JPH03115964A - ガスセンサ用検知素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気中のガスを検知するガスセンサに用いる
検知素子に関し、更に詳しくは半導体素子の電気抵抗の
変化によって還元性ガスの検知を行うガスセンサに用い
る検知素子に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕ＬＰガ
ス等のガス漏れ警報器に代表されるような、各種還元性
ガスの検知に用いられるガスセンサには、大別すると、
接触燃焼式と半導体式のものがあるが、いずれも被検ガ
スが検知素子に接触すると、素子の電気抵抗が変化する
ことを利用するものである。

接触燃焼式では、加熱した白金線上で、可燃性ガスが触
媒と作用して燃焼することによる温度上昇を、白金線の
電気抵抗の変化（増加）として検知する。また半導体式
では、ヒータで高温に保持された半導体（一般にＳｎＯ
，、ＺｎＯなどのｎ型の酸化物）に可燃性ガスが触れる
と、その電気抵抗が変化（減少）することを利用する。

しかし、いずれの検知方式においても、感度を高めるた
めに検知素子を２００〜４５０℃程度の温度に加熱保持
して使用するた狛、温度変化によって素子の電気抵抗が
変化する。従って、精度よくガス検知を行なうためには
温度補償素子を用いて温度補償を行なう必要があり、接
触燃焼式センサにおいては、温度補償素子と組合せて用
いるこ止がすでに一般化している。

すなわち、接触燃焼式ガスセンサでは、第６図と第７図
に示すように、白金等のコイルヒータ１４のまわりに＾
ｊ２２０３等のセラミック１５を固め、これに燃焼触媒
を担持させたものを検知素子１Ｇとし、一方、触媒を担
持させないセラミックを温度補償素子１７として、画素
子がブリッジの隣辺を構成するように回路を組む（２６
は濃度指示メータ、２８は警報装置）。このように、温
度補償素子を用いることによって検知素子自体の温度に
依存する抵抗変化を補償することができて、ガス検知精
度が向上する。

同様に、−級化してはいないが、この接触燃焼式素子の
セラミックの部分の半導体物質で置き換えたものを、熱
線型半導体検知素子として作成することができる。その
場合、第８図に示すように、基板２の表面で、電極を兼
ねるヒータ１８の上に半導体の薄膜１９を形成して検知
部４とし、一方、やはり電極を兼ねるヒータ１８′の上
に、ガスに不感でガスを透過させないセラミックの緻密
な膜１９’を形成して温度補償部６としたものが提案さ
れている。これによって、検知素子を絶縁性基板の上に
一体型素子として小型集積化できるので、生産コストを
低減させることができる。

しかし、この構造の素子の場合、加熱、冷却のサイクル
によって、膜１９．１９′　とヒータ１８．１８′の材
料が接触部で経時変化して、性能が劣下してしまうとい
う問題があった。

また、ヒータ１Ｂ、ＩＢ’はスクリーン印刷等によって
、比較的厚膜とした方が寿命が長（なる。それに対して
、電極と半導体膜Ｉ９．１９′は、フォトレジストを利
用したエツチングやスパッタリング法を用いて、薄膜と
して寸法精度良く形成するのが望ましい。すなわち、ヒ
ータにふされしい形成方法と、電極と半導体膜にふされ
しい形成方法とは、互いに組入れないという問題があっ
た。

従って、本発明の目的は、性能が良く、生産性の高い半
導体検知素子を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、本来の半
導体方式においては、接触燃焼方式のごとくヒータ上で
の被検ガスの燃焼によるヒータの抵抗変化によってガス
を検出する方式ではなく、半導体の抵抗変化によって検
出する方式であって、ヒータは半導体素子を加熱するた
めだけに用いられるのであるから、必ずしもヒータの上
に半導体膜を形成する必要はなく、ヒータと電極を別個
に形成し、電極の上だけに半導体膜を形成することが可
能であるこまに着目し、本発明を完成した。

すなわち本発明のガスセンサ用検知素子は、絶縁性基板
上にガス感応性を有する半導体の薄膜を形成してなる検
知素子であって、前記基板上の一部分に、一対の対向す
る電極、ヒータ及び前記対向電極を覆うガス感応性の半
導体の薄膜からなる検知部分を設け、前記基板上の別の
部分に、一対の対向する電極、ヒータ及び前記対向電極
を覆うガス非感応性の薄膜からなる温度補償部、もしく
はヒータのみからなる温度補償部を設けたことを特徴と
する。

以下、本発明を図面を参照して説明する。

第１図に本発明の一実施例になる検知素子を示す。２は
耐熱性と絶縁性を有するＡｊ！２０＊等の基板であり、
この基板２の上に検知部４と温度補償部６が別個に設け
られている。検知部４は、一対の　− 対向電極８と、この対向電極８に並列に接続されたヒー
タ１０、さらに対向電極８の上に形成された、ガス感応
性を有するＳｉＯ３、ＺｎＯ等からなる酸化物半導体の
薄膜１２からなる。一方、温度補償部６は、検知部４と
同様に配置された対向電極８′とヒタ１０′　と薄膜１
２′からなるが、薄膜１２′は、ガスに不感化した５ｉ
Ｏ７、ＺｎＯ等からなる酸化物半導体及びガスに感応し
ないＡＬＯ＋等のセラミックからなる。いずれにしても
薄膜１２′　に必要な特性としては、ガスに感応しない
ことと、温度の変化に対する電気抵抗の変化が、検知部
の薄膜１２と同じか近似していることである。

第１図において、検知部４と温度補償部６は基板２の同
じ面に隣接して形成されているが、一方を表の面に、他
方を裏面に形成してもよい。

温度補償部６による温度補償は以下のように行われる。

すなわち、検知部４と温度補償部６は第２図に示すよう
なブリッジ回路に接続されており、ブリッジ回路中には
適当な抵抗値を有する抵抗２０．２１．２２が接続され
ている。ブリッジのＡＢ間に直流電源２４により直流電
圧がかけられており、抵抗２２への接点２３を調節する
ことによりＣＤ間の電圧を０にする。このようにするこ
とにより、ヒータ１０．１０′の発熱変動と外界温度変
動によって薄膜１２及び１２’の温度が変動しても温度
の影響を除去することができる。

第３図に本発明の別の実施例を示す。この場合、検知部
４の構成は第１図のものと同じであるが、温度補償部６
はヒータ１０′のみからなる。第１図における検知部４
の、温度の変化に対する電気抵抗の変化量が、主として
ヒータ１０の抵抗の変化に依存していて、対向電極８と
薄膜１２の抵抗の変化による変化量が無視できる程度に
小さい場合、電極８′と薄膜１２′を取り去ることがで
きて、従って第３図のような簡易な構造にすることがで
きる。

この場合も第１図の実施例と同様に、検知部４と温度補
償部６の一方を表の面に、他方を裏面に形成してもよい
。

ヒータ１０．１０′　と電極８．８′は、白金ペースト
を用いてスクリーン印刷やエツチング等の方法で形成す
ることができて、半導体薄膜１２．１２′の形成には、
上記の方法に加えてスパッタリング法も用いることがで
きる。

本発明では電極８．８′と薄膜１２．１２′　とをヒー
タ１０Ｓ１０’から分離して形成するので、それら各要
素の設計の自由度が従来よりも増している。

すなわち、従来のようにヒータと半導体膜が重なって密
着している場合は、加熱、冷却のサイクルにより、両者
の材料が接触部で経時変化して性能が劣化してしまうと
いう問題があった。しかし、本発明の構造によれば、経
時変化しにくい材料をあえて使用する必要がない。また
、ヒータ１０．１０′と電極８．８′は、それぞれにふ
されしい別の材料を選択することもできる。さらに、ヒ
ータ１０．１０′は寿命を長くするために、比較的厚く
形成した方が望ましいが、電極８．８′は寸法精度良く
、しかも薄く形成する方が望ましく、そのような設計上
の選択も可能となる。

また、本発明の構造によれば、検知部４と温度補償部６
の温度に対する抵抗特性を従来よりも近似させて、良好
な温度補償を行うことができる。

すなわち、ヒータ用の白金焼結体がポーラスであるため
に、従来は、その上に半導体膜を形成しようとすると、
均一な厚さの膜を得ることが困難であった。そのため、
検知部４と温度補償部６　（第８図参照）の抵抗特性が
異なるものになりがちであった。しかし、本発明におい
て、電極８．８′を寸法精度良く、薄く形成すれば、そ
の上に形成する半導体膜１２．１２′は緻密で均一な厚
さのものを形成しやすいので、抵抗特性を近似させるこ
とができる。

〔実施例〕

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１ 約５０μ厚のアルミナ基板を、５　ｍｍ角に切断し、こ
の上に第１図に示す形のヒータと対向電極２対を、各々
１対のヒータと対向電極が並列に結合されるように、Ｐ
ｔペーストを用いてスクリーン印刷した。次いで、スク
リーン印刷された基板を１２０ ００℃の温度で焼成し、検知部の対向電極部分に、Ｓｎ
０ｗ薄膜をＲＦスパッタリング装置で約１μの厚さに形
成した。一方、温度補償部の対向電極部分にも同様に５
ｎ０２薄膜を形成し、さらにその表面に約２μのＡｌｘ
０３膜を形成して素子を製造した。

次に、エージング処理をした素子を用いて第２図に示す
ように、ブリッジ回路を構成した。約２０℃の清浄な空
気に素子を接触している状態で、ブリッジの平衡をとり
、次いで１１０００ｐｐのイソブタンガス混合気に接触
させると、素子中のガス感応部の電気抵抗変化によりブ
リッジの平衡が崩れ、Ａ−８間に電流が流れる。これを
、電圧に変換し、ガスに対する応答を見た結果を第４図
に示す。次に素子を約１００℃に加熱された空気に接触
させた場合の応答を第５図に示す。この結果から本素子
は還元性ガスには良好に応答するが、温度変化に対して
は、はとんど応答しないことが確認された。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のガスセンサ用検知素子に
おいては、基板上で電極と薄膜とをヒータから分離して
形成したので、それら各要素の設計の自由度が従来より
も増す。また半導体膜を緻密で均一な厚さに形成しやす
いので、検知部と温度補償部の温度に対する抵抗特性を
従来よりも近似させて、良好な温度補償を行うことがで
きる。

従って、ガス検知特性が良く、生産性の高い検知素子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による検知素子を示す平面図
であり、 第２図は本発明の検知素子を組込む電気回路を示す概略
図であり、 第３図は本発明の別の実施例による検知素子を示す平面
図であり、 第４図と第５図は本発明の検知素子を用いてガスを検出
した結果を示すグラフであり、第６図は従来の接触燃焼
式検知素子の一例を示す一部切欠斜視図であり、 第７図は従来の検知素子を用いる電気回路を示す概略図
であり、 第８図は従来の熱線型半導体検知素子を示す平面図であ
る。 ２・・・基板 ４・・・検知部 ６・・・温度補償部 ８．８′　・・・対向電極 １０．１０′　　・・　・ヒータ Ｉ２．１２’　　・・・薄膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板上にガス感応性を有する半導体の薄膜
   を形成してなるガスセンサ用検知素子において、前記基
   板上の一部分に、一対の対向する電極、ヒータ及び前記
   対向電極を覆うガス感応性の半導体薄膜からなる検知部
   を設け、前記基板上の別の部分に、一対の対向する電極
   、ヒータ及び前記対向電極を覆うガス非感応性の薄膜か
   らなる温度補償部を設けたことを特徴とする検知素子。
2. （２）請求項１に記載の検知素子において、前記検知部
   と前記温度補償部における前記電極と前記ヒータは、電
   気的に並列に結合されていることを特徴とする検知素子
   。
3. （３）絶縁性基板上にガス感応性を有する半導体の薄膜
   を形成してなるガスセンサ用検知素子において、前記基
   板上の一部分に、一対の対向する電極、ヒータ及び前記
   対向電極を覆うガス感応性の半導体薄膜からなる検知部
   を設け、前記基板上の別の部分に、ヒータからなる温度
   補償部を設けたことを特徴とする検知素子。
4. （４）請求項３に記載の検知素子において、前記検知部
   における前記電極と前記ヒータは、電気的に並列に結合
   されていることを特徴とする検知素子。