JPS6316255A - センサ素子の電極端子部の形成方法 - 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】 本発明はリード線によって支持されるセンサ素子、砦に
ガスセンサ素子の荷重を受ける前記センサ素子の電極端
子部の形成方法すなわち膜電極端子を前記センサ素子の
絶縁基板上に形成する方法と前記膜電極端子にリード線
を接合する方法とに関する。

厚膜を形成させたガスセンサ素子は、さらに前記の絶縁
基板の裏面に対しても薄膜法あるいは薄膜法によって加
熱ヒータを形成させてセンサ素子をを増加させてセンサ
素子の感度特性と応答速度特性とを向上させることと、
才だ素子表面に付着する汚れを加熱燃焼させてガスの検
知部分を常に清浄に保つこととを目的とする。

このような加熱を行うセンサ素子においては、加熱用ヒ
ータの消費電力の低減化をはかるためセンサ素子のチッ
プを空中に浮かせて支持し、空気を断熱材としてセンサ
素子からの放熱を抑制するようにした断熱実装方式が多
く採用されている。

この断熱実装方式のセンサではセンサ素子がリード線に
よって空中に支持されており、したがってセラミクス絶
縁基板上の模試極端子とセラミクス絶縁基板との接合な
らびに漠ｔ　僅端子とリード線との接合に対してセンサ
素子を保持するために十分な強度を与えることが必要で
ある。

第５図に一般的なガスセンサの構成を示す。セラミクス
の絶縁基板１の上に通常の厚膜法で下部電極２と膜電＆
電子３とを形成する。下部電極２の上にガス感応層４を
これも厚膜法で形成し、さらに同じく厚膜法で上部ＴＬ
極５を重ね、上部電極５屹連ねてセラミクス基′＆１上
に＠電極端子６を形成する。膜電極端子３と６とにはリ
ード′１ｉＡ７と８とが接合される。またセラミクス基
板−１の裏面には点線で示すように加熱用ヒータ９が厚
膜法で形成され、この加熱用ヒータ９に連ねて形成した
膜電極端子１０と１１とにリード線１２と１３とが接合
される。リードＨ７、８，１２，１３はそれぞれステム
ビン１４　、１５　、１６　、１７にスポット溶接法で
溶着され、センサ素子はリード線７，８，１２．１３に
よって空中に支持されることになる。その結果絶縁基板
１と膜電極端子との接合部と膜電極端子とリード線との
接合部にはセンサ素子の重量による荷重がかかる。第６
図は膜電極端子３とリード線７との接合部の拡大図であ
・る。他の膜電極端子とリード線についても全く同様で
ある。

従来技術においては下部電極２．膜電極端子３゜６．１
０．１１はいずれもセラミクスの絶縁基板１に白金ペー
ストをスクリーン印刷して厚さ１０〜加μｍに仕上げ乾
燥後焼成して形成する。上部電極５についても白金ペー
ストが用いられ、膜電昆端子６に連なる一部がセラミク
スの絶縁基板１上にスクリーン印刷されるほかはガス感
応層４の上にスクリーン印刷されるが、形成の方法は全
く同様である。

第６図について説明すれば焼成後の膜電極端子３に白金
または白金合金製のリード線７がスポット溶接で接合さ
れる。スポット溶接を行うのは、リード線を膜電極端子
３に押しつけた状態で接合がなされること、膜電極端子
３とリード線４とが同系統の材料であって両者の間に溶
接の加熱冷却にともなう膨張係数の差による剥離などが
生じないことなどの利点があるためである。

ところでガスセンサ素子が使われるガス洩れ警報器につ
いては振動や落下衝撃に十分耐え得ることが規定されて
いる。試験条件の最もきびしい落下衝竿テストにおいて
加えられる衝撃加速度値は約１７０Ｇである。センナ素
子は厚さ０．５ｇｍの２．５ｕ角のセラミクス絶縁基板
を用いているので、その重量は約１２■であることから
これに加わる衝撃荷重は約２１となる。安全係数を５倍
にとっているためこれを考慮すると膜電極やリード線は
１０′ｔの荷重に耐して剥離しない強度が必要となる。

しかしながら白金ペーストを用いて形成した膜電極端子
番こ白金線をスポット溶接する従来技術においては、既
に記したように膜電極端子とリード線との接合は良好に
行われるが、溶接時に熱衝撃が加えられるため、白金の
膜電極端子とセラミクス絶縁基板との接合が弱まり、膜
電極端子がセラミクス基板より剥離しやすい状態となっ
て上記の衝撃荷重に耐え得る条件を満さなくなるおそれ
があった。

熱衝撃の加わり方の少ないリード線の接合方法としては
ワイアボンディング法やろう付は法があるが、ワイアボ
ンディング法においては使用し得るリード線の線径か細
くガスセンサとしてのセンサ素子を支持するのに十分な
強度をリード線に与えることができない。またろう付は
法ｉこおいてはろう付けを容易に行えるように膜電極端
子やリード線の表面をＮｉＣｒのコーティング、蒸着あ
るいはスパッタなどによって被覆処理する必要があり、
さら）ころう付けの際にはリード線を膜電極端子表面に
固定するための治具を必要とするなど接合作業に手数を
要する難点がある。

〔発明の目的〕

この発明は上述の問題点を解決してセンサ素子のセラミ
クス絶縁基板と膜電極庁子との接合強度を手数を要する
ことなく強固に保ち得る膜電極端子部の形成方法を提供
することを目的とする。

〔発明の要点〕

この発明は膜電極端子表面としてセラミクス絶縁基板に
対する接合強度がすぐれている白金ロジウムペーストを
用い、焼成した５　ｐｔｎないし艶μｍの厚みの膜電極
端子に対して金または金合金のす−ド線をスポット溶接
法にくらべて熱の加わり方が急激でない熱圧着法により
接合することによって、膜電極端子とセラミクス絶縁基
板との接合強度を向上させるとともに接合部に大きな熱
衝撃が加わることを避け、さらにリード線と膜電極との
接合性を良好にさせようとするものである。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を第１図に示す。セラミクス絶縁基板と
してのアルミナ基板上に形成した白金ロジウムの膜電極
端子の厚みと、それに対する密着強度との関係が黒丸を
結ぶ線で示されている。膜電極端子部の構成は、膜電極
端子材料が白金ロジウム、リード線が金線、膜電極端子
へのリード線の接合方法が熱圧着法であることを除いて
は第６図と同様である。膜電極端子の形成はアルミナ絶
縁基板に白金ロジウムペーストをスクリーン印刷し、室
温乾燥によって溶剤を蒸発させた後１００〜１５０℃で
重合硬化を行わせ、さらに昇温速度１８０℃／時間で１
４００℃まで昇温させて１４００℃で２時間焼成するこ
とによって行っている。焼成後の膜電極端子にリード線
としての金線を熱圧着法によって接合する。熱圧着法は
膜電極端子にリード線を接触させ、さらにリード線に加
熱したヒータチップを押し当てて膜電極端子に接合する
方法であって、接合界面は固相のままで接合材料同志の
相互拡散によって接合が行われる。この方法はスポット
溶接法にくらべては加熱時間が長いため、接合時の熱応
力が緩和されているので膜電極端子とアルミナ基板の接
合状態に支障をもたらすことがない。またリード線が接
合時にヒータチップで膜電極端子に押しつけられている
ので、特にリード線を固定するため治具を必要としない
。上記の熱圧着法で膜電極端子に接合された金線に荷重
をかけ、アルミナ基板から膜電極端子を重石方向に引き
剥がした時の荷重の値を第１図の密着強度とする。

密着強度にはバラツキがあるので第１図においては多数
の膜電極端子について測定された値の平均値；を実線で
、バラツキの標懲偏差σの３倍を考慮した下限値すなわ
ちｘ　−３０の値を点線で示しである。バラツキの下限
値を考慮しても５μｍの厚みで必要な密着強度１０　ｆ
の条件を満していることがわかる。したがって焼成後の
膜厚５μｍを本発明の方法による下限値とする。第１図
には比較のために白金ペーストを用いて形成した膜電極
端子についての測定値も白丸で併記しである。一点鎖線
が平均値Ｘであり、二点鎖線がｘ−３σである。

この白金ペーストを用いた膜電極端子の形成条件は前に
述べた白金ロジウムペーストを用いた膜電極端子の条件
と全く同様であり、リード線も金線の熱圧着法で接合し
たものである。したがってここで示されている値は熱衝
撃の影響のない状態でのものと考えてよい。このような
良好な条件の白金膜電極端子でも密着強度のバラツキの
下限値が１０１を越えるには９μｍの厚みを要し白金ロ
ジウムの膜電極端子の密着強度ははるかにすぐれている
ことがわかる。また第１図に示す測定の範囲ではリード
線と膜電極端子との接合状態には全く異常が認められず
、熱圧着法による接合が十分信頼できることが判明して
いる。

第１図においては膜厚とともに密着強度が増大する傾向
のあることが認められる。これは膜電極端子の膜厚が薄
い時にはリード線を介して加わる荷重に対する膜自体の
強度が十分でないため、リード線と膜との接合部の境界
で膜が破壊し、前記の接合部に相当する微小面積に荷重
が集中するためであり、一方膜厚が増大すると膜自体が
荷重に耐えられるようになって膜電極端子の全面積に相
当する領域に荷重が分散することによるとして説明され
ている。したがって膜厚の薄い場合にはリード線の接合
部分の膜が剥離し、膜厚の厚い場合は藁電甑端子全体が
剥離する。センサ素子の面積が２．５龍角よりも犬であ
り、厚みもＱ、５１１１より増した場合には膜電極端子
にかかる荷重も増すので膜電極端子の膜厚の厚いことが
必要となる。膜厚を増す場合には膜厚によってはスクリ
ーン印刷ヲ複数回重ねる必要がある。焼成後の４４は町
刷後の膜厚の約半分に減少し、この減少の度合は白金ロ
ジウムペーストのような１膜導体ペーストに混練される
原料導体粉末とバインダの配合比によって異なる。また
スクリーン印刷１回当りの膜厚も上記配合比のほか印圧
、印刷速度、スクリーンの網目寸法や膜厚などに依存す
る。これは導体の比重とバインダの比重とに大きな差が
あり、たとえば白金ペーストでは白金の比！２１に対し
てバインダの比重は約１であってペースト状態を保たせ
るためのバインダの容量比がきわめて大きくなつＣいる
ためである。場合によっては可塑剤が加えられることも
あり、この場合導体の容量比はさらに減少する。通常焼
成後で１０μｍ近傍となる膜厚は工ないし２回のスクリ
ーン印刷で得られるが、それ以上の膜厚は印刷回数を増
さなければ得られない。

しかとなから実用上のスクリーン印刷の回数は４ないし
５１ｍ１が限度と考えられ、これに対応する膜厚刃μ慣
を本発明による膜厚の上限とする。第１図より■μｍの
膜厚における密着強度は十分な密着強度を与えることが
推定できる。

第２図は密着強度の経時変化を示した図であって、膜電
極端子の厚みを１４μｍとし絶縁基板の温度を４００℃
として、４本のリード線をステムビンに固定した断熱実
装構造としたものについて測定した結果である。

この結果は１０ツトより４０個のセンサ素子を抜き取り
、初期、５日後、１０日後、２０日後においてそれぞれ
１０個ずつ破壊検査を行って得たもので、１０個につい
ての平均値が示されている。破壊はＧ１ずれも膜電極端
子と絶最基板との接合部で発生している。したがって本
発明の方法により形成した膜電極端子と絶縁基板との密
着強度および膜電極端子とリード線との接合強度とには
劣化は認められないと結論できる。

第３図は本発明の第２の実施例を示した断面図である。

セラミクスの絶縁基板２１に印刷された白金ロジウムの
電極リードｎの獲電極端子田に相当する箇所のみさらに
白金ロジウムの膜電極冴を重ねて膜電極端子器の厚みを
増し、この部分の密着強度を上げた上で膜電極冴に金線
をリード線ゐとして熱圧着したものである。この方法は
電極１−ド２２に必要な密着強度を与える庫みを与える
ことができない場合、たとえば特に膜厚が抵抗値との関
係で制約される加熱用ヒーターに連なる電極リードのあ
る場合に有効である。

第４図は本発明の第３の実施例を示したものである。白
金の膜電極に連ねて同じく白金膜で形成された電極リー
ドあに白金ロジウム膜のり−ドＩを重ねて接続し、セラ
ミクス絶縁基板４との密着強度が強固であることの必要
な膜電極端子器を白金ロジウムで形成して、その上化リ
ード［２９としての金線を熱圧着している。白金の膜電
極は荷重を受ける時の密着強度に問題がある点を除いて
は、高い導電率を有しており電極材料としてはすぐれて
いる。また材料自体に触媒作用があるので、カスセンサ
素子の電極としてはガス感応膜の活性を助長する作用が
ある。したがって白金の上記の利点を有効に利用し、し
かも膜電極端子に十分な密着強度を与える点で第４図の
実施例は有効である。

〔発明の効果〕

コノ発明はガスセンサ素子を構成するセラミクス絶縁基
板上の膜電極端子を白金ロジウムペーストのスクリーン
印刷によって形成し、焼成した膜電極端子に金または金
合金のリード憑を熱圧着法によって接合するよう番こし
たので、膜電極端子とセラミクス絶縁基板との密着強度
が従来の白金の膜電極よりも増加し、しかもリード線の
膜電極端子への接合に右げる加熱条件がスボ、ト溶接法
にくらべて緩和されて膜電極端子とセラミクス基板との
接合状態に悪影響を与えない。このため密着強度のバラ
ツキの下限においても５μｍ厚の膜電極端子で１０１以
上、８μ常以上の膜凰で２Ｏｆ以上の密着強度が確保さ
れ、また経時変化も認められず従来の白金膜電極端子に
対して強度が格段に向上している。またリード線と膜電
極端子との接合も良好であって、断熱実装法における信
頼性が向上し、基板も２．５鴇角という小型のものを用
いることができて、加熱用ヒーターの消費電力を約ｏ、
５’Ｗという低い値で用いることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における白金ロジウム膜電極端
子の膜厚と密着強度との関係図、第２図は本発明の実施
例における膜電極端子の密着強度と経過時間との関係図
、第３図は本発明の第２の実施例の断面図、第４図は本
発明のＭ３の実施例の斜視図、第５図はガスセンサ素子
の断熱実装状態を示す斜視図、第６図は従来技術におけ
る脱党ａ端子部の拡大図である。 Ｊ、２］：絶縁基板、３　、６．１０．ｉｌ、２３，２
８　：膜電極端子、　７　、８．１２，１３，２５．２
９　：　　リード線。 第１図 耐Ｉ邑時間（臼ン 第２図 第３図 ２８、獲電紬論シ 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１）セラミクス絶縁基板上に白金ロジウムペーストを
   スクリーン印刷して焼成後の厚みが５μｍ以上５０μｍ
   以下である電極端子を形成させ、焼成後の前記電極端子
   にリード線を熱圧着法によって接合することを特徴とす
   るセンサ素子の電極端子部の形成方法。 　２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、リー
   ド線が金線であることを特徴とするセンサ素子の電極端
   子部の形成方法。 　３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、リー
   ド線が金合金線であることを特徴とするセンサ素子の電
   極端子部の形成方法。