WO2005085821A1

WO2005085821A1 - 検出素子

Info

Publication number: WO2005085821A1
Application number: PCT/JP2005/003674
Authority: WO
Inventors: Katsuhiko Fukui; Toshinori Hirayama
Original assignee: Mikuni Corporation
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2005-09-15
Also published as: JPWO2005085821A1

Abstract

本発明により、基板2の片面に形成された、(1)ヒータパタンと前記ヒータパタンの両端に接続された第1及び第2ヒータ電極と、これらと離間して形成された第1信号取出し電極部、及び第2信号取出し電極と、(2)ヒータパタン全面を被覆して形成されたガラスオーバーコート層と、(3)第1信号取出し電極部と接続されてガラスオーバーコート層上に形成された下部素子電極部と、(4)下部素子電極部上に形成されたバルク層と、(5)前記バルク層の上面に形成された上部素子電極と、(6)上部素子電極と、第2信号取出し電極とを接続するワイヤと、からなる検出素子が開示される。

Description

明細書検出素子技術分野

本発明は、ガスセンサ用の検出素子に関し、詳細には、ガス中の成分に感応するバルク層と、バルク層を動作温度に加熱するヒータパタンとを基板の同一面上に形成した検出素子に関する。背景技術

従来、大気中に含まれる微量ガス検出用ガスセンサの検出素子を構成するバルク層にセラミック半導体が用いられているものがある。バルク層に用いられる半導体としては、 N型セラミック半導体がよく知られている。

P型半導体が用いられるセンサとしては、酸化銅（C u O) を主成分とする金属酸化物を用いる一酸化炭素ガスセンサが知られている（特開

2 0 0 0 - 3 3 8 0 7 2号公報（請求項 1 ))

C u〇を主成分とする金属酸化物が一酸化炭素に感応するバルク層として機能できるためには、金属酸化物は 2 0 0〜 3 0 0 °C程度の温度に維持される必要がある。このため、上記ガスセンサの検出素子は、セラミック基板の表面に形成した金属酸化物を、セラミック基板の裏面に設けたヒー夕パタンによって加熱するように構成されている。

従来の検出素子の構造を図 3、図 4に示す。図 3中、（A) は検出素子の平面図、（B) は底面図である。図 4は、図 3 (A) に示す b _ b 線に沿った断面図である。

上記各図面において、従来の検出素子 2 0 0は、 C u Oを主成分とする金属酸化物からなるバルク層 2 1 2がセラミック基板 2 0 2の表面 2 0 2 aに形成されている。また、セラミック基板 2 0 2の裏面 2 0 2 b には、ガラスオーバ一コ一ト層 2 0 3で覆われたヒー夕パタン 2 0 4が形成されている。従って、バルク層 2 1 2の電気信号を検出するための第 1信号取出し電極 2 0 8、及び第 2信号取出し電極 2 1 6はセラミツク基板 2 0 2の表面 2 0 2 aに設けられている。ヒー夕パタン 2 0 4に電力を供給する第 1ヒータ電極 2 2 0、第 2ヒー夕電極 2 2 2は、セラミック基板の裏面 2 0 2 bに設けられている。

検出素子 2 0 0の製造工程においては、ヒー夕パタン 2 0 4や電極 2 0 8、 2 1 6、 2 2 0、 2 2 2を基板上に形成する工程と、それぞれの電極ヘリ一ド線を接続するワイヤボンディング工程等をセラミック基板 2 0 2の表と裏とでそれぞれ別々に行う必要がある。このため、作業性が悪く、量産性に欠ける点が問題となっている。

上記検出素子 2 0 0においては、セラミック基板 2 0 2の表面 2 0 2 a上に形成した第 1及び第 2信号取出し電極 2 0 8、 2 1 6にバルク層 2 1 2が接続されている。この接続は、バルク層 2 1 2の両端がバルク固定ペースト 2 3 0、 2 3 2で接着され、固定される構造になっている。

しかし、ヒー夕パタンに〇N〜 O F F動作を繰り返して通電する事によりセンサ温度の制御を行っている上記センサの場合には、上述のようにバルク層の両端が固定されているので、バルク層 2 1 2に熱ストレスが発生し、その結果バルク層 2 1 2に割れや欠けが発生する場合がある。この場合には、検出素子の導通不良や、素子抵抗値の上昇という不具合が発生し、一酸化炭素濃度の正確な検出の妨げになる。発明の開示 '

本発明は、製造時の作業性が良好で、ヒ一夕パタンによる加熱によりバルク層に生じる割れや欠けなどの不具合が低減できるガスセンサ用検出素子を提供することを目的とする。本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、絶縁体で覆われたヒータパタンの上面に、バルク層を形成する素子構造に想到した。この素子構造によれば、基板の同一面上に検出素子を形成することが出来るので、検出素子の製造は、基板の一面にのみ印刷やワイヤポンデイング等の加工を行えば足り、作業性が良好になる。更に、この構造によれば、熱ストレスの影響により生じるバルク層の割れや欠けが低減できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は以下に記載するものである。

〔 1〕基板の片面に形成された

( 1 ) ヒータパタンと前記ヒータパタンの両端に接続された第 1及び第

2ヒータ電極と、これらと離間して形成された第 1及び第 2信号取出し電極と、

( 2 ) ヒータパタン全面を被覆して形成されたガラスォ一バーコ一ト層と、

( 3 ) 前記第 1信号取出し電極と接続されてガラスオーバ一コート層上に形成された下部素子電極と、

( 4 ) 下部素子電極上に形成されたバルク層と、

( 5 ) 前記バルク層の上面に形成された上部素子電極と、

( 6 ) 上部素子電極と、第 2信号取出し電極とを接続するワイヤと、からなる検出素子。

〔2〕基板がアルミナセラミックである〔 1〕に記載の検出素子。〔3〕ヒータパタンが、白金ペーストの焼成体で形成された〔 1〕に記載の検出素子。

〔4〕素子電極、及び信号取出し電極が金ペーストの焼成体で形成された〔 1〕に記載の検出素子。

〔 5〕バルク層が酸化銅焼成体で形成された P型半導体からなる C 1〕に記載の検出素子。〔 6〕一酸化炭素ガスを検出する〔1〕に記載の検出素子。

本発明の検出素子は、ヒータパタンと、バルク層とを基板の同一面上に形成している構造のため、製造が容易で、量産性に優れる。また、本発明の検出素子は、バルク層の下面とカラスォ一バーコ一ト層とを接着することにより、バルク層を固定する構造を採用しているので、バルク層がヒ一夕パタンにより加熱される際の熱ストレスの影響を受けにくレその結果、バルク層の割れや欠けなどの不具合が低減できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の検出素子の一例を示す平面図（A ) 及び底面図

( B ) である。

図 2は、図 1に示す本発明の検出素子の a— a線に沿った断面図である。

図 3は、従来の検出素子の一例を示す平面図（A ) 及び底面図 ( B ) である。

図 4は、図 3に示す従来の検出素子の b - b線に沿った断面図である。

2はセラミック基板、 2 aは上面、 2 bは下面、 3はガラスオーバ一コート層、 4はヒータパタン、 5は電極、 6は第 1信号取出し電極部、 7は下部素子電極部、 8はリード部、 1 2はバルク層、 1 4は上部素子電極、 1 6は第 2信号取出し電極、 1 8はワイヤ、 2 0は第 1 ヒ一夕電極、 2 2は第 2ヒータ電極； 2 4、 2 6、 2 8、 3 0はリード線； 3 2、 3 4はワイヤボンディング部、 1 0 0は検出素子である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の検出素子につき、一酸化炭素ガスセンサに使用する検出素子を例として、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の検出素子の一例を示す平面図を図 1 ( A ) に、底面図を図 1 ( B ) に示す。更に、図 1中に示す a _ a線に沿った断面図を図 2に示す。

図 1、及び図 2中、 1 0 0は検出素子である。 2は、アルミナ等の耐熱性及び絶縁性を有するセラミック基板である。前記セラミック基板 2 の上面 2 aには、蛇行したヒー夕パタン 4が形成されている。ヒ一タパタン 4は、白金ペースト等を用いて形成されたパタンを焼成して形成された白金等の電気抵抗体薄膜からなる。

前記ヒータパタン 4の両端側は、それぞれ、セラミック基板 2の上面 2 aの縁部に形成された第 1 ヒータ電極 2 0、第 2ヒータ電極 2 2に接続されている。更に、前記第 1ヒータ電極 2 0 には外部電源（不図示）と接続されるリ一ド線 2 4が接続されている。第 2ヒータ電極 2 2には外部電源（不図示）と接続されるリード線 2 6 が接続されている。不図示の外部電源から前記リード線 2 4、 2 6を通って供給される電力により、ヒータパタン 4が所定温度に加熱される。

前記、ヒー夕パタン 4の上面は、ガラスオーバ一コート層 3で被覆されている。ガラスオーバーコート層 3は絶縁層の作用を果し、ヒータパタン 4を後述する電極等と電気的に絶縁する。

前記ガラスォ一バーコート層 4の上面には、下部素子電極部 7が形成されている。前記下部素子電極部 7と、セラミック基板 2の上面 2 aの緣部に形成された第 1信号取出し電極 6と、リード部 8とは、一体に形成されて電極 5を構成し、これらは互いに電気的に導通している。前記第 1信号取出し電極部 6は、リード線 2 8が接続され、このリード線 2 8を介して不図示の外部電流計と接続されている。

下部下部素子電極部 7の上面には、バルク層 1 2が形成されている。このバルク層 1 2は、 N a等のアルカリ金属を 1 5質量％以下含む酸化銅（C u O) を 7 0 0 °C以下の温度で焼結して得られる、酸化銅を主成分とする金属酸化物焼成体（P型半導体）である。金属酸化物焼成体の製造方法としては、例えば N a元素を 0. 1〜 1 5質量％含有する C u Oの粉末を用いてペーストを製造し、このペーストを任意の形状に印刷した後、例えば 5 0 0 °Cで焼成することにより、金属酸化物焼成体薄膜を得る方法が例示される。

この金属酸化物焼成体は検出素子として公知で、例えば、特開平 1 1 - 1 1 8 7 4 7の段落番号（ 0 0 1 7 )、その他、特開 2 0 0 0— 3 3 8 0 7 2、特許第 3 3 3 3 2 5 7号等に記載されている。

前記バルク層 1 2の上面には、上部素子電極 1 4が形成されている。前記上部素子電極 1 4と、セラミック基板 2の上面 2 aの縁部に形成された第 2信号取出し電極 1 6とは、ワイヤ 1 8により電気的に接続されている。なお、 3 2は上部素子電極 1 4にワイヤ固定べ一ストを用いて形成されるワイヤボンディング部で、 3 4は第 2信号取出し電極 1 6にワイヤ固定ペーストを用いて形成されるワイヤボンディング部である。

3 0は、第 2信号取出し電極 1 6に接続されたリ一ド線で、このリ一ド線 3 0を介して不図示の前記外部電流計が接続されている。

本発明の検出素子 1 0 0は、以下のようにして製造できる。まず、印刷工程において、セラミック基板 2の一面上に、（ 1 ) P tペーストを用いてヒータパターン 4を印刷する、（ 2 ) ガラスべ一ストを用いてガラスオーバーコート層 3を印刷する、（ 3 ) Auペーストを用いて第 1 信号取出し電極部 6、リード部 8、下部素子電極部 7からなる電極 5、第 2信号取出し電極 1 6、第 1ヒータ電極 2 0、第 2ヒータ電極 2 2をそれぞれ印刷して形成する。（ 1 ) 〜（ 3 ) の各印刷工程後は、印刷を行う毎に印刷したペーストを乾燥させ、焼成を行う。 P tペースト、ガラスペースト、 A uペーストはいずれも市販のものが使用でき、例えば P tペーストとしては田中貴金属（株）製 TR 7 9 0 5、ガラスペーストとしては旭硝子（株）製 AP 5 5 7 6 VE、 Auペーストとしては田中貴金属（株）製 TR 1 5 9 B、 TR 1 4 0 2等を挙げることができる。焼成温度、焼成時間は、常法による。これらのペーストを印刷する方法としては既知の方法が使用できるが、スクリーン印刷法が好ましい。

次いで、印刷して焼成することにより形成した下部素子電極部 7の上面に、上面に上部素子電極 1 4を形成したバルク層 1 2を載置し、全体を焼成する。 Auペーストを用いてバルク層 1 2の上面に電極パターンを形成し、焼成することにより上部素子電極 1 4が形成される。 Auぺ —ストをバルク層 1 2の上面に供給する方法としては、ディスペンサーによりバルク層 1 2に供給する方法、刷毛塗りによる方法、スクリーン印刷方法等を挙げることができる。量産性を考慮した場合には定量化が図りやすいディスペンサーによる供給が好ましい。

その後、上部素子電極 1 4と第 2信号取出し電極 1 6との間に、 Au ワイヤ固定用ペーストを用いてワイヤ 1 8をボンディングする。更に、第 1信号取出し電極部 6、第 2信号取出し電極 1 6、第 1及び第 2ヒー夕電極 2 0、 2 2のそれぞれにリード線 2 8、 3 0、 2 4、 2 6をボンデイングして検出素子 1 0 0を得る。

ワイヤ 1 8の材質としては Auが好ましい。その太さは、 0. 0 2〜 0. 1 mmが好ましく、とりわけ放熱を防止する観点から 0. 0 2〜 0. 0 3 mmとすることがより好ましい。

上記検出素子を組み込んだ一酸化炭素ガスセンサを用いて一酸化炭素ガスを検出する場合につき以下説明する。

リード線 24、 2 6に接続された不図示の外部電源から、第 1 ヒー夕電極 2 0と第 2ヒータ電極 2 2に所定の電力が供給される。これによりヒ一夕パタン 4が発熱してバルク層 1 2が動作温度（ 2 0 0〜 3 0 0 t ) に加熱される。

一方、リード線 2 8、 3 0に接続される不図示の外部電源の電力は、検出素子 1 0 0の下部素子電極部 7、上部素子電極 1 4に印加される。一酸化炭素ガスがバルク層 1 2に接触すると、バルク層 1 2の電気抵抗が変化し、第 1信号取出し電極部 6、第 2信号取出し電極 1 6間を流れる電流値が変化する。この電流値の変化を電流計（不図示）で測定することにより、一酸化炭素ガスの濃度が測定される。

実施例

実施例 1

図 1に示す検出素子を製造した。縦 5. 0 8 mm、横 5. 0 8 mm, 厚さ 3 8 mmのアルミナセラミック基板（京セラ社製商品名 A - 47 6 ) に、プラチナペースト（田中貴金属社製 T R 7 9 0 5 ) を用いて、蛇行したヒータパターンをスクリーン印刷した。これを 9 5 0 °C、 1 0分間焼成して、厚さ 8 m、幅 2 0 0 ΕΠ、長さ 4 2. 2 5 mm のヒータパターンを形成した。

次いで、形成したヒ一タパターン上に、ガラスペースト（旭硝子社製 AP 5 5 7 6 VE) をスクリーン印刷して、 8 5 0 で焼成することにより、厚さ 1 0 0 mのガラスオーバ一コート層を形成した。

その後、 Auペースト（田中貴金属社製 TR 1 5 9 B) を用いて第 1 信号取出し電極部、リード部、下部素子電極部からなる電極、第 2信号取出し電極、第 1ヒータ電極、第 2ヒー夕電極をそれぞれ印刷した後、 6 5 0 °Cで焼成した。

前記下部素子電極部上面に、縦 1. 3mm、横 1. 3 mm、厚さ 0. 7 mmのパルク層を形成した。バルク層は、 C u〇粉末中にタンダステン酸ナトリウムを 5質量％含有させた原料を圧縮成型して圧粉体を得、この圧粉体を 7 2 5 °Cで 1 0時間焼成して製造した。

バルク層の上面に上記 A uペーストを電極形状に印刷し、 6 5 0 で焼成することにより 1. 3mmx l . 3mm、厚さ 0. δ ^ πιの上部素子電極を形成した。最後に、ワイヤボンディングを行い、本発明の検出素子を得た。

第 1及び第 2ヒータ電極にそれぞれ接続された 2本のリ一ド線に電源を接続し、第 1及び第 2信号取出し電極にそれぞれ接続されたリード線に抵抗計を接続した。ヒー夕パタンに 4 . 5 Vの電圧を印加すると、検出素子温度は 2 6 0 になった。抵抗計の示す抵抗値は 1 2 0 Ωであつた。この検出素子を濃度 3 0 0 0 p p mの C Oガスを含む空気に暴露したところ、抵抗値は 1 2 0 0 Ωに変化し、 C Oに感応していることが確認された。

この検出素子を熱衝撃耐性試験に供した。ヒー夕パタンに 5 Vの電圧を印加して検出素子が 3 5 0 °Cになるように設定した。その状態で 3 0 秒間、次いでヒ一タパタンへ電圧を印加する事を 3 0秒間停止する操作を繰返した。なお、ヒー夕パタンに電圧の印加を停止すると、停止後 3 0秒経過したときの検出素子温度は 5 0 °Cであった。上記電圧印加と停止とを 1 0 0 0 0回繰返した。その後、目視でバルク層を観察したところ、ひび割れ等は発生していなかった。

比較例 1

図 3に示す従来型の検知素子を実施例 1 に示す方法に準じて製造した。バルク層は、その両端をバルク層固定ペーストで電極に固定した。ノ Όレク層は、厚さ 0 . 7 5 m m、縦 1 . 6 m m x横 2 . 8 m mであつた。

実施例 1 と同様にして熱衝撃耐性試験を行ったところ、バルク層に亀裂が発生していることが目視で確認された。

Claims

請求の範囲

1 . 基板の片面に形成された、

( 1 ) ヒータパタンと前記ヒータパタンの両端に接続された第 1及び第 2ヒー夕電極と、これらと離間して形成された第 1及び第 2信号取出し電極と、

( 3 ) 前記第 1信号取出し電極と接続されてガラスオーバ一コ一ト層上に形成された下部素子電極と、

( 4 ) 下部素子電極上に形成されたバルク層と、

( 5 ) 前記バルク層の上面に形成された上部素子電極と、

2 . 基板がアルミナセラミックである請求の範囲第 1項に記載の検出素子。

3 . ヒータパタンが、白金ペーストの焼成体で形成された請求の範囲第 1項に記載の検出素子。

4 . 素子電極、及び信号取出し電極が金ペーストの焼成体で形成された請求の範囲第 1項に記載の検出素子。

5 . バルク層が酸化銅焼成体で形成された P型半導体からなる請求の範囲第 1項に記載の検出素子。

6 . 一酸化炭素ガスを検出する請求の範囲第 1項に記載の検出素子。