JPS5897282A - マイクロヒ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば酸素センサ、湿度センサ、可燃ガスセ
／す、流量センサ等の薄膜センサに利用し、この薄膜セ
ンサを高温に維持しあるいはクリーニング時等に一時的
に高温にするためのマイクロヒータに関する。

今日ではＩＣの飛躍的な発達により、マイコンを用いた
信号処理技術が、あらゆる分野で利用され、我々の身近
かなものとなりつつある。しかし、これらの多くは、信
号処理技術とそれによって値を表示する表示器に相当す
る部分から成るものが大半である。ところが、一つの動
作を考えた場合検出、信号処理、駆動といった一連の動
きが必要であり、検出については、最も開発が遅れてい
る分野である。そこで、よりよい検出器の出現が待ち望
まれている。特に検出器の中でも、においに相当するが
ス成分を検出するセンサにおいてはその要望が特に強い
。例えば、自動車においては、エンノン効率、さらには
排出される有害ガスの低減、まだ車室内における快適性
の向上環から、こうした自動車各部雰囲気中での、ガス
成分の検出技術の一層の向上が望まれている。ところで
、こうしたガスセンサの検出機構はガスの吸脱着または
酸化還元によって電気伝導度、起電力誘電率等の変化に
よって検出しているものもある。このような機構で動作
するものでは、加熱することが一般的に必要条件となる
。これらのセンサでは十分な動作をさせようとするとヒ
ータを内蔵することが必要条件となる。ところで、自動
車という特定の場所で使用されるヒータは下記の項目を
満足する必要がある。

■　低消費電力（約ｌｏ〔ｗ〕以下）であること。

■　８００〜９００［７Ｇ）の高温に十分加熱可能なこ
と。

■　即応性を有すること。

■　エンノン排気中でも耐久性に優れ、経時変化が小さ
いこと。

′の　小型、軽量なこと。

■　低コストであること。

■　量産性に富むこと。

■　機械的強度が犬であること。

■　制御しやすいこと。

現在上記条件を満足するようなヒータは無い。

以下具体例をあげて現状を説明する。

ａ）　　加熱用マイクロヒータをセンサの傍へ設置する
場合 微少部分の加熱用ヒータとしては、使用雰囲気が清浄な
大気雰囲気の場合にはタングステン、カンタル等の素線
に通電加熱する方法があシ、さらに、各種ガス雰囲気、
水中、排気雰囲気等の過酷す使用条件の場合では、ステ
ンレスやインコネルのノ！イブ中にＭｇＯ粉末でタング
ステン、カンタル、ニクロム素線等をコーティングし埋
め込む（シーズ線と言う）方式が取られている。しかし
、このような方法の場合には微小な形状に形成しにくく
ヒータ自体の体積が大きくなり、加熱に要する使用電力
も数＋Ｗ以上を必要とする場合が多い。

ｂ）センサと加熱用ヒータを一体化する場合センサ自体
を加熱する方法として、センサ内にヒータを埋め込んだ
もの、さらには、基板を用いて基板の反対側へスクリー
ン印刷技術等を用いてヒータ・ぞターンを印刷する等の
方法が取られている。しかし、このような方法で作られ
たヒータの使用可能条件は清浄な大気中が殆んどである
。しかし、これらはヒータ素線が露出していることから
雰囲気（特にＲｉｃｈ雰囲気では）によっては大きな経
時変動を生じる場合がある。さらに印刷法でヒータ・母
ターンを作成する場合には現在の印刷技術では線幅１５
０〔μｍ〕膜厚１０〔μｍ〕以下の製膜は困難である。

そこで、微少・ぐターンヒータの寸法として十数〔絽り
以上になり、不適当である。

Ｃ）ヒータ温度 一般に、マイクロヒータの構成は、発熱部と導線部とか
ら成り、発熱部の線径は約０２〔鴫φ〕前後で、導線部
は１〜２〔■φ〕の大きさになっている。加熱すると、
ヒータ部は線径が小さいことから、電流密度が犬になる
。さらに、発熱部と導線部の接続部分に電流密度の段差
や電流の集中が生じ、長時間使用すると、発熱部、発熱
部と導線の接続部で断線を生じやすい。さらに、高温に
なると、タングステン、カンタル線等の材質では雰囲気
の影響を受は経時変化が大きい。よってこれまでのマイ
クロヒータの加熱温度は最高６００［：’Ｃ１までであ
る。

以上ａ）　ｂ）　ｃ）等の理由から現状では、消費電力
５Ｗ以下であらゆる雰囲気でも経時変化が小さく７００
℃以上の高温まで加熱可能で、しかも、特性のよく揃っ
て、安価に入手できるマイクロヒー＼ りはない。

ただ、従来、がスセンサを設けた基板とヒータとを密着
させて熱の伝導を改善した薄膜型がスセンサの試みはあ
った。しかしながら、これ等の従来のものには下記の如
き種々の機能を満たすものが無く、自動車用、特に排気
ガスの検出用には適さなかった。

自動車用、特に排気ガス用のセンサとして具備すべき条
件は次のようである。

１）適用可能酸素分圧の広さく　１０−”’（）、２（
ａｔｍ：））。

２）安定性 ３）連応性（２Ｈｚ程度） ４）適用可能温度範囲の広さく常温〜８００ｃｃ）　）
５）　　カー、Ｎン付着および気相からのカーボン析出
に耐えること・ ６）耐振動性。

７）加工性が良く低コストなこと。

８）エンノンの完爆前の濃い未燃燃料排出にも耐えるこ
と。

９）腐食性ガスに耐えること（ＮＯｘ、ｓｏｘ等）１０
）起動時に速やかに作動できること。

１１）消費電力が少ないこと（数〔Ｗ〕以内）。

１２）小型軽量なこと。

１３）１２（Ｖ］の単一電源で動作させ得ること。

１４）長寿命なこと（２〜１０万〔ｋ？ＰＬ〕走行程度
）。

１５）取り付は後は無校正で正確に働くこと。

１６）水蒸気凝固にも耐えること。

１７）電気ノイズに強いこと。

従来のガスセンサ用ヒータとしては基板にペーストを印
刷して焼成する手法で作ったもの（厚膜式ヒータ）が多
かった。これ等のものには下記の如き問題点があった。

イ）適用可能酸素分圧が狭い。

０）５００（２）以上にした場合ヒータおよび電極材と
して用いるＲｕ　Ｏ２の経時変化が大きい。（Ｒｕの揮
発消耗） ハ）寸法形状が大きい（スクリーン印刷法では印＼ 刷幅の下限界が０．３〔■〕である）ことから熱応答性
が悪いし 二）使用温度範囲が狭い。（ｍａｘ　５００Ｃ’Ｃ）　
）ホ）カーピン付着で劣化する。（加熱温度が低いため
カービンが付着しやすい） へ）加工性が悪く、高コストである。

ト）完爆前の濃い未燃燃料で焼損する。

チ）腐食性ガスに耐えられない。　　　　　　　　　］
す）起動時の作動が遅い。

ヌ）寿命が短い。

ヲ）無校正では使え々い。

これ等の問題点を生じていた原因は基板の材質、形状、
寸法、性状、およびヒータの材質、形状、　　　１寸法
、さらには製法、被覆材の材質、形状、寸法、性状、製
法、加熱制御方法、条件等が不適当であったと考えられ
る。

本発明の目的は、上述のような従来技術の問題点を解決
することであり、従って適用可能酸素分圧も広く、安定
性も良く、連応性も良く、しかも使用程度範囲も広く、
カーピン付着による劣化が起こらず、加工性が良く低コ
ストで、未燃燃料によっても焼損せず、腐食性ガスにも
耐え、起動時の作動が速く、長寿命で、無校正で使える
優れた本発明は、上記目的を達成するために、基板の材
質、ヒータの材質、形状、寸法、保護用の被覆等の様々
な工夫を組み合せるようにしたもので、坂下、図面を用
いて詳細に説明する。

第１図には本発明になるマイクロヒータの構造り一例を
示す。このヒータ２は耐熱、絶縁性基板１の片面に付着
させてあり、その端部には電極３゜３′が設けてあり、
リーＰ線が接合しである。本例ておいてはヒータを設け
たのと反対側にセンサ４が形成される。又、第１図に示
されてはいないが、ヒータの上には緻密な被覆層を設け
、センサの上には多孔質の被覆層を設ける。又、各電極
からのリード線取り出し部は緻密な被覆層を設けである
。

次に、本発明のマイクロヒータの製法の一例を第２図に
より説明する。同図に示すように、次のような工程を有
している。

（ａ）Ａｔ２０３基板（寸法３０Ｘ３０Ｘ０．２ｍ、表
面仕上げ＃３２０・８５０仕上げ）、ターｙ、ト材料と
してＮｂ２Ｏ５焼結体（１１０φｘ　８　ａｍ　）、Ｐ
ｔ（１ｊＯ（ｗｔφ〕（ｂ）　　二極スパッタ装置を用
いてＡｒ雰囲気中、真空度４　Ｘ　１．０−２Ｔｏｒｒ
において、Ｎｂ２Ｏ５を約２０分間スバ、りする。

（ｃ）　　Ｎｂ　２ｏ　５ス・母ツタ面にはレノストに
より電極マスク、一方反対側面にはヒータマスクを塗布
し、焼付ける。

（ｄ）　　二極ス・２ツタ装置を用いてＡｒ雰囲気中、
真空度４　Ｘ　１Ｏ−２（Ｔｏｒｒ）でレジストをマス
クにしてｐｔをスノセッタする。

（ｅ）　　グイノングマシンを用いて細分する（寸法１
．７０　Ｘ　１．７５　（＋ｍ＋〕）。

（ｆ）　　溶剤（アセトン）に浸せきし、レノストを剥
離する。その結果レノストを付けていない部分のＰｔ（
ヒータ、電極相当部）が残る。

（ｇ）　　電極部にＰｔ１Ｊ−ド線を取り付ける。

ヒータおよび電極の素材としては安定性、温度係数より
検討すると白金（ｐｔ）　、ロクウム（Ｒｈ）、・やラ
ノウム（Ｐｄ）のいずれか又はそれ等の混合物が適する
。なお、混合物の場合の混合割合としては白金に対して
ロノウムまたは・ぐラノウムの割合をθ〜６０（ｗｔチ
〕の範囲とするのが良い。

本発明のセンサ用ヒータは自動車エンジン等の燃焼排気
中での使用をも前提にしている。これ等の排気中ではカ
ニボンの付着および気相からのカーメンの析出について
も留意する必要がある。第３図には自動車燃料をＣ３Ｈ
１６としたときの空気過剰率および温度に対する気相か
らのカーメン析出領域を示す。図より明らかなようにλ
＝０．６という非常にリッチな状態でもカーメンの析出
をさせないためには７００（至）以上に維持する必要の
あることがわかる。尚、カーメンの析出領域では気相の
ＣＯからカーがンが形成されセンサに煤が付着して、電
気的な短絡を起こすことがらシ、不都合である。

よって７００（２）の排気中での耐久性を確保するには
ｐｔ系のヒータを用いる必要があるゲ我々はｐｔにＲｈ
を添加して、ス・ヤ、タ装置で薄膜ヒータを調製し、１
０００国における安定性を実験した。そして、第４図の
如く一定電圧を印加己゛た状態で、ヒータの劣化により
ヒータの抵抗が上昇し、温度が９９０（ト）に低下する
までの時間を調べた。その結果を第１表および第５図に
示す。表および図より明らかなように、Ｒｈ添加量が多
い程、安定性が向上することが判った。但し、Ｐｔ線（
５０〔μｍ〕φ）との熱圧着性はＲｈの添加量の多い方
が悪くなる。

第６図（ａ）にはｐｔ上ヒータ７００　ＣＣ）における
安定性試験の結果を示す。図より明らかなように、３５
０〔時間〕で３０ｒＯと僅かな変化に収捷りており、良
い安定性を示している。

ヒータの厚さとしては抵抗値の安定性、製造しやすさか
ら検討すると０．２〔μｍ〕〜２０〔μｍ〕が適する。

また、ヒータの線幅は１００〔μｍ〕以下とするのがよ
い。その理由を次に説明する。

自動車に搭載されているバッテリーの電源電圧は１２Ｖ
である。

よって、１２Ｖ以内の電源電圧でヒータ温度を約７００
〜５ｏｏ（’ｃ＋にしようとすると、Ｐｔヒータの抵抗
を数１００昨以上にすることは出来ない。

Ｐｔの抵抗率は０℃で９．８１Ｘ１０−’〔Ω−備〕、
抵抗温度係数α＝　３．９６　Ｘ　１０−’／１−ｚ）
であることから、我々は、膜厚として約１〔μｍ〕抵抗
３５■室温２０国になるように製作している。さらに、
こうした薄膜の場合、膜厚が薄眞場合には抵抗率が第７
図に示すように大きく増大し、約８００［ｊｃｌ以下の
加熱によってもｐｔの凝集が進行し、安定性に欠ける。

しかし、膜厚を０．２〔μｍ〕以上にすると抵抗率も膜
厚による依存も小さく、５ｏｏ（’ｃｌ大気中放置試験
を行なっても膜の凝集、抵抗率の増大は小さい。

以上の理由から７、ヒ〜りの膜厚は０．２〔μｍ〕〜２
０〔μｍ〕が適当である。さらに、７００国以上にヒー
タを加熱するのに要する電力量を５（資）以下にしよう
とすると基板寸法も２Ｘ２Ｘ０．２［■〕以下にする必
要がある。しかも、バッテリー電源で動作させるためｐ
ｔ上ヒータ抗を数１００回以下にする必要がある、そう
した条件でのヒータ線幅はｌＯＯ〔μｍ〕以下になる。

絶縁性基板としては高温での強度、絶縁抵抗、他の素材
との反応のしにくさの面より検討すると酸化アルミニウ
ム（Ａｔ２０ｓ）が適する・本発明のセンサの場合、前
述の如く自動車エンノンを始めとする燃焼器等の排気中
での使用を前提にしており、温度も常温から８００□□
□の高温迄変動する。又、振動も加えられる恐れがある
。それ故、かなり厳しい条件になっている。従って、基
板もおろそかにできない。４種類の基板、即ち、Ｓｉ　
＋　Ｓ　ｉ０２膜、純５ｉ０２（石英）板、Ａｔ２０３
焼結板、Ａｔ２０３単結晶（サファイヤ）板等について
、加工性、耐熱性、Ｐｔｊ［との密着性等を調べた。各
々の調べ方は下記の如くである。

ｌ）加工性について 超音波加工機およびダイヤモンドカッタによる加工の難
易度を調べた。

２）耐熱性 ２−１）基板自体の耐熱性 大気中において、８００（’ｄと常温の急速加熱、冷却
を５サイクル行ない、基板の割れ、および、そりが生ず
るか調べた。

２−２）　　Ｐｔと基板の耐反応性、耐雰囲気性基板に
ｐｔ’ｌスパッタして薄膜を調製した物を、温度８００
ＣＣ１で、空気過剰率λ＝０．７（リッチ）と１．５（
リーン）雰囲気に１時間さらしたときの安定性を調べた
。その結果、Ｓｉ＋５ｉ０２板はｐｔと反応したので不
可でアわ、又５ｉ０２が還元されてＳｔになり、そのた
め絶縁膜としての機能が失なわれた。

２−３）　　Ｐｔ膜との密着性 基板上にｐｔを１〔μｍ〕スノヤツタしたものを大気中
８００国で１時間熱処理し、室温迄急冷してｐｔ膜が剥
離するか調べた。

これ等の検討結果を第２表に示す。表よシ明らかなよう
に、Ａｔ２０５の焼結板が機能的にも優れており、しか
も低コストで実用性も高い。

第　　　　　２　　　　　表 絶縁性基板の表面粗度としては、膜の密着性および抵抗
値の安定性より検討すると０２〔μｍ〕〜１５［μｍ〕
の凹凸を有する物が良い。具体的にはｊ＃　１５０〜＃
−２０００程度の研磨面で研磨したのが良い。

Ａｔ２０３焼結板の表面粗度とり、チ、リーン雰囲気間
での抵抗変化幅の関係を調べた結果を第３表および第８
図に示す。表面粗度が大きい方が抵抗変化幅も大きくな
ることが判る。

しかし、基板の強度の制約もあって、板厚０１〜０．２
　［ｗａ）では＃２００仕上げより大きな粗度にするこ
とは困難である。以上の検討結果から、Ａｔ２０３板の
表面粗度としては０２〔μｍ〕〜１５〔μｍ〕の物が適
当であることが判った。

また、表面粗度が約５〔μｍ〕以内のものについては、
基板（石英、サファイヤ、Ａｔ２０３）とヒータ材（Ｐ
ｔ、およびＰｔ＋Ｒｈ材質）との密着性を向上させるた
めにＡｔ　、　Ｔｉ　、Ｗ　、　Ｍｏ等を約１００■〜
１〔μｍ〕挿入することにより、接着強度が大幅に向上
することが判った。

ヒータの表面に緻密層を設けると強度が高くなり、汚染
にも強くなり′、未・燃ガスのヒータ表面への供給量も
制限されて反応熱による温度上昇が制限できるから、温
度制御の安定性が増し寿命も長くなる。

ヒータの表面に設ける緻密層の素材としては強度、熱的
安定性、他の素材との反応のしにくさを考慮す−ると酸
化アルミニウム質、ケイ石質、スピネル質、マグネシア
質、ジルコニア質が適する。

第１図には酸素感応性の薄膜とヒータを絶縁性基板の異
なる面に設けた例を示したが、同一面に設けても良い。

酸素感応性薄膜とヒータを同一面に設けた場合にはその
上に多孔質膜を設けると強度が高くなり、しかも汚染に
強くなる。さらに未燃分の反応による余分な温度上昇を
軽減することもできるので良い。

ヒータと他のガスセンサ（以下、−例として酸素感応性
薄膜の場合を挙げる）を基板の同一面に設けて全体に被
覆する場合には、ヒータの保護の観点のみでなく、セン
サの作動に対する影響も考慮しなければならない。

酸化物および電極表面に緻密層又は多孔質層を設けると
強度が高くなり、又汚染にも強くなり、センサへの未然
ガスの供給をも制限されて反応時の発熱量も制限される
から良い。

膜の緻密さによっても適当な厚さが変わる。

Ｎｂ２Ｏ５の薄膜センサ上に緻密なＡｔ２ｏ　３薄膜を
スパッタリング手法で調整した場合の膜厚と応答時間の
関係を第４表および第９図に示す。

表および図から明らかなように、２０００ｉ　　を超え
る膜厚では応答時間が著しく長くなり不都合なので、２
０００〔幻が応答時間から見たＡｔ２０３ス・母ツタ保
護膜厚の上限である。

保護のだめの他の形態として多孔質層でコーティング番
行なっても良い。多孔質層の材質としてはケイ石質、ア
ルミナ質、スピネル質、マグネシア質、ジルコニア質等
の耐熱性無機材料が適している。スピネル質のプラズマ
溶射によって、多孔質層を形成する場合には平均粒径２
〜７０〔μｍ〕　の、溶射原料を用いるのが適当である
。多孔質層の厚さは２０〜３００〔μｍ〕とすると剥離
、ひび割れ等も無く適当である。

スピネル質の２０〜７０〔μｍ〕φの原料を用イて、プ
ラズマ溶射法によりコーティング層を調製した。

コーティング層の膜厚は０，３０，６０，１００゜１５
０．２００Ｃμｍ〕の６水準とした。第１０図にはそれ
等のセンサのガス組成（０２濃度／Ｈ２濃度）と抵抗の
関係を示す。図より明らかなように、コーティング層が
厚くなるに従って、抵抗急変点が酸素過剰側へ大きくず
れること、又、抵抗変化幅が小さくなることがわかった
。こうした特性はエンノン制御センサとして用いる場合
には空燃比制御点のズレとして現われるが使用法によシ
補償することができる。この場合、コーティング層厚さ
としては２０〜３００〔μｍ〕が適当である。

以上の説明では耐熱絶縁性基板として酸化アルミニウム
質を用いる例を示したが、これ以外にもケイ石質、スピ
ネル質、マグネシア質、ジルコニア質等も適するｄ 又、絶縁性を有する基板の他に導電性を有する基板によ
り構成されるセンサ（例えば限界電流式酸素濃度センサ
等）に対しても適当な絶縁層を介したり、若しくは直接
ヒータをつ゛けるなどすることにより本発明の技術を適
用し実施することができるＯ 更に、本発明のマイクロヒータは接触燃焼式のがスセン
サ用として用いることもできる。

又、空燃比センサ以外のガスセンサ、湿度センサ等にも
利用できる。

又、耐熱、絶縁性基板として平板状のものの代りに、必
要に応じて円筒状のものとすることもできる０ ところで、エンジン制御用センサの設置される場所は、
流量、温度変動が大きい。そこで、一般に温度変動をす
るとセンサの特性も変化する。それ故、雰囲気温度が変
化する場合にもその影響を受けにくくするために、セン
サに本発明のマイクロヒータを設置し、そのヒータ印加
電力を加減して、一定の温度に加熱すると良い。

定温加熱制御をするためには何等かの感温素子により温
度検出をする必要がある。白金等のヒータの場合にはヒ
ータの抵抗温度係数が大きく（第１１図）、ヒータの抵
抗からヒータの温度を求めることができ、独立の感温素
子を省くことができる。この場合にはセンサ構成を簡略
化できること、従って低コストになること、又、機能上
では温度検出の遅れがなくなシ、温度差による誤差がな
くなるという種々の利点がある。但し、ヒータに加熱と
温度検出の二つの機能を果させるため、両機能の干渉を
排除するための工夫を要する。

第１２図にはホイートストンブリッジ回路を用いてヒー
タの抵抗値から温勲を検出すると共に加熱用の電力を印
加する定温加熱制御回路を示す。

図のようにヒータ２はブリッジの一辺ＣＡ間に挿入され
ている。一定電圧源５から電力制御用トランノスタ６を
介してブリ２ノの端子ＢＣ間に電圧が印加され、ブリ７
ノの端子ＣＤ間の不平衡電圧が差動増幅器７により検出
増幅されて電力制御用トランクスタロのベースに印加さ
れる。なお、この回路では電力制御用トランノスタ６の
コレクタベース間のブレークダウンが生ずるのを避ける
ため整流器８が用いられている。ブリツノを構成する対
辺の抵抗の積、即ち抵抗９とポテンショメータ１０の抵
抗の積および抵抗１１とヒータ２の抵抗の積がほぼ等し
くなったときにプリツノの不平衡電圧が零に近くなり、
一定の電力がヒータに加わり、センサ温度も平衡に至る
。

第１３図には、定温加熱制御回路の他の方式を示す。電
流検出部１２によリヒータ２の電流を検・出し、ヒータ
電圧と検出電流の商を商演算部１３で演算しヒータ２の
抵抗に比例した電圧を得る。

ポテンショメータ１０で標準の抵抗に比例した電圧を設
定し、これと前記の商演算部１３の出力電圧を差動増幅
器７で比較し、その差分により電力制御用トランジスタ
６を制御して、センサの温度を一定に制御する。

ヒータ加熱電力制御法としては連続通電の方法でも良い
が、電力制御器での電力損失およびそれに伴なう温度上
昇を軽減するためスイッチング方式にして断続的に制御
しても良い。その場合の周期としては温度の安定性等よ
シ検討すると１［ｒｎｍ］〜１００［ｍｓ’：ｌ程度が
良い。

第１４図は、スイッチング方式の電力制御を行なう定温
度制御回路の概略を示すもので、差動増幅器（計測アン
プ）７と電力制御トランジスタ６との間に断続制御部１
５を設けた点に特徴がある。

第１５図は第１４図の回路の詳細な構成を示すものであ
る。スイッチング方式ではオンの期間にはブリッジから
の不平衡電圧が得られるが、オフの期間にはその電圧が
得られないので、サンプルホールド部１６によって、オ
ンの期間における電圧を記憶しておく、そして、三角波
発振部１７で三角波若しくはそれに類似の電圧波形を発
振しておく。サンゾルホールド部１６の出力電圧と三角
波発振部１７の出力（電圧）とを加算部１８により加算
し、その出力をコン・ンレータ１９に導き、オン、オフ
の矩形波に整形する。そして、ヒータ温度が低い間はオ
ン時間の割り合いを多くし、温度が高くなったらオン時
間の割り合いを少なくし、このようにして一定の温度を
維持する。従って、電力制御トランジスタではオンの時
にもオフの時には微少なる電力損失しか生じず、オン、
オフの切換の過渡時のみ比較的大きな電力損失を生ずる
のみであり、平均的な電力損失が少なく、それに伴なう
温度上昇も僅かである。このような方法は自動車のよう
に１３０〔℃〕近い高温雰囲気でしかも信頼性を要求さ
れる用途の場合、トランジスタの信頼性が高温で急に悪
くなる制約と合わせて考えると、実用上優れた方法であ
る。又、オン、オフの切り換えでなく、高電力と低電力
の二状態を切り換えるようにすることもでき、この方法
では不平衡電圧が常時途切れないという利点がある。

第１６図にはサンプルホールド部１６の出力を比例部２
１．積分部２２．微分部２３へ導き、それ等の出力を加
算することによって、変動の少ない安定な制御を行なう
ようにした例を示す。

なお、第１５図あるいは第１６図に示すような断続制御
部１５は、第１１図の定温度制御回路においても同様に
利用できる。

第１７図には第１図のセンサのヒータ電力と温度の関係
を示す。同図（ａ）は風速を・９ラメータとしての特性
であり、同図（ｂ）は無風時の特性の拡大図である。図
示した如く、０５〔Ｗ〕の入力電力で７００〔℃〕の高
温が得られている。

第１８図には風速の変動（ＯＣμ／ｓｅｅ　）と１０〔
μ／５ｅｅ）の切換え）する条件下における温度変動の
ようすを示す。実線は定温制御を行なった場合であり６
００〔℃〕の設定に対して温度の変動幅は７〔℃〕と比
較的小さな値にお゛さまっている。それに対し、破線は
一定の電圧にしておいて、電力の制御をしない場合を示
すが、２３８〔℃〕もの大きな温度変動が生じることが
わかる。

第１９図には空気過剰率〔λ〕と抵抗の対数の関係を示
す。図より明らかなように雰囲気温度（ガス温）が１０
００〔℃〕と比較的低い場合には五酸化ニオブＮｂ２Ｏ
５の場合にはヒータで加熱をしないと殆んど感応し、な
いのに対し、ヒータで５００〔℃〕に加熱した場合には
）、−１で抵抗が急変する特性を示し、有効に検出して
いることがわかる。

第２０図には定温制御を省き、一定電圧をヒータに印加
した場合のガス温度をパラメータにして、空気過剰率〔
λ〕の抵抗の関係を示す。図より明らかなように、若干
の影響は受けているものの概ね良好な特性が得られてい
る０ 第４図には定温制御を省き、一定電圧をヒータに印加す
る方式のヒータとセンサの回路図を示す。

第２１図には第４図の回路におけるガス温度１００　［
℃）、ヒータ温度４００〔℃〕でのセンサの１１１Ｈｚ
）でのＩＪ　ノチリーン応答波形の一例を示す。

薄膜センサであるため連応性が優れている。

第２２図にはガス温度と応答時間の関係を示す。

従来のヒータを用いない焼結型のＴ　ｉ　Ｏ２センサの
場合には応答時間が長く、しかもガス温度の影響が大き
いｄｆ、ヒータを設けた薄膜型のＮｂ２Ｏ，のセンサの
場合には、応答時間も短かく、しかもガス温度の影響も
僅かでアク優れている。

第２３図〜第２８図は本発明のマイクロヒータを用いた
酸素センサのホルダの構造の一例を示すものである。第
２３図はホルダの先端部に皐付けるペースの平面図であ
り、ペース３１の中央部に酸素センサ３０が取り付けら
れ、ペース３１上の電極３２　、３２’および３３　、
３３’とセンサ３０のヒータ電極およびセンサ電極とが
結線されている。

第２４図はホルダの先端部の側面図であり、第２５図は
同先端部の平面図である。第２６図はホルダの基部の平
面図である。ホルダ３４の基部４７にはホイートストン
ブリッジ構成用の抵抗Ｒａ、Ｒｂ。

Ｒｅおよび接続用の電極が設けられ、これらの電極から
ホルダの先端部までＰｔ１Ｊ−ド線４１〜４６が設けら
れている。酸素センサが取付けられたペース３１はホル
ダの先端部に、白金？ンデイングにより、電気的接続お
よび固定がなされる。第２７図および第２８図はホルダ
全体側面図および平面図である。

以上において、本発明のマイクロヒータについて、具体
的実施例により詳細に説明したところから明らかなよう
に、本発明は耐熱、絶縁性基板の材質と、その基板上に
スパッタリング等により形成されるヒータの材質との適
切な組み合わせにより、基板とヒータとが反応せず安定
性に優れており、また、常温と８００〔℃〕の間の急速
加熱、冷却にも耐え、使用温度範囲が広い。更に、ヒー
タの表面に適切な材質のコーティング層を施すことと相
俟って、未燃燃料によっても焼損せず、腐食性ガスにも
耐え、長寿命である。また加工性もよく、低コストに製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるマイクロヒータの構造の一例、
第２図はその製造の過程を示すものである。 第３図はＰｔ２０［ｗｔチ］にＲｈを添加する割合と抵
抗変化幅の関係を示す図である。 第４図は一定電圧印加方式のヒータ部とセンサ部の回路
を示す図である。 第５図はＰｔ　Ｋ　Ｒｈを添加したヒータを１０００〔
℃〕にしたときの、９９０〔℃〕に低下する迄の寿命と
Ｒｈ添加量の関係を示す図である。 第６図は一定電圧印加法によるヒータの連続通電試験に
おける経過時間と温度の関係を示す図である。 第７図はｐｔ上ヒータ膜厚と抵抗率との関係を示す図で
ある。 第８図はＡｔ２０３基板の表面粗度と抵抗変化幅の関係
を示す図である。 第９図は酸化物半導体薄膜上にスパッタリング法により
調製したＡｔ２０３薄膜の゛膜厚と応答時間の関係を示
す図である。 第１Ｏ図は酸化物半導体膜上にプラズマ溶射法によりス
ピネル質の多孔質層を調整した物の、ガス組成と抵抗の
関係を示す図である。 第１１図は白金抵抗体の特性を示す図である。 第１２図はセンサを一定温度に加熱するための定温加熱
制御回路の図である。 第１３図は定温加熱制御回路の他の例を示す回路図であ
る。 第１４図は断続制御部を有する定温加熱制御回路のブロ
ック図である。 第１５図は第１４図の回路の詳細を示す図である。 第１６図は断続制御部の他の例を示す図である。 第１７図は入力電力とヒータ温度の関係を示す図である
。 第１８図は変動する風速条件下での定温が熱制御を行な
った場合（実線）と無制御（破線）の場合の温度を示す
ものである。 第１９図はヒータ加熱をパラメータにした空ネ過剰率と
セッサ抵抗の関係を示す図である。 第２０図は排ガス温度を・Ｐラメータにして、空気過剰
率と抵抗の関係を示す図である。 第２１図は第４図の回路における応答波形の一例を示す
図である。 第２２図は本発明になるヒータを設けた薄膜型Ｎｂ２Ｏ
５センサと焼結型ＴｌＯ２センサの応答時間の温度依存
性を示す図である。 第２３図は、ペース上に、本発明のマイクロヒータを設
けたセンサを取り付けた部分の平面図、第２４図はホル
ダにベースおよびセンサを取り付けた部分の側面図、 第２５図は同じく平面図である。 第２６図はホルダの基部に端子およびホイートストンプ
リッソ構成用の抵抗を設けた平面図である。 第２７図および第２８図はホルダ全体の側面図および平
面図である。 １・・・耐熱、絶縁性基板、２・・・ヒータ、３　、３
’・・・電極、４・・・センサ。 第１図　　　　第２図 ↓ （ｆ）シラス）ｌ□１ｍ 番 第３図 Ｃ５０，６０，７Ｃ１Ｂ　　　　　Ｃ９１，０−０１制
キ　ベ 第４図 第５図 （ｍｉｎ） −Ｒｈ寿、ｎｏ　！　　　　（’％〕 第６図 第７ヌ１ 蝋厚ＯＪｍ） 第１０図 ０２　［ＣＣ／ｍ１ｎ） 第１１図 ！Ａ　　（’Ｃ） 刀Ｕ 第１３図 第１７図 ｆｉｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆｂｌ
第旧図　　　　　第１９〆１ ＝々気過刺卑　ベ 第２２図） 一η゛スゲ＆＆（・Ｃ〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸化アルミニウム、石英、スピネル、マグネシア、ノル
   フェア、あるいはこれらの混合物を用いた耐熱、絶縁性
   基板もしくは円筒上に密着して、白金、ロジウム、パラ
   ジウム、またはこれらの混伊１を用い、厚さ０．２〜２
   ０〔μｍ〕としたヒータを形成し、 そのヒータの表面に酸化アルミニウム質、ケイ石質、ス
   ピネル質、マグネシア質、ジルコニア質等の耐熱性無機
   材料のコーティング層を施したことを特徴とするマイク
   ロヒータ。 （２）　　ヒータ材料として、白金を主材とし白金に添
   加するロジウム、パラジウムの量をθ〜６０ＣＷｔ　９
   ６　）の範囲にすることを特徴とする特許、請・求の範
   囲第（０項記載のマイクロヒータ。 （３）酸化アルミニウム、石英、スピネル、マグネシア
   、ノルフェア、あるいはこれらの混合物を用いた耐熱、
   絶縁性基板もしくは円筒上に密着して、白金、ロジウム
   、ノやラジウム、またはこれらの混合物を用い、厚さ０
   ．２〜２０〔μｍ〕としたヒータを形成し、そのヒータ
   の表面に酸化アルミニウム質、ケイ石質、スピネル質、
   マグネシア質、ジルコニア質等の耐熱性無機材料のコー
   ティング層を施したマイクロヒータと、 前記ヒータの加熱中の抵抗値を検出し、その検出量に応
   じて、ヒータの抵抗値を一定とするようヒータに供給す
   る″電力を制御して、ヒータ温度を一定に保持する定温
   加熱回路と、 を備えたことを特徴とするマイクロヒータ装置。