JPH079411B2

JPH079411B2 - 雰囲気検出装置

Info

Publication number: JPH079411B2
Application number: JP61063943A
Authority: JP
Inventors: 順二間中
Original assignee: リコ−精器株式会社
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS62220850A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、雰囲気の状態変化を検出する雰囲気検出器に
関するものであって、更に詳細には、ガス、水分（湿
度）、アルコール等の特定の物質が雰囲気中に存在する
ことを検出する雰囲気検出器に関するものである。

従来技術従来、SnO₂等の金属酸化物半導体からなる感応物質を使
用し、これを所定の温度に加熱させてガス検出を行うガ
ス検出器が使用されている。この場合に、コイル状又は
ストリップ状のヒータ部材を使用して、このヒータ部材
に電流を通電して、ジュール発熱を起こさせ、その熱を
利用して感応物質を所定の温度に加熱させている。感応
物質は所定の温度に加熱された状態で、その周囲に特定
のガスが存在すると、そのガスと反応して、電気抵抗を
著しく変化させ、その電気抵抗変化に基づいて特定のガ
スの存在を検出している。

ところで、この様な従来のガス検出器においては、感応
物質の加熱が一様でないと、特性がバラツクことがあ
り、又ヒータ部材の加熱効率が低く、寿命が短い等の問
題点が存在していた。

目的本発明は、以上の点に鑑みなされてものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、性能が安定してお
り、加熱効率を向上させると共に寿命を長期化すること
を可能とした雰囲気検出器を提供することを目的とす
る。

構成本発明によれば、温度分布が改善された雰囲気検出器が
提供されており、該雰囲気検出器は基板上に設けた感応
物質を加熱するヒータ部材を有しており、そのヒータ部
材は電流を通電することによって加熱を行い、且つヒー
タ部材が該感応物質を加熱する加熱部は他の部分よりも
少なくとも部分的に断面積が小さく設定されている。特
に、好適実施形態においては、該感応物質は該加熱部上
に積層して形成されており、通電によるジュール熱が加
熱部から感応物質に伝導されることによって加熱が行わ
れる。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。

第１図及び第２図には、本発明を適用すべきガス検出器
１が概略示されている。尚、以下の説明においては、本
発明をガス検出器に適用した場合に付いてのみ説明する
が、本発明は、ガス検出の他、水分（湿度）、アルコー
ル等のその他の物質が雰囲気中に存在することを検出す
る場合において適用可能であることに注意すべきであ
る。

第１図及び第２図に示した如く、例えば、シリコン等の
所定の物質からなる基板２は大略矩形形状をしており、
その上表面の中央部分は所定の形状に切除されて凹所2a
が形成されている。この様な凹所2aは、好適には、基板
２を異方性エッチング処理して形成する。この場合に、
例えば、基板２としてシリコンを使用する場合には、シ
リコン２の上表面に二酸化シリコン等の電気的絶縁物質
からなる皮膜を形成し、この皮膜を架橋構造となる部分
及び基板の周囲部分を残存させてパターニングして開口
を形成し、この開口から基板２の異方性エッチングを行
って、凹所2aを形成するとともに絶縁性皮膜からなる架
橋構造を形成すると良い。この様な架橋部上に延在して
ストリップ上のヒータ部材３が形成されると共に、ヒー
タ部材３と略平行に延在しており架橋部の略中央で互い
に分離されている一対の検知部材4a,4bが形成されてい
る。更に、ヒータ部材３の中央部分と一対の検知部材4
a,4bの先端部分上に積層して感応物質層５が形成されて
いる。感応物質としては、例えばSnO₂等の金属酸化物半
導体から構成すると良い。

この様な構成のガス検出器１においては、ヒータ部材３
に好適にはパルス状の電流を通電させてジュール発熱を
起させて感応物質層５を加熱して所定の温度状態とし、
一方一対の検知部材4a,4bを外部の検知回路へ接続し
て、その時の感応物質層５の電気抵抗を測定する。感応
物質層５が所定の温度に加熱された時に、周囲に特定の
ガスが存在すると、これが感応物質と反応し、感応物質
の電気抵抗が著しく変化するので、この著しい抵抗値変
化を検出することによってガス検出を行う。図示した構
成のガス検出器１においては、基板２の上表面に凹所2a
を刻設して、絶縁物質からなり凹所2a上の空中を延在す
る架橋構造が形成されており、その架橋構造の上に延在
させてヒータ部材3,検知部材4a,4b,感応物質５を設けて
いるので、加熱される部分の熱容量は最小とすると共に
周囲は空気等の雰囲気で完全に取り巻かれる構成とされ
ているので、熱応答特性が向上されており、又周囲への
熱の散逸が最小限に抑えられているので消費電力は著し
く減少されており電池駆動とすることも可能としてい
る。

上述した実施例において、基板２としてシリコンを使用
する場合には、その上表面を（100）面とすると非等方
性エッチングを行って凹所2aを形成するのに好都合であ
る。ヒータ部材３は、例えば、Pt,PtRh,SiC,TaN₂,NiCr
等の金属を薄膜として形成すると良い。尚、ヒータ部材
３は絶縁層でその周囲を被覆させた構成とすることも可
能であり、この様な保護膜を形成することによりヒータ
部材３の寿命を長期化させることが可能である。又、例
えば、シリコン基板２上に二酸化シリコン層を形成し、
その上にPtからヒータ部材３を形成する場合には、Ptと
二酸化シリコンとの付着強度を向上させる為にPtとSnO₂
との間にMo等の付着層を介在させると良い。検出部材4
a,4bもヒータ部材３と同一の物質から形成することが可
能であり、又ヒータ部材３と略同一の構成とすることに
より製造過程が簡略化させるので好適である。感応物質
層５は、SnO₂の他、Fe₂O₃、ZnO、TiO等のその他の金属
酸化物半導体を使用して構成することも可能であり、更
にAl₂O₃＋Pt＋Pd等の触媒から構成することも可能であ
る。

第１図に示したガス検出器１においては、ヒータ電極３
はストリップ片から形成されており、その両端に形成さ
れた電極部を除いて、その断面積は略一定である。この
様なヒータ部材３に通電を行いジュール発熱を起させる
と、その中央部分で最高温度となる温度分布が得られ、
その様な温度分布を点線で第３図のグラフに示してあ
る。然し乍ら、実際には、ヒータ部材３の中央部分には
感応物質層５が積層して形成されているので、ヒータ部
材３の中央部分で発生された熱は感応物質層５に熱伝導
によって吸収されるので、ヒータ部材３の長手軸方向Ｘ
−Ｘ′に沿っての実際の温度分布は第３図に実線で示し
た如くなる。尚、第３図のグラフ中において、T₀は感応
物質層５がガスに感応して特性変化（本例では電気抵抗
変化）を起すのに必要な温度であり、使用される物質に
よって特定される。又、5aは感応物質層５の長さであ
り、この長さに相当するヒータ部材３の部分が加熱部を
形成している。前述した如く、ヒータの加熱部上には感
応物質層５が積層されているので、合成熱容量は局所的
に増加されており、従ってその分温度が低下する傾向と
なる。ところで、加熱部両端Ｈにおいては感応物質層５
の境界に対応しており、そこでは局所的に高温となり温
度分布のピークが形成される。従って、感応物質層５の
長手軸方向に沿っての温度分布は一様ではなく、中央部
で多少低く両端部で局所的な温度ピークが形成されてい
る。この様な不均一な温度分布が存在すると検出特性に
バラツキが発生する可能性があり、安定した検出特性を
期待することが困難となる。又、感応物質層５の両端部
で局所的な温度ピークが存在しており、これがヒータ部
材３の寿命を短くする原因となる。又、第１図に示した
如く、一定の断面積で架橋部の全体に渡り延在してヒー
タ部材３が形成されているので、感応物質層５の加熱に
関与しない部分もあり、加熱効率が悪く電力を無駄に消
費している。

この様な点に鑑み、本発明の１特徴によれば、ヒータ部
材３の感応物質層５の加熱に関与する加熱部を他の部分
と比較して少なくとも部分的に断面積を小さく設定する
ものであり、その様に構成したヒータ部材３の１例を第
４図に示してある。第４図に示したヒータ部材３は、両
端部に形成した一対の電極部3a,3bと、それらの間に略
直線状に延在するリード部3cと、リード部3cの略中央部
に画定した加熱部3dとを有している。図示例において
は、全体的に一定の厚さを有するものと仮定しており、
加熱部3dの幅W₁はリード部3cの幅W₂と比較して小さく設
定されている。尚、図示例の場合には、加熱部3dには円
弧状の切欠がその１側部に形成されており、従って加熱
部3dの幅はその中央に向かって漸次幅が細くなってお
り、その中央の最小幅がW₁となっている。この様な構成
においては、ヒータ部材３の加熱部3dの断面積は、リー
ド部3cの断面積よりも小さく設定されており、従って加
熱部3dの電気抵抗はリード部3cの電気抵抗より高く設定
されている。従って、電極3a,3b間に通電すると、加熱
部3dにおいてのみ優先的に発熱が起こり、その上に積層
形成した感応物質層５を効率的に加熱することが可能で
あると共に、感応物質層５の温度分布を一様として加熱
を行うことが可能である。

尚、第４図に示した如く、ヒータ部材３の長手軸方向の
領域ａに渡って感応物質層５を設けた場合のヒータ部材
３の長手軸方向に沿っての温度分布を第５図のグラフに
示してある。このグラフから明らかな如く、感応物質層
５の領域ａ全体に渡って実質的に一定な温度分布が得ら
れており、その分布には特にピークが現われていないの
で、ヒータ部材３が局所的に集中して加熱されることは
ない。従って、安定した検出特性が得られるばかりか、
ヒータ部材３の寿命が長期化される。尚、ヒータ部材３
の領域ｂに渡って感応物質層５を設けた場合の温度分布
を第６図のグラフに示してある。この場合には、ヒータ
部材３の高温部分が感応物質層５によって殆ど被覆され
ているので、ヒータ部材３の寿命は更に改善されてい
る。第４図の実施例において、例えば、ヒータ部材３を
Ptから形成する場合に、その膜厚を0.2乃至２ミクロン
に設定した場合、長さｌ＝50乃至500ミクロン、W₁＝５
乃至50ミクロン、W₂＝２乃至45ミクロンに設定すると良
い。

この様に、ヒータ部材３の加熱部のみを局所的に断面積
を小さく設定すると、そこで局所的に高温度が得られる
が、ヒータ部材３の断面積が小さくなり電流密度が増加
すると、エレクトマイグレーションが発生し、ヒータ部
材３が劣化することが考えられるが、本発明の如き構成
の雰囲気検出器における適用においては、感応物質層５
が存在しているので、ヒータ部材３が局所的に劣化する
ことは構造的に抑制されいるので好都合である。従っ
て、感応物質層５はヒータ部材３の加熱部を実質的に取
り巻く形態で設けることが望ましい。

次に、本発明の別の実施例を第７図を参照して説明す
る。本実施例は、接触燃焼式ガス検出器に本発明を適用
した場合であり、ガス検出器１は、大略矩形形状の基板
２を有しており、基板２のその上表面に凹所2aが形成さ
れており、この凹所2aを斜めに横断して絶縁性材料から
架橋構造が形成されており、その架橋構造上に延在して
細長のヒータ部材３が形成されている。ヒータ部材３の
略中央部には加熱部3dが形成されており、この加熱部3d
において、ヒータ部材３は次第にその中央に向かって幅
狭となっている。そして、この加熱部3d上には触媒物質
からなる感応物質層５が被着形成されている。この場合
の触媒物質として、例えば多孔質Al₂O₃の他、SiO₂等の
担体にPt又はPd等の触媒を担持させた膜を使用すると良
い。尚、第７図に図示した実施例においては、架橋構造
上にヒータ部材３のみを形成してあり、検知部材は設け
ていないが、この場合はヒータ部材３が検知部材の役割
をも担っている。即ち、ヒータ部材３にパルス状電流を
印加した後にヒータ部材３に沿っての抵抗を検知するこ
とによってガス検出を行う構成とすれば良い。

第８図は、本発明の更に別の実施例を示しており、本実
施例においては、シリコン等の基板２の上面に二酸化シ
リコン等の絶縁層2bを被着形成し、この絶縁層2bをパタ
ーンニングして架橋構造を形成すると共に、その架橋構
造の上にヒータ部材３を形成している。ヒータ部材３は
その略中央部に加熱部3dが画定されており、加熱部3dに
おいては、ヒータ部材３の厚さがその中央に向かって漸
次薄くなっている。加熱部3d上には感応物質層５が被着
形成されている。この様に幅を一定としてもその厚さを
変化させることによって断面積を変化させて局所的に高
抵抗領域を画定することが可能である。

第９図は、本発明の更に別の実施例を示しており、本実
施例においては、セラミック基板２を使用している。即
ち、大略矩形形状をしたセラミック基板２の平坦な上表
面上にヒータ部材３が蛇行形状に形成されており、その
上に感応物質層５が被着形成される加熱部3dでは蛇行形
状部分の幅が狭く形成されている。ヒータ部材３の両端
に形成した電極部には夫々配線ワイヤ6a,6bがボンディ
ング接続されている。尚、この場合に、加熱部3dの幅を
加熱部以外のヒータ部材３の幅の0.5乃至0.9の範囲に設
定すると良い。

第10図及び第11図は、本発明の更に別の実施例を示して
いる。これらの実施例は、セラミック基板２上に、ヒー
タ部材３を厚膜形成技術を使用して形成したものであ
る。即ち、第10図の実施例においては、セラミック基板
２上にヒータ部材３を厚膜形成し、その中央部分にホト
エッチング処理を行って厚さを薄くさせて加熱部3dを画
定している。この加熱部3dを被覆して感応物質層５を被
着形成している。更に、第11図に示した実施例において
は、セラミック基板２の平坦な上表面上にスクリーン印
刷によって第１ヒータ層13aを形成し、次に第１ヒータ
層13aの中央部分を被覆するマスクを使用して再度スク
リーン印刷を行って部分的に第２ヒータ層13bを形成す
る。この様に、第２ヒータ層が形成されない中央部分に
加熱部13dが画定され、その上に感応物質層５を被着形
成する。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。例えば、上述
した実施例における架橋構造の代わりに片持梁構造を使
用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用することの可能なガス検出器を示
した概略平面図、第２図は第１図中のＸ−Ｘ′線に沿っ
ての概略断面図、第３図は第１図及び第２図に示したガ
ス検出器のヒータ部材に沿っての温度分布を示したグラ
フ図、第４図は本発明の１実施例に基づいて構成された
ヒータ部材を示した概略図、第５図及び第６図は第４図
に示したヒータ部材に沿っての温度分布を示したグラフ
図、第７図乃至第11図は本発明の幾つかの別の実施例を
示した各概略図、である。（符号の説明） 1:ガス検出器 2:基板 3:ヒータ部材 3d:加熱部 4a,4b:検出部材 5:感応物質層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けた感応物質が雰囲気の状態変
化に応答して変化する特性に基づいて雰囲気を検出する
雰囲気検出装置において、前記感応物質を所定の温度へ
加熱するヒータ部材が前記基板上に形成されており、前
記ヒータ部材は端部に設けた複数個の電極部と前記複数
個の電極部の間に延在する中間部とを有しており、前記
中間部は少なくともその中央の一部が前記感応物質を加
熱する加熱部を形成しており、前記加熱部が前記中間部
の他の部分と比較してその断面積が少なくとも部分的に
小さく設定されていることを特徴とする雰囲気検出装
置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記感応
物質は少なくとも部分的に前記加熱部上に積層して形成
されていることを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項３】特許請求の範囲第２項において、前記基板
の一部が空中に張り出す張出し部が形成されており、前
記ヒータ部材は前記張出し部上に形成されていることを
特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項４】特許請求の範囲第３項において、前記張出
し部が架橋構造であることを特徴とする雰囲気検出装
置。
【請求項５】特許請求の範囲第３項において、前記張出
し部が片持梁構造であることを特徴とする雰囲気検出装
置。
【請求項６】特許請求の範囲第１項において、前記加熱
部は前記ヒータ部材の長手軸に沿ってその中央に向かっ
て次第にその断面積が減少し中央において断面積が最小
となっていることを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項７】特許請求の範囲第６項において、前記加熱
部はその中央に向かってその幅が次第に減少しているこ
とを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項８】特許請求の範囲第６項において、前記加熱
部はその中央に向かってその厚さが次第に減少している
ことを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項９】特許請求の範囲第１項乃至第８項の内のい
ずれか１項において、検出されるべき雰囲気は特定のガ
スであり、前記特定のガスにより前記感応物質の電気抵
抗が変化されることを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項１０】特許請求の範囲第９項において、前記感
応物質が金属酸化物半導体を有することを特徴とする雰
囲気検出装置。
【請求項１１】特許請求の範囲第１項において、前記中
間部が前記電極間に延在するリード部であり、前記リー
ド部の一部に前記加熱部が画定されていることを特徴と
する雰囲気検出装置。