JPH1090210A - 接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ素子を小型化してその駆動消費電力を
節減し、振動及び衝撃に強く、ガス感度が高く、応答速
度が早い、接触燃焼式ガスセンサを提供する。 【解決手段】 コイル状の発熱部と前記コイルの表面に
触媒が分散された膜状の燃焼部とを有する感知素子と、
コイル状の発熱部と前記コイルの表面に触媒を含まない
膜状に構成される補償素子とが同時にパッケージされる
ことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可燃性ガスを感知
可能な接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法に関し、
さらに具体的には、可燃性ガスに対する感度を高くして
低濃度ガスを感知でき、消費電力を節減できるように素
子のサイズを小さくするとともに、応答速度を向上さ
せ、振動及び衝撃に強い新たな構造の接触燃焼式ガスセ
ンサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスが
酸素と反応（燃焼）したとき発生する反応熱を電気的信
号に変換して感知するセンサである。従来の接触燃焼式
ガスセンサは、図１に示すように、可燃性ガスが燃焼す
る燃焼部１と、燃焼部を適当な温度で加熱してやるとと
もに、燃焼部１のガス燃焼熱により変化する抵抗を有す
るヒータ部２とから構成されている。

【０００３】燃焼部１は、アルミナ絶縁体にＰｄ又はＰ
ｔ等の貴金属触媒が含有され、可燃性ガスの燃焼を促進
するようになっている。ヒータ部２は、主に高温度抵抗
係数を有する白金線を利用している。このセンサを図３
のホイートストン・ブリッジの一部に接続して測定回路
とし、ガスの燃焼熱による白金線の抵抗変化を測定する
ことにより可燃性ガスを検出するようにしている。

【０００４】すなわち、前記測定回路は、接触燃焼式セ
ンサをブリッジ回路の一辺に接続し、その接触燃焼式セ
ンサと温度・湿度の特性が殆ど同じであるが、触媒が含
有されていないため可燃性ガスに反応しない補償素子３
を、燃焼式センサの接続されているブリッジ回路の一辺
と隣接する一辺に接続し、ブリッジ回路の残りの２辺に
は固定抵抗４、５をそれぞれ接続し、これらにブリッジ
平衡調整可変抵抗６を並列に接続するように構成されて
いる。図においてＶＲは可変抵抗であり、スイッチ（Ｓ
Ｗ）を介して連結された電圧（Ｅ）を調整するように構
成されている。上述した測定回路は、可変抵抗６を調整
して、センサ素子が３００〜６００℃で加熱された状態
でブリッジ部分が平衡状態を維持するようにする。その
後、可燃性ガスがセンサ素子に触れると、ガスが燃焼
し、この燃焼熱によりセンサ素子の白金コイルの抵抗値
が増加する。一方、補償素子３は、可燃性ガスにより燃
焼しないため、これによる燃焼熱を発生せず、燃焼熱に
よる白金コイルの抵抗値の変化は無い。したがって、セ
ンサ素子と補償素子３との抵抗が差が生じ、ブリッジ電
圧が出力される。このブリッジ電圧は可燃性ガスの濃度
に比例して出力され、メタンガスに対する出力特性の例
を図示すると、図４の通りである。

【０００５】一方、上述した従来の接触燃焼式センサの
製造方法は、図２に示すように、白金線をコイル状に形
成してセンサのヒータ部を製造すると同時に、アルミナ
が主成分であるセラミック担体をゾル又はペースト状に
作った後、一定のサイズのビード形態に製造して、白金
コイルのヒータ部に取り付けて燃焼部を形成する。次い
で、形成されたビードを焼成炉に入れて熱処理を行った
後、このビードに白金（Ｐｔ）又はパラジウム（Ｐｄ）
等の触媒を含浸させる。次いで、焼成炉で熱処理して、
触媒がビード形態のアルミナ担体に含有された感知素子
を作成した後、パッケージのターミナルピンにボンディ
ングして封止する。

【０００６】しかし、上述した従来の接触燃焼式ガスセ
ンサ及びその製造方法は、以下のような問題を有する。
すなわち、一般に、可燃性ガスの濃度をｃ、ガスの燃焼
熱による温度上昇分をΔＴとすると、センサの抵抗増加
分ΔＲは数学式１に示す通りである。 ΔＲ＝ａ・ΔＴ＝ａ・ｂ・ｃ・Ｑ／ｈ 但し、ａはヒータコイルの抵抗温度係数、Ｑは可燃性ガ
スの燃焼熱、ｈは素子の熱容量、ｂは素子に添加された
触媒に起因する因子である。上記式から明らかなよう
に、高感度のセンサを得るためには、ヒータの抵抗温度
係数が大きく、素子の熱容量が小さくなければならな
い。又、外部へ損失する燃焼熱は、白金線に沿って電導
によって損失されるものと、空気中へ輻射により損失さ
れるものとが大分であるが、ヒータの抵抗変化に寄与す
る割合を高くしなければならない。これは、センサ感知
の以外に、ヒータ消費電力とも密接な関係がある。その
ため、損失する燃焼熱を低減させるためには、白金線の
直径を小さくし、燃焼部の嵩を小さくしなければならな
く、発生された燃焼熱がコイルによく伝達されるために
は、熱伝導度が高く、熱伝達の距離はできるだけ短くな
ければならない。しかし、従来のセンサは、燃焼部がビ
ード状（球形）になっており、この球型のビードが白金
コイルを覆う構造になっているため、ビードのサイズや
触媒の含有量がガスによるセンサの感度に大きく影響を
及ぼす。よって、ビードのサイズを小さくするのは限界
があり、一定のサイズ及び重さのビードを支持するため
に白金コイルの直径を小さくするのも限界があった。

【０００７】又、充分なセンサ感度を得るようにビード
のサイズと白金コイルの厚さを選択された従来のセンサ
は、比較的に衝撃及び振動に弱く、ビードを高温で加熱
してやるためのヒータの消費電力も高い。のみならず、
接触燃焼式ガスセンサは、ビードで可燃性ガスが燃焼さ
れ、その燃焼熱が白金コイルに伝達され、コイルの抵抗
が変化する構造であり、その伝達効果と距離とに基づい
てセンサ感度と応答速度に影響を及ぼすため、従来のガ
スセンサの構造では感度とガス応答速度を向上させるの
に限界があるという問題点があった。

【０００８】さらに、従来のセンサの製造方法は、ビー
ドを形成するために製造されたアルミナゾル又はペース
トをコイルに取付け乾燥及び焼成するが、その形成方法
が手作業及びそれと同様な方法により行われるため、各
素子のビードのサイズを微細に制御し難い。それだけで
なく、ビード形成後の焼成過程、触媒含浸過程、ワイヤ
ボンディング等の工程が素子単位で行われるため量産性
が低く、その上、補償素子は感知素子と別の工程により
製造されてパッケージに装着されるため製造工程面から
２倍に近い製造原価がかかるという問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点を解決するためになされたもので、センサ素子
を小型化してその駆動消費電力を節減し、振動及び衝撃
に強く、感度が高く、応答速度が早い、接触燃焼式ガス
センサを提供することをその目的とする。又、本発明の
他の目的は、再現性及び量産性あり、低コストで製造す
ることのできる接触燃焼式ガスセンサの製造方法を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の接触燃焼式ガスセンサは、コイル状の発熱
部と前記コイルの表面に触媒が分散された膜状の燃焼部
とを有する感知素子と、コイル状の発熱部と前記コイル
の表面に触媒を含まない膜状に構成される補償素子とが
同時にパッケージされることを特徴とする。

【００１１】又、本発明の接触燃焼式ガスセンサの製造
方法は、コイル状に巻回された２つの白金又はその合金
をパッケージ電極にそれぞれボンディングする工程と、
白金又はその合金コイル上に電気メッキで金属膜を形成
する工程と、金属膜を熱酸化させて多孔性金属酸化物膜
を形成する工程と、感知素子として用いられる多孔性金
属酸化物膜に貴金属を含浸させる工程と、触媒含浸後に
乾燥及び焼成する工程と、からなることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面に基づいて詳細に説明する。図５ａは、本実施
形態の接触燃焼式ガスセンサの構造を模式的に示す図で
あり、図５ｂは、感知素子及び補償素子の断面を模式的
に示す図であり、図６ｃ及び図６ｄは、それぞれ本実施
形態のガスセンサをパッケージした際の断面及び平面を
模式的に示す図である。図５ａ及び図５ｂに示すよう
に、感知素子１０は、白金又はその合金をコイル形状に
して巻かれているヒータ部１１と、そのヒータ部１１の
表面に、気孔を有する多孔性酸化物半導体の膜を形成さ
せ、その表面に白金又はパラジウムのような触媒を分散
させた燃焼部１２とで形成する。一方、補償素子１３
は、感知素子１０と同様に白金又はその合金をコイル形
状に巻いてヒータ部１４を形成し、そのヒータ部１４の
表面に多孔性酸化物半導体膜１５を形成させるが、その
表面には白金又はパラジウムのような触媒を含まないよ
うに構成されている。このように形成された感知素子１
０と補償素子１３は、パッケージ１６の２つの電極ター
ミナルピン１７にそれぞれ結合され、前記コイル状の感
知素子１０及び補償素子１３とが一パッケージ内に並ん
で配置されて前記電極ターミナルピン１７に電気的に接
続され、カバー１８で覆われている（図６ｃ、図６ｄ参
照）。

【００１３】このように構成された本実施形態のガスセ
ンサに２Ｖの電圧を印加し、素子の温度を５００〜６０
０℃で加熱し、図３のブリッジ回路の固定抵抗４、５を
それぞれ１００オームにして、Ｃ₄Ｈ₁₀やＣＨ₄ガスに対
するセンサ出力を測定したが、図８に示すようにセンサ
の感度が高く、２０００ppm 程度の可燃性ガスも高感度
で感知することができ、センサ応答速度も数秒以下と遥
かに早く、消費電力もセンサのサイズによって異なるが
数十ｍＷ以下に収めることができる。

【００１４】このような測定結果は、以下のような理由
により得られる。燃焼部を熱伝導度がアルミナよりよい
酸化物半導体で構成しているうえに、燃焼部はコイルの
表面に配置され、ガスによる燃焼熱がコイルのほぼ全体
に直接伝達される構成となっている。これに対して、ア
ルミナに触媒を含有させた従来のビード型感知素子にお
いては、可燃性ガスがビードで一旦燃焼してその燃焼熱
がアルミナを介してコイルへ電導される。したがって、
本実施形態の場合場合、熱伝達効率が従来のものと比し
著しく高くなる。しかも、本実施形態では触媒が含有さ
れた燃焼部が、ガスに露出されると電気伝導度と熱伝導
度が高くなる酸化錫のようなｎ型酸化物半導体で形成さ
れるため、ガスが素子表面に触れるとき、燃焼されて燃
焼熱が発生するとともに、酸化物半導体の熱伝導度が増
加して発生された燃焼熱をコイルに伝達するようになる
ことから、熱伝達効率が非常に高く、センサの感度が高
い。さらに、コイルの表面に燃焼部が膜状に形成され、
燃焼熱がコイルに伝達する距離が短いため燃焼熱による
コイルの抵抗変化速度つまりセンサ応答速度が早く、且
つコイルの直径を小さくすることができるため電導によ
る熱損失が小さくて電力消費を低減することができる。
又、本実施形態は、感知素子１０の燃焼部１２が、その
コイル面上に皮膜された多孔性酸化物半導体膜で形成さ
れているため、重さと嵩が小さく、振動及び衝撃に強
い。

【００１５】次に、本実施形態接触燃焼式ガスセンサの
製造方法を図６に基づき説明する。まず、巻線機を用い
て、直径が０．００５〜０．０６mmである白金線を、
０．１〜１mmのコイル内径、５〜２０回の巻回数として
全体サイズが０．３〜１．２mmのコイル形態に巻く（Ｓ
１０１）。上記のように巻かれた２本の巻線コイルを、
それぞれの電極ピンとして使われる各２つのパッケージ
ターミナルピンに抵抗溶接法又は高周波融着法で取付
け、パッケージ内に並べて配置する（Ｓ１０２）。パッ
ケージに装着された２本のコイルを錫メッキ溶液に浸
け、コイルが接着されたターミナルピンには陰極電圧を
印加し、溶液内の錫（Ｓｎ）には陽極電圧を印加すると
同時に、印加電極とメッキ時間とを適切に調整して白金
コイルの表面に錫をメッキし、所定の厚さの膜を形成す
る（Ｓ１０３）。この際、メッキ層の厚さは、コイルの
サイズと白金線の直径とに基づいて異なるが、白金線の
直径の０．５〜５倍にすることが好ましい。

【００１６】このようなメッキ工程後に洗浄し乾燥した
後、前記ターミナルピンの両端に電圧を印加して錫メッ
キされたコイルが数１００℃で加熱された状態で維持さ
せてメッキされた錫を酸化させることにより酸化錫（Ｓ
ｎＯ₂ ）に相変化させる。酸化錫がそれぞれ形成された
２本の薄膜コイルのうち、感知素子として使われる白金
コイルの多孔性酸化膜に、塩化白金酸、塩化パラジウム
等の貴金属が含まれた化合物を適当な溶液に一定濃度に
溶かして定量吐出機(dispensor）で一定量を吐出する
（Ｓ１０５）。溶液が乾燥された後、酸化工程と同様に
コイルに一定の電圧を印加して加熱すると、化合物は分
解され、多孔性の酸化錫には貴金属だけが一定量残る。
貴金属含浸量は、溶液の濃度と吐出量とで調節する。こ
のときの加熱温度は８００℃以上とする（Ｓ１０６）。
所定の工程が終わった後、パッケージにカバーを組み立
てることによりセンサ製造が完了する。

【００１７】上記のような製造方法によれば、各センサ
が各素子別で焼成炉に入れて熱処理する従来の方法とは
異に、焼成炉無しにパッケージ状態で電圧を印加して熱
処理するため、熱処理方法が低コストで簡易に行われ
る。一般には、酸化物自体の焼結温度が高いため、酸化
錫自体は白金コイル上に膜状に形成しにくいのに対し
て、本実施形態では、錫（Ｓｎ）をメッキした後に酸化
させて酸化錫を形成する方法を使用するため、酸化錫を
容易に得られる。又、膜を形成するための別の蒸着法と
異なり、メッキ法を使用するため、量産性がよく、経済
的であり、厚い膜を容易に得られる。そして、形成され
た酸化錫は、相変化される際、嵩が増加されるため、錫
メッキ層の厚さより厚い状態で存し、多孔性である。
又、ｎ型酸化物半導体の特性を示し、可燃性ガスに曝さ
れた時に熱伝導度が増加する性質がある。このように、
本実施形態の方法では、感知素子と補償素子とが一パッ
ケージ内で電気的方法を介して工程が行われるため、厚
さとサイズが一定であって、再現性、量産性、及び経済
性に優れ、熱処理が簡単であり、熱処理温度を微細に調
整することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、本発明の接触燃焼式ガス
センサは、コイルの表面に燃焼部を膜状に形成させてあ
るので、その膜全体でガスに接触し、燃焼し、直接コイ
ルにその熱を伝えるので、ガスセンサとしての感度が非
常に高く、センサの応答速度が早く、消費電力が低い。
のみならず、燃焼部は、厚さと嵩が小さいため、小型化
に適合し、振動及び衝撃にも非常に強い。また、膜を多
孔性膜とすると、より軽量とすることができ、より小型
化に適し、振動、衝撃により強くなる。このようなセン
サを製造するための本発明の製造方法は、感知素子と補
償素子が、金属メッキ法によりその酸化物半導体膜が得
られるとともに、一パッケージ内で電気的方法を介して
工程が行われるため、厚さとサイズが一定であって、再
現性、量産性及び経済性に優れ、又、熱処理方法も低コ
ストで簡易に行われ、熱処理温度を微細に調整すること
ができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の接触燃焼式ガスセンサの構造を示す図、

【図２】従来の接触燃焼式ガスセンサの製造工程を示す
フローチャート、

【図３】接触燃焼式ガスセンサを利用して可燃性ガスを
測定するための回路図、

【図４】図３の回路を使用してメタンガスを測定すると
きの感度特性を示すグラフ、

【図５】ａは本発明実施形態のガスセンサの構造を模式
的に示す図、ｂは感知素子と補償素子の断面を模式的に
示す図、

【図６】本発明実施形態のガスセンサをパッケージした
際の断面及び平面を模式的に示す図、

【図７】本発明のガスセンサの製造工程図、

【図８】本発明のガスセンサに対するセンサ出力を示す
グラフである。

【符号の説明】 １０ 感知素子 １１、１４ ヒータ部 １２ 燃焼部 １３ 補償素子 １５ 多孔性酸化物半導体膜 １６ パッケージ １７ ターミナルピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チョル・ハン・ゴン 大韓民国・ギョンギ−ド・ヨンイン−シ・ スウジ−ウプ・プンドクチュン−リ・（番 地なし）・ヒユンデ アパートメント 110−502 (72)発明者 ギュ・ジェン・イ 大韓民国・ソウル・ソチョ−ク・バンポ４ −ドン・（番地なし）・ミド アパートメ ント 309−601 (72)発明者 ヒョン・ギ・ホン 大韓民国・ギョンギ−ド・ガチョン−シ・ ブリム−ドン・41・ズゴン アパートメン ト 903−105 (72)発明者 スン・リョル・キム 大韓民国・ソウル・ガンアァ−ク・ボンチ ェン11−ドン・196−151

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル状の発熱部の表面に触媒が分散さ
   れた膜状の燃焼部を形成させた感知素子と、 コイル状の発熱部の表面を触媒を含んでない膜で覆った
   形状の補償素子と、が同時にパッケージされる接触燃焼
   式ガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記コイルは、白金又はその合金で、直
   径が０．００５〜０．０６mmである請求項１に記載の接
   触燃焼式ガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記膜状の燃焼部は、金属から熱酸化さ
   れた厚さ０．０１〜０．２mmの多孔性酸化物半導体膜で
   形成される請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
4. 【請求項４】 多孔性酸化物半導体膜は、ガスにより熱
   伝導度が増加される酸化錫、酸化亜鉛等のｎ型酸化物又
   はその混合物で構成される請求項３に記載の接触燃焼式
   ガスセンサ。
5. 【請求項５】 コイル状に巻かれた２つの白金又はその
   合金をパッケージ電極にそれぞれボンディングする工程
   と、 前記白金又はその合金コイル上に電気メッキで金属膜を
   形成する工程と、 前記金属膜を熱酸化させて多孔性金属酸化物膜を形成す
   る工程と、 感知素子として用いられる白金又はその合金の多孔性金
   属酸化物膜に貴金属を含浸させる工程と、 前記貴金属触媒含浸後に乾燥及び焼成する工程と、から
   なる接触燃焼式ガスセンサの製造方法。
6. 【請求項６】 前記貴金属触媒含浸工程は、前記感知素
   子として用いられる多孔性金属酸化物膜に、塩化白金
   酸、塩化パラジウム等の貴金属の含まれた化合物を適当
   な溶液に一定濃度に溶かして定量吐出機で一定量を吐出
   するようにしてなる請求項５に記載の接触燃焼式ガスセ
   ンサの製造方法。