミスタ部20、触媒部10等を支持できる程度の機械的強度を有し、かつエッチング等の微細加工に適した材料で構成されていれば、特に限定されない。本実施形態では、支持基板41として、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板等が例示される。
ガスセンサ素子1において、ヒータ31およびサーミスタ電極22は図示しない外部回路に接続される。ガスセンサ素子1を作動させると、ヒータ31に所定の電圧が印加される。また、サーミスタ電極22には固定抵抗が直列に接続されており、バイアス電圧が印加される。サーミスタ21およびその上に位置する触媒部10は、ヒータ31に印加される電圧に応じて、所定の温度に加熱される。
次に、図1に示すガスセンサ素子の製造方法の一例について以下に説明する。
本実施形態では、サーミスタ部の上に形成される触媒部を複数の層から構成し、サーミスタ部と接触する層を、触媒材料が担持されていない担体材料からなる担体層とし、その上に、触媒材料が担持されている担体材料からなる触媒層を形成することにより、触媒部には、触媒反応に不要な材料が含まれることはない。
上述の実施形態では、接触燃焼式のガスセンサ素子について説明したが、触媒部が形成されるガスセンサ素子であれば、接触燃焼式以外のガスセンサ素子であってもよい。たとえば、半導体式のガスセンサ素子であってもよい。
10… 触媒部
11… 担体層
111… 接触部分
112… 周縁部分
11a… 担体層の塗布体
12… 触媒層
12a… 触媒層の塗布体
20… ガス検知部(サーミスタ部)
21… ガス検知材(サーミスタ)
22… ガス検知電極(サーミスタ電極)
23… ガス検知材保護膜(サーミスタ保護膜)
30… ヒータ部
31… ヒータ
32… ヒータ保護膜
40… 基板部
41… 支持基板
42… 絶縁膜
43… 空洞部
50… 引出電極
Claims (7)
- ガス検知部と触媒部とを有するガスセンサ素子であって、
前記触媒部が、触媒材料が担持されていない担体材料からなる担体層と、前記担体層上に形成され、前記触媒材料が担持された担体材料からなる触媒層と、を有し、
前記担体層は、バインダを有する前記担体層の塗布体を熱処理して、前記バインダの一部が前記担体層の前記塗布体内部に残存するように形成され、前記触媒層は、熱処理後の前記担体層の前記塗布体上に形成された前記触媒層の塗布体を熱処理して、前記担体層の前記塗布体に残存するバインダを除去するとともに、前記触媒層の前記塗布体に含まれるバインダを除去することにより形成され、
前記担体層の前記塗布体を熱処理する温度を第1熱処理温度、前記触媒層の前記塗布体を熱処理する温度を第2熱処理温度としたときに、前記第1熱処理温度は、前記第2熱処理温度よりも低いことを特徴とするガスセンサ素子。 - 前記第1熱処理温度が100℃以上200℃以下であり、前記第2熱処理温度が300℃以上500℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 前記触媒層は、前記担体層以外の前記ガスセンサ素子に接触していないことを特徴とする請求項1または2に記載のガスセンサ素子。
- 前記触媒部を平面視したときに、前記担体層は、前記触媒層と接触している接触部分を取り囲む周縁部分を有していることを特徴とする請求項3に記載のガスセンサ素子。
- ガス検知部と触媒部とを有するガスセンサ素子を製造する方法であって、
前記触媒部が、触媒材料が担持されていない担体材料からなる担体層と、前記担体層上に形成され、前記触媒材料が担持された担体材料からなる触媒層とを有しており、
バインダを有する前記担体層用ペーストを用いて前記担体層の塗布体を形成して熱処理する第1熱処理工程と、
バインダを有する前記触媒層用ペーストを用いて前記触媒層の塗布体を前記第1熱処理工程後の前記担体層の前記塗布体上に形成して熱処理する第2熱処理工程と、を有し、
前記第1熱処理工程では、前記担体層の前記塗布体内部に前記バインダの一部を残存させ、前記第2熱処理工程では、前記担体層の前記塗布体に残存するバインダを除去するとともに、前記触媒層の前記塗布体に含まれるバインダを除去し、
前記第1熱処理工程における保持温度を第1熱処理温度、前記第2熱処理工程における保持温度を第2熱処理温度としたときに、前記第1熱処理温度は、前記第2熱処理温度よりも低いことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。 - 前記第1熱処理温度が100℃以上200℃以下であり、前記第2熱処理温度が300℃以上500℃以下であることを特徴とする請求項5に記載のガスセンサ素子の製造方法。
- 前記第2熱処理工程において、前記触媒層の前記塗布体が、前記担体層の前記塗布体以外のガスセンサ素子に接触しないように形成されることを特徴とする請求項5または6に記載のガスセンサ素子の製造方法。
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