JPH04160790A - ヒータ基板 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はセラミックス基板上にヒータを形成したヒータ
基板に係り、特に１つのセラミックス基板上に複数のセ
ンサを装着することが可能なヒータ基板に関する。

（従来の技術） セラミックス基板上に線状の抵抗体を印刷してヒータを
形成したヒータ基板は、面発熱体やガスセンサとして広
く利用されている。

例えばガスセンサの一種として、半導体と、この半導体
に吸着したガス分子との間の電荷の移動を電気伝導率の
変化として検出する半導体型ガスセンサが実用化されて
おり、有毒ガスのガス漏れ警報器や炭化水素などから成
る都市ガスのガス漏れ警報器として使用されている。

このような半導体型ガスセンサとして、セラミックス基
板を用いた抵抗型のものが開発されている。このガスセ
ンサは、例えばセラミックス基板の一方の面（表面）に
電極と、ガスを接触させるためのガス検知層および触媒
層とを形成する一方、他方の面（裏面）にヒータを形成
して構成される。

ガス検知層は、例えば感ガス特性を有する半導体膜（厚
膜）と半導体膜に重ねて形成された触媒層とで構成され
る。このガスセンサは、ガスが検知層および触媒層に接
触した時のガス分子と触媒層との間の電荷の移動により
、電極の電気伝導度すなわち抵抗値が変化し、電極を流
れる電流値が変化してガスの存在を検出する。

このように構成されたガスセンサでは、ヒータに通電す
ることにより触媒層を所定温度に加熱し、触媒層表面に
おけるガスの酸化還元反応を円滑に実施せしめて半導体
膜の感度と応答性とを高めるとともに、触媒層の汚れを
除去している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、ガスセンサの感度および応答性は半導体や触
媒の種類および温度によって異なっており、ある特定の
検出対象ガスに対して検出感度を最適値に保持するため
には感ガス特性が優れた半導体を選定するとともに、セ
ンサ温度を一定に保持する必要がある。

そのため上述したガスセンサは基板表面の温度分布を均
一にするために、セラミックス基板に形成するヒータの
パターンを面状にしたり、線状のヒータを基板全面に引
き回したりしたヒータ基板を使用している。これにより
センサのガス検知層を構成する、感ガス特性を有するＳ
　ｎ　０２などの半導体膜の感度分布を一定に保持して
いるこのように従来は、１枚のヒータ基板上に１種類の
ガス検知層を設け、特定の１種類のガスのみを検知する
ガスセンサが一般的である。そして特性が異なる２種類
以上のガスを検出する複合センサを形成するためには、
触媒種類またはセンサ温度が異なる複数のヒータ基板を
作成し、これらを組み合せて形成していた。

しかしながら複数のヒータ基板を組み合せて形成した複
合センサは、容量が大型化し、また各基板毎にヒータ抵
抗を調節したり、印加電圧を調節する必要があるため、
配線や電源構成が複雑化し、小形に構成することが困難
であるという問題点があった。

近年、センサを使用する機器の小型化が急速に進展し、
これに対応するためにも、小型軽量で複数のガスを高い
精度で検出することができるセンサ用のヒータ基板が望
まれている。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、小型軽量化を図ることができ、複数のガス検知部
を装着することができるヒータ基板を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 上記目的を達成するため、本発明に係るヒータ基板は、
セラミックス基板と、セラミックス基板の表面全体に配
設されたヒータと、このヒータに重ねて形成された絶縁
層とを有するヒータ基板において、上記ヒータの配設密
度を部分的に変化させたことを特徴とする。

本発明に係るヒータ基板に使用されるセラミックス基板
は、比較的熱伝導率の小さいものが好ましく、例えば熱
伝導率が１０〜２０Ｗ／ｍ−に程度のアルミナ、熱伝導
率が１５〜２０Ｗ／ｍ−に程度の窒化ケイ素などが挙げ
られる。

またヒータに用いる導体（抵抗体）としては、高融点金
属（タングステン系、モリブデン系）を主成分とするも
のが適用され、中でもタングステン−白金系合金が耐酸
化性に優れる点で好ましい。

さらに絶縁層としては、アルミナ、窒化ケイ素やガラス
系ペーストなどを主成分とする絶縁ペーストがヒータに
重ねるように形成される。特にセラミックス基板と同一
の材料を使用することによって、絶縁層およびセラミッ
クス基板の熱膨張率を等しくすることができ、両者の熱
膨張差による剥離を防止することができ、耐久性が優れ
たヒータ基板を形成することができる。

本発明に係るヒータ基板の製造方法は、まずアルミナや
窒化ケイ素などのセラミックス原料粉末に焼結助剤を添
加し、有機バインダおよび溶剤等を添加して均一な混合
体を調製し、得られた混合体をドクターブレード法等に
より板状に射出してグリーンシートを成形する。

次に得られたグリーンシート上に、タングステンまたは
モリブデン粉末を主成分とする導体（抵抗体）ペースト
を用い、スクリーン印刷法などによって配線パターンを
印刷し、ヒータを形成する。

スクリーン印刷で使用するスクリーン板には予めヒータ
の配設密度が疎になる部分と密になる部分とが形成され
る。

さらにヒータの上面に重なるように、アルミナなどのセ
ラミックス基板と同一材料を主成分とする絶縁ペースト
をスクリーン印刷により基板全面に印刷して絶縁層を形
成する。

なお絶縁層には、ヒータの端部を絶縁層の外部に導出す
るためのスルーホールを設け、各スルーホール内を導体
ペーストで充填してリードパッドを形成する。

そして得られたヒータ基板積層体をＮ２などの不活性雰
囲気中で脱脂、焼成して一体化し、所定形状のヒータ基
板を得る。このようにセラミックス基板、ヒータ、およ
び絶縁層を同時焼成によって一体に形成することにより
、各構成材間の密着性が向上し、特にヒータ抵抗の経時
変化が効果的に防止される。

本発明に係るヒータ基板によれば、１枚のセラミックス
基板上に形成するヒータの配設密度が異なっているため
、ヒータからの伝熱量がセラミックス基板の各領域毎に
異なり、表面温度が異なった領域が１枚の基板内に形成
される。そして各領域毎に検知特性が異ったガス検知層
を配置することにより、異なった種類のガスを１枚の基
板に配置した複数のガス検知層によって検出することが
可能となり、構造が簡素で小型・軽量な複合センサを容
易に形成することができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図（ａ）、　　（ｂ）は、それぞれ本実施例
に係るヒータ基板Ａの平面図および断面図である。

セラミック基板としてのアルミナ基板１上の全面に分布
するように線状のヒータ２が蛇行して形成されている。

但しヒータ２の配設密度は、図においてアルミナ基板１
の左半分において密である一方、右半分において疎とな
るように設定されている。

ヒータ２上には、これに重ねて絶縁層３が形成され、こ
の絶縁層３の対角方向の角部には、ヒータ用電極パッド
４がそれぞれ形成されており、このヒータ用電極パッド
４は絶縁層３の対角方向の角部にそれぞれ形成されたス
ルーホール５を介してヒータ２の端部に接続されている
。

上記のヒータ基板は例えば次のような工程を経て量産さ
れる。まず平均粒径１〜２μｍのアルミナを主成分とす
る粉末にバインダーとして１０重量部のポリビニルブチ
ラール（Ｐ　Ｖ　Ｂ）を加え、さらに可塑剤、溶剤を加
えてスラリー化し、ドクターブレード法により第４図に
示すように縦６０鮒、横９０ｍ、厚さ０．　４＋ａｍの
アルミナグリーンシートを調製した。

次に第１図（ａ）に示すように、白金ペーストにて蛇行
幅Ｗが３ｍｍ、基板の左半分における蛇行間隔Ｌｌが０
．２ｍａ、基板の右半分における蛇行間隔Ｌ２が０．　
５ｍｍで蛇行するような同一の導体（ヒータパターン）
をスクリーン版によって印刷し、第４図に示すように１
００個の基板素体を形成した。

次にアルミナを主成分とするグリーンシートに用いたと
同様の組成を有する粉末にバインダーおよび溶剤を加え
て調製した絶縁用ペーストを使用し、同様にスクリーン
印刷法によってヒータ全面を覆うように基板上に絶縁層
を印刷した。このとき第４図に示すように絶縁層の所定
部分にスルーホール５が形成されるように印刷を行なっ
た。

次に上記スルーホール内を白金ペーストで充填する一方
、各ヒータ基板Ａ成形体を区画するようにカッタナイフ
等でスリットライン６を形成する。

次に第４図のように多数のヒータ基板積層体を形成した
グリーンシートをＨ２ガス還元雰囲気中において温度１
５４０℃にて同時焼成する。そしてスリットライン６に
沿って分割して第１図（ａ）、　（ｂ）に示すような、
配設密度が相互に異なるヒータを有するヒータ基板Ａが
多数製造される。

このようにして得られたヒータ基板Ａのヒータ用電源パ
ッド４，４に通電して絶縁層３の左右両側の表面温度を
測定したところ、図において左側でヒータを密に配設し
た領域では５００℃となり、右側でヒータを疎に配設し
た領域ではヒータの発熱量が小となるため４６０℃とな
り、温度差は４０℃であった。

なお上記製造方法のように、グリーンシート上にヒータ
パターンおよび絶縁層をスクリーン印刷したヒータ基板
の生成形体を同時焼成して製造したヒータ基板は、セラ
ミックス基板とヒータと絶縁層との相互の接合力が極め
て強く、またヒータが絶縁層によって被覆されているた
め、ヒータ抵抗の経時変化が少なく、特にガスセンサ用
ヒータ基板として使用した場合には長期に亘って高い信
頼性を確保することができた。

第２図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明に係るヒータ
基板Ａを用いたガスセンサを示す平面図および断面図で
ある。このガスセンサに使用したヒータ基板Ａは、第１
図（ａ）、　　（ｂ）に示すものと同一であり、同一部
分には同一符号を付している。

すなわちアルミナ基板１上にヒータ２が蛇行して形成さ
れ、さらにヒータ２を覆うように、絶縁層３が形成され
ている。ヒータ２の配設密度は、図において左側半分に
おいて密である一方、右側半分において疎に設定される
。絶縁層３の対角方向の角部にはヒータ２の各端部に接
続するヒータ用電源パッド４．４が形成されている。

またヒータ２の疎密部分に対応する絶縁層３の表面には
、それぞれガス検知層７ａ、７ｂが形成される。各ガス
検知層７ａ、７ｂは、Ｓ　ｎ　Ｏ２系の半導体膜の表面
にＰｔ−Ｒｈ系触媒層を積層して構成される。上記ガス
検知層７ａ、７ｂは、ヒータ２の疎密部分にそれぞれ対
応する絶縁層３ａの両縁部に形成された一対の高温部対
向電極８゜８および一対の低温部対向電極９．９に接続
される。

上記のガスセンサはヒータ基板の製法に準じて下記の工
程により量産することができる。

すなわち第４図に示すようなシート状のヒータ基板へを
焼成した後に、センサ検知用の対向電極を金（Ａｕ）系
ペーストにてスクリーン印刷した後焼成し、さらに半導
体（Ｓ　ｎ　Ｏ２系）ペースト、触媒（Ｐｔ−Ｒｈ系）
ペーストをスクリーン印刷法により順次ヒータ基板Ａの
絶縁層３の表面に印刷後、焼成してガス感知部を形成し
て製造する。

雰囲気中の特定のガスが、ガスセンサのガス検知層７ａ
、７ｂに接触すると、触媒の選択性および温度によって
、ガスの酸化還元反応が起こり、電子の授受によってガ
ス検知層７ａ、７ｂの抵抗値が変化し、ガス濃度に応じ
て信号電流が変化するので、検出回路がガスの存在を検
出するしくみとなっている。

このようにして得られたガスセンサでは、ヒータ２が密
に配設された絶縁層３の高温部対向電極８．８側の表面
温度を５００℃に設定した場合、ヒータ２が疎に配設さ
れた絶縁層３の低温部対向電極９．９の表面温度は４６
０℃となり、高温部に位置するガス検知層７ａではエタ
ノールを特異的に検出する一方、低温部に位置するガス
検知層７ｂでは水素を高感度で検出することができた。

第３図は上記のようにヒータ基板Ａの上面にガス検知層
７ａ、７ｂを形成したガスセンサを直径１国程度の微小
なステム１０に実装して形成した複合ガスセンサの検知
部の斜視図である。ステム１０の軸方向には６本のコネ
クタピン１１が貫通しており、高温部対向電極８、低温
部対向電極９およびヒータ用電極パッド４は、それぞれ
銀ろう付けされたリード線１２によってコネクタピン１
１に接続されている。

このように本実施例に係るヒータ基板へを使用したガス
センサによれば、１枚のセラミックス基板１上に形成す
るヒータ２の配設密度が異なっているため、単位面積当
りの絶縁層３に対するヒータ２からの伝熱量が領域毎に
異なり、表面温度が異なる領域が１枚の基板内に形成さ
れる。そして各領域の温度において反応性が特異的に高
くなるガス検知層を配置することにより、異なった２種
類のガスを１枚の基板に配置した２個のガス検知層７ａ
、７ｂによって検出することが可能となり、構造が簡素
で小型であり、かつ軽量な複合センサを容易に形成する
ことができる。

以上の実施例では、ヒータの配設密度を変えることによ
って形成した、表面温度が異なる２つの絶縁層表面にそ
れぞれ同一種類の半導体膜および触媒層を形成した例で
示しているが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。例えば、ガス検知層７ａ、７ｂにそれぞれ
塗布する触媒種をＷ−Ｃｕ系とＰｔ−Ｒｈ系とに塗り分
けたり、ヒータの配設密度をさらに３段階以上に変化さ
せることによって、ヒータ温度分布をさらに多様に変化
させたりして、検出対象ガスの反応性が最も高くなる条
件に合せることにより、他の種類のガスも同時に検出す
ることが可能になる。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明に係るヒータ基板によれば、１枚のセ
ラミックス基板上に配設されるヒータの配設密度が異な
っているため、ヒータからの伝熱量がセラミックス基板
の各領域毎に異なり、表面温度が異なった領域が１枚の
基板内に形成される。

そして各領域毎に検知特性が異ったガス検知層を配置す
ることにより、異なった種類のガスを１枚の基板に配置
した複数のガス検知層によって検出することが可能とな
り、構造が簡素で小型・軽量な複合センサを容易に形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ本発明に係るヒー
タ基板の一実施例を示す平面図および断面図、第２図（
ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ本発明に係るヒータ基板を
用いたガスセンサの平面図および断面図、第３図は本発
明に係るヒータ基板を使用した複合ガスセンサの実装例
を示す斜視図、第４図はヒータ等を印刷して多数のヒー
タ基板を同時に製造する場合のグリーンシートの平面図
である。 １・・・アルミナ基板（セラミックス基板）、２・・・
ヒータ、３・・・絶縁層、４・・・ヒータ用電源パッド
、５・・・スルーホール、６・・・スリットライン、７
ａ。 ７ｂ・・・ガス検知層、８・・・高温部対向電極、９・
・・低温部対向電極、１０・・・ステム、１１・・・コ
ネクタピン、１２・・・リード線。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１Ｉ！！ 第２ｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　セラミックス基板と、セラミックス基板の表面全体に
   配設されたヒータと、このヒータに重ねて形成された絶
   縁層とを有するヒータ基板において、上記ヒータの配設
   密度を部分的に変化させたことを特徴とするヒータ基板
   。