JPH075140A - 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ - Google Patents

2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ

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JPH075140A
JPH075140A JP2060592A JP2060592A JPH075140A JP H075140 A JPH075140 A JP H075140A JP 2060592 A JP2060592 A JP 2060592A JP 2060592 A JP2060592 A JP 2060592A JP H075140 A JPH075140 A JP H075140A
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JP
Japan
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metal oxide
oxide semiconductor
resistance
gas sensor
capacitor
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Application number
JP2060592A
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English (en)
Inventor
Hiroo Imamura
博男 今村
Masaru Horiguchi
勝 堀口
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TAISE KK
Original Assignee
TAISE KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型化でき、消費電力が少なく、ガス濃度測
定の感度がすぐれ、しかも製造工程の簡素化によるコス
ト低減された2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサを
提供する。 【構成】 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ1
は、吸着ガス濃度により抵抗値が変化する金属酸化物半
導体12及び加熱用抵抗体14とコンデンサ10から成
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上利用分野】本発明は、ガス感知器等に用いられ
る2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】金属酸化物半導体ガスセンサは、ガス吸
着による金属酸化物半導体の導電率の変化を測定するこ
とによってガス濃度を検出する。ガスの吸脱着速度を増
すためには、金属酸化物半導体を一定の高温に保持する
必要がある。金属酸化物半導体ガスセンサには、熱線型
半導体式ガスセンサ、焼結体素子半導体ガスセンサ等が
従来から知られている。これらのガスセンサは、加熱方
法、および金属酸化物半導体(センサ素子)の抵抗値の
測定方法が相違している。
【0003】熱線型半導体式ガスセンサは、例えばセン
サ素子20であるSnO2 セラミックの中心に、低抵抗
の加熱ヒータである貴金属線コイル22を埋設した構造
を有する。センサ素子20は貴金属線コイル22によっ
て加熱され、ガス吸着によるセンサ素子20の抵抗値の
変化を検出することによりガス濃度を測定する。このよ
うな熱線型半導体式ガスセンサの電気回路を図4に示
す。センサ素子20と貴金属線コイル22は並列に接続
されている。
【0004】焼結体素子半導体ガスセンサは、図5の
(A)に一例を示すように、平行に設けた2本の貴金属
線電極24,24’にセンサ素子20である金属酸化物
半導体ペーストを塗布し焼結したものである。貴金属線
電極の一方24は加熱ヒータとしての機能も果たす。図
5の(B)にその電気回路を示す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】熱線型半導体式ガスセ
ンサは、小型化でき、加熱ヒータの消費電力が約150
mWと少ない長所を有しているが、低抵抗の加熱ヒータ
とガス濃度を測定するセンサ素子とが並列に接続されて
いるために、焼結体素子半導体ガスセンサと比較したと
き、ほぼ加熱ヒータの抵抗分ガス濃度測定感度が低下す
るという欠点を有する。
【0006】焼結体素子半導体ガスセンサは、ガスがセ
ンサ素子の表面に吸着することによるセンサ素子の電気
抵抗値の変化をそのまま測定することができるので高感
度であるが、小型化することが困難であり、しかも加熱
ヒータに常時電流を流す必要があるため消費電力が約1
000mW〜3000mWと大きくバッテリー駆動をす
ることが困難であるという問題を有する。また、図5の
焼結体素子半導体ガスセンサの例に示すように4端子構
造となっているため電気抵抗値の検出回路との接続に4
本の配線が必要となる。
【0007】従って、本発明の目的は、小型化でき、消
費電力が少なく、ガス濃度測定の感度が優れ、しかも製
造工程の簡素化によるコスト低減された2端子型金属酸
化物半導体式ガスセンサを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明、2端子型金属酸
化物半導体式ガスセンサ1においては、図1に示すよう
に、直列に接続された加熱用抵抗体14とコンデンサ1
0と前記配列と並列に接続された金属酸化物半導体12
の構成から成る。図2においては並列に接続されたコン
デンサ10と金属酸化物半導体12前記配列と直列に接
続された加熱用抵抗体14の構成から成る。また、加熱
用抵抗体14、コンデンサ10、及び金属酸化物半導体
12は基板18上に固定されている。以上のような前記
素子の構成により上記の目的は達成される。
【0009】コンデンサは磁気コンデンサ等を例示する
ことが出来る。しかしながら、使用温度である300℃
〜400℃に耐えられれば良く使用可能であればこれに
限定されるものでない。
【0010】用いるべき金属酸化物半導体12は、検出
すべきガスの種類に応じて適宜選択すればよい。金属酸
化物半導体12として、例えば、SnO2 、ZnO、α
−Fe23、γ−Fe23、In23、またはWO3
用いることが出来る。金属酸化物半導体には、増感剤と
して、Pd、Pt、Au、Ag等を含有させてもよい。
【0011】加熱用抵抗体14は、厚膜抵抗素子を使用
した。印刷抵抗の材質としてはRuO2 等を用いること
が出来る。
【0012】以上のような金属酸化物半導体12は、所
定の形状に成形した後金属酸化物半導体を焼結、焼成す
ることにより、または、基板上に塗布することにより形
成することが出来る。更には、コンデンサ10の表面に
金属酸化物半導体12を所定形状に焼結、焼成したり、
あるいはコンデンサ10の表面に金属酸化物半導体をス
パッタ、蒸着、印刷することによりセンサ素子の一体化
が図れる。
【0013】
【作用】通常、本発明の2端子型金属酸化物半導体式ガ
スセンサ1は、300℃以上の高温にて使用される。従
来の技術においては、ガスセンサを加熱するためのヒー
タ抵抗とセンサ素子抵抗の4端子構造が使用されてい
る。しかるに、本発明においては、コンデンサを利用し
センサ部である金属酸化物半導体を加熱用抵抗体から電
気的に分離することで加熱用抵抗体と金属酸化物半導体
の複合2端子センサでありながら金属酸化物半導体の抵
抗のみを測定することが出来る。以下、本発明の2端子
型金属酸化物半導体式ガスセンサ1の動作を説明する。
【0014】一般にコンデンサは直流は流さず、交流に
対しては角周波数ωと静電容量Cの積に反比例したリア
クタンスXを示す特性を有している。図1の(B)にお
いて、加熱用抵抗体14の抵抗値をRとし金属酸化物半
導体(センサ素子)12の抵抗値をRsとしR<<Rs
とするならば、2端子間(T1,T2) の交流電流は、
ほとんど金属酸化物半導体(センサ素子)12には流れ
ず加熱用抵抗体14に流れる。よって加熱用抵抗体14
は、ヒータとしての機能を果たす。また、交流電圧を一
定とした場合には、角周波数ωを変化させるだけでヒー
タ電流を制御することも出来る。一方、直流電流は、角
周波数ω=0のためリアクタンスX=∞となりコンデン
サCの両端は開放され加熱用ヒータ抵抗14には全く流
れず金属酸化物半導体(センサ素子)12のみに流れ
る。従って、直流で金属酸化物半導体(センサ素子)1
2の電気抵抗値Rsを測定することによりガス濃度の測
定が出来る。
【0015】一般に金属酸化物半導体センサは、300
℃以上の高温で使用する。本発明は、図1、図2におい
て、金属酸化物半導体12を使用温度に上昇させ保持す
るための加熱用抵抗体14は、コンデンサ10を通じて
金属酸化物半導体(センサ素子)12と共通な2端子か
ら交流により加熱される。一方、金属酸化物半導体(セ
ンサ素子)12の電気抵抗は、図3に示すC4 及び抵抗
からなる低域通過フィルタにより直流のみを取り出すこ
とができるので直流抵抗を加熱状態のまま測定できる。
以上のように本センサは、図1においてコンデンサ10
により加熱用抵抗体14を金属酸化物半導体(センサ素
子)12から電気的に分離することで、加熱ヒータとセ
ンサ素子の複合2端子センサでありながらセンサ素子の
抵抗RS のみ測定ができる。また、図2においては金属
酸化物半導体(センサ素子)12の抵抗値Rsと加熱用
抵抗体14の抵抗値Rの直流抵抗を測定することになる
が、金属酸化物半導体(センサ素子)12のガス吸着時
の抵抗値Rsと加熱用抵抗体14の抵抗値Rの比は一般
的には概ね1000:1以上の差であり、加熱用抵抗体
14の抵抗値Rが100%変動しても金属酸化物半導体
(センサ素子)12への影響は0.1%以下となり加熱
用抵抗体14の抵抗値Rを無視して考えることが可能で
ある。
【0016】
【実施例】
(実施例1)図1の(A)は、製作した2端子型金属酸
化物半導体式ガスセンサ1の平面図である。コンデンサ
10としてチップセラミックコンデンサ:容量0.1μ
Fを使用し、金属酸化物半導体12として、Ptを1重
量%添加したSnO2 を使用した。加熱用抵抗体14と
しては厚膜印刷抵抗素子を使用した。2端子型金属酸化
物半導体式ガスセンサ1は、予め所定の配線を基板18
上に形成し、加熱用抵抗体14、コンデンサ10を表面
実装により配線に接合し、次に金属酸化物半導体12を
所定形状に成形した後に焼成することにより製作した。
リード線16は、基板18の所定端子部に接合した。図
1の(B)にその電気回路図を示す。基板18には厚さ
0.635〓のアルミナを使用した。
【0017】約300〜400℃に加熱された定常状態
のとき、金属酸化物半導体12の端子間抵抗値Rsは、
ガス吸着がない場合には約900kΩである。そして、
50ppmのエタノールガスを2端子型金属酸化物半導
体式ガスセンサ1に吸着させたとき、金属酸化物半導体
12の端子間抵抗値は約250kΩに減少した。抵抗値
の減少はガス濃度に比例するのでガス濃度の測定を行う
ことが出来る。
【0018】図3に、図1に示す本発明の2端子型金属
酸化物半導体式ガスセンサ1の駆動回路を示した。
【0019】(実施例2)図2の(A)は、2端子型金
属酸化物半導体式ガスセンサ1の平面図であり図2の
(B)にその電気回路を示した。コンデンサ10、金属
酸化物半導体12、加熱用抵抗体14の素子は実施例1
のものを使用し、これらの電気的配列を変えた。
【0020】実施例1、実施例2においてコンデンサ1
0に強誘電体セラミックコンデンサを用いた場合キュリ
ー点を越えると温度上昇と共に容量が減少するので定周
波数駆動の場合は、負帰還がかかり温度変化が抑えられ
るという利点が生じる。これは、直流におけるPTCサ
ーミスタと同様であり、セラミックコンデンサは、交流
PTCサーミスタの状態になっている。また、キュリー
点以下の温度では温度上昇と共に容量が増大するため定
周波駆動においては、極めてすばやい温度上昇が期待で
きる。尚、コンデンサ10の温度係数と容量から金属酸
化物半導体12(センサ素子)の温度が測定できる。こ
れによって温度センサを追加することなくガス測定に必
要な温度制御が可能となる。
【0021】
【発明の効果】本発明の2端子型金属酸化物半導体式ガ
スセンサ1は、加熱用抵抗体とコンデンサ及びセンサ素
子抵抗との接続回路により半導体式ガスセンサと同等の
感度が得られる。加熱を交流により行い、測定を直流で
取り出すことにより加熱、測定を同時に行うことが出来
るので切り替え不要なヒータ複合型の2端子型金属酸化
物半導体式ガスセンサを提供することが出来る。
【0022】また、従来の4端子構造が2端子構造とな
ることにより構造の簡素化、小型化、製造工程の簡素化
が図れると共にコンデンサ10の温度係数と容量からセ
ンサ素子の温度制御が可能となるため温度センサが不要
となる。以上によりコスト低減された2端子型金属酸化
物半導体式ガスセンサを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は、本発明(実施例1)の2端子型金属
酸化物半導体式ガスセンサの平面図であり、(B)はそ
の電気回路図である。
【図2】(A)は、本発明(実施例2)の2端子型金属
酸化物半導体式ガスセンサの平面図であり、(B)はそ
の電気回路図である。
【図3】本発明のガスセンサの加熱駆動回路を例示する
回路図である。
【図4】従来の熱線型半導体式ガスセンサの電気回路図
である。
【図5】(A)は従来の焼結体素子半導体ガスセンサを
示す斜視図であり、(B)はその電気回路である。
【符号の説明】
1 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ 10 コンデンサ 12 金属酸化物半導体 14 加熱用抵抗体 16,16’ リード線 18 基板 20 センサ素子 22 貴金属線コイル 24,24’ 貴金属線電極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】吸着ガス濃度により抵抗値が変化する金属
    酸化物半導体とコンデンサと加熱用抵抗体から成ること
    を特徴とする2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ。
  2. 【請求項2】前記金属酸化物半導体と加熱用抵抗体が直
    列に接続され、これらが金属酸化物半導体と並列に接続
    されていることを特徴とする請求項1に記載の2端子型
    金属酸化物半導体式ガスセンサ。
  3. 【請求項3】前記コンデンサと金属酸化物半導体が並列
    に接続され、これらが加熱用抵抗体と直列に接続されて
    いることを特徴とする請求項1に記載の2端子型金属酸
    化物半導体式ガスセンサ。
JP2060592A 1992-01-09 1992-01-09 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ Pending JPH075140A (ja)

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JP2060592A JPH075140A (ja) 1992-01-09 1992-01-09 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ

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JP2060592A JPH075140A (ja) 1992-01-09 1992-01-09 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ

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JPH075140A true JPH075140A (ja) 1995-01-10

Family

ID=12031902

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JP2060592A Pending JPH075140A (ja) 1992-01-09 1992-01-09 2端子型金属酸化物半導体式ガスセンサ

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JP (1) JPH075140A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101229664B1 (ko) * 2008-08-29 2013-02-04 세이코 인스트루 가부시키가이샤 2 단자형 반도체 센서 장치

Cited By (1)

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KR101229664B1 (ko) * 2008-08-29 2013-02-04 세이코 인스트루 가부시키가이샤 2 단자형 반도체 센서 장치

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