(57)【要約】【課題】  感度および応答速度を低下させることなく消費電力の低減可能なガスセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  絶縁性の基材上に設けられたプラス側電極とマイナス側電極とを電気的に接続するように配置されたガス感応部とを備えた、検知対象ガスを電気抵抗の変化によって検知するガスセンサであって、前記電極は、平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と、平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子とを含む導電性ペーストにより形成されていることを特徴とする。【選択図】  図２
2010112857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基材と、
前記基材上に配置されたプラス側電極およびマイナス側電極と、
前記プラス側電極および前記マイナス側電極とを電気的に接続するように配置されたガス感応部とを備えた、検知対象ガスを電気抵抗の変化によって検知するガスセンサであって、
前記電極は、平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と、平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子とを含む導電性ペーストにより形成されていることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項２】
前記プラス側電極および前記マイナス側電極が、櫛歯状に形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
金属酸化物の半導体をガス感応部として、検知対象ガスを電気抵抗の変化によって検知するガスセンサの製造方法であって、
絶縁性の基材の上に、平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子とを含む導電性ペーストを塗布することによりプラス側電極とマイナス側電極を形成する工程と、
前記プラス側電極とマイナス側電極の間に金属粒子を含むペーストを塗布する工程と、
熱処理により前記金属粒子を酸化し前記金属酸化物の半導体にすることで前記ガス感応部を形成する工程とを備えることを特徴とする、ガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスセンサおよびその製造方法に関し、より具体的には、消費電力を低減したガスセンサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の高騰、大気汚染、地球温暖化など、近年、環境問題に対する関心がますます高まってきている。
自動車分野においては、より燃料効率の高い自動車が求められており、その実現のためには希薄燃焼エンジンや燃料効率の高いディーゼルエンジンの開発が進められている。そこで、希薄燃焼エンジンの燃料効率を高めるために、ＮＯｘセンサを用いた新しいＮＯｘ吸蔵還元触媒システムの提案がなされている（非特許文献１）。またディーゼルエンジンではその排気ガスを浄化するためのシステムにおいて、ＮＯｘセンサを用いてさらに排気ガスの浄化効率を高めたシステムが提案されている（特許文献１）。
また、大気中の汚染ガスのモニタリングや工場等におけるガス爆発を事前に察知する用途など、上記エンジンにおける燃焼システム以外にも、多くの用途にガスセンサは用いられており、様々なガスを検知するためのガスセンサが提案されている。
このガスセンサとして、電気抵抗式のガスセンサが提案されている。このガスセンサは、プラスとマイナスの電極に挟まれたガス感応部を構成する金属酸化物の表面にある吸着酸素が検知対象ガスと反応することにより減少し、ポテンシャル障壁の高さと幅が減少するため、電子の移動が容易になり比抵抗が減少する性質を利用するものである。
そして、これらに用いられるガスセンサの電極は、一般に金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）の粒子を含むペーストをスクリーン印刷等によって塗布し、その後、熱処理（焼成）することにより形成されている（特許文献２、３、４）。
【非特許文献１】Ｓ．Ｎａｋａｇａｗａ，ｅｔ．ａｌ．，「Ａ  Ｎｅｗ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｌｅａｎ  ＮＯｘ  Ｔｒａｐ  Ｃａｔａｌｙｓｔ」、  ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｐａｐｅｒ  ｓｅｒｉｅｓ、２００４−０１−０５２７
【特許文献１】特開２００７−１００５０８号公報
【特許文献２】特開平０６−２５８２７０号公報
【特許文献３】特開２００３−１６１７１４号公報
【特許文献４】特開２００５−１６４５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在、ハイブリッド自動車が普及しつつあり、さらに燃料電池自動車についても実用化に向けて開発が進められている中、車体内外での消費電力のさらなる低減化の要請がある。また、上述した汚染ガスや爆発性ガスの検知は常時モニタリングする必要性があり、同様に消費電力の低減化が求められている。
ここで、上述の通り、ガスセンサの電極は金（Ａｕ）等の導電性粒子を含むペーストを塗布することで形成されているため、金属単体で形成された電極より電気的な抵抗が大きく、消費電力の一部が電極で熱として消費されているという問題があった。
【０００４】
本発明は、感度および応答速度を低下させることなく消費電力の低減可能なガスセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、第１発明に係るガスセンサは、絶縁性の基材上に設けられたプラス側電極とマイナス側電極とを電気的に接続するように配置されたガス感応部とを備えた、検知対象ガスを電気抵抗の変化によって検知するガスセンサであって、前記電極は平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と、平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子とを含む導電性ペーストにより形成されている。
【０００６】
従来のガスセンサの多くはヒータを備えていたため圧倒的にヒータでの消費電力が大きく、電極部分での消費電力は相対的に小さかった。しかし、近年、常温駆動型のセンサが開発されつつあり、ヒータが不要となったため、電極部分の消費電力も無視できなくなりつつある。
この発明によれば、電極を構成する第一の導電性粒子と導電性粒子の隙間に、さらに小さい第二の導電性粒子を配置することができるため、電極自体の電気抵抗を低くすることができる。すなわち、従来の塗布で用いた導電性ペーストは一般に電極を構成する導電性粒子の粒径が大きく、導電性微粒子間の隙間が大きくなり、結果として導電率が低く電気抵抗が高くなるため消費電力も多くなってしまっていたが、本発明では電極を構成する導電性粒子間の隙間を小さくすることができるため抵抗を低くでき、消費電力を低減することできる。さらに、電極とガス感応部間での接触面積を増やすこともできるので、ガス感度を向上させる点でも有効である。
【０００７】
また、第一の導電性粒子の平均粒径が１μｍ未満であれば、ペーストとしての粘度が高くなりすぎ、塗布により安定して電極を形成することができず、１０μｍより大きければ導電性粒子間の隙間が大きく電気抵抗も高くなり、消費電力低減の効果が薄れてしまう。
さらに、第二の導電性粒子の平均粒径が５ｎｍ未満であれば、第一の導電性微粒子間の隙間を埋め電気抵抗を小さくするのがペーストの粘度との関係で困難となり、５０ｎｍより大きければ第一の導電性粒子間の隙間に比べ大きくなるため、電気抵抗を低くし、消費電力を低減する効果が薄れてしまう。従って、電極を形成する導電性ペーストが第一の導電性粒子の平均粒径が１〜１０μｍ、第二の導電性粒子の平均粒径が５〜５０ｎｍの範囲内で形成されていることが好ましく、ガスセンサの感度と応答速度を低下させることなく、消費電力を低減させる上で好適である。
【０００８】
また、第一の導電性粒子と第二の導電性粒子の配合比率として、第二の導電性粒子が５重量％以上であれば、抵抗をさらに小さくすることができるのでより好ましい。
【０００９】
ここで、平均粒径とは、例えばレーザー回折式粒度分布測定法にて測定し、平均粒子径は体積基準５０％メジアン径をいう。
【００１０】
また、第２発明に係るガスセンサは、第１発明において、前記プラス側電極および前記マイナス側電極が、櫛歯状に形成されている。
【００１１】
この発明によれば、電極とガス感応部間の接触面積を大きくすることができるため、抵抗を低くすることができ、消費電力を低減する上で好適な構造である。
【００１２】
また、第３発明に係るガスセンサの製造方法は、金属酸化物の半導体をガス感応部として、検知対象ガスを電気抵抗の変化によって検知するガスセンサの製造方法である。この製造方法は、絶縁性の基材の上に、平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子とを含む導電性ペーストを塗布することによりプラス側電極とマイナス側電極を形成する工程と、前記プラス側電極とマイナス側電極の間に金属酸化物を塗布し、その後熱処理することで前記ガス感応部を形成する工程とを備えている。
【００１３】
この発明によれば、電極の形成において、平均粒径の異なる導電性ペーストをスクリーン印刷等の塗布による方法により、容易に電極を形成することができる。従って、感度と応答速度を低下させることなく消費電力を低減したガスセンサを安価に提供する製造方法として適している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、感度および応答速度を低下させることなく消費電力の低減可能なガスセンサおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるガスセンサの平面図である。ガスセンサ１０は、絶縁性基材１１上に、プラス側電極１２とマイナス側電極１３が設けられており、ガス感応部１４は、プラス側電極１２とマイナス側電極１３とに電気的に接続するように設けられている。
【００１６】
図２は、図１におけるＩ−Ｉ線に沿う模式断面図である。同図によれば、プラス側電極１２とマイナス側電極１３は平均粒径が異なる２種の導電性粒子１５、１６を含む導電性ペーストを塗布することにより形成されている。具体的には、第一の導電性粒子１５の平均粒径は１〜１０μｍであり、第二の導電性粒子１６は、第一の導電性粒子の隙間に充填されるように平均粒径は５〜５０ｎｍである。また、これらの導電性粒子１５、１６は金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）により形成されており、電極１２、１３の厚みは３０μｍ以下、たとえば１０μｍ程度とするのがよい。
なお、ここでは、平均粒径の異なる２種の導電性粒子について説明したが、図示はしないがさらに平均粒径が異なる導電性粒子を加えてもよく、これによりさらに導電性粒子間の隙間を埋めることができるので、より低抵抗化することができ、消費電力を低減することができる。また、導電性ペーストにはこれらの導電性粒子を分散させ、塗布しやすくするための溶媒やバインダ樹脂が含まれている場合がある。たとえば、溶媒としては、酢酸ブチルカルビトール、バインダ樹脂としては、ポリエステルが用いられる。
【００１７】
絶縁性基材１１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成されている。他にも、シリコン（Ｓｉ）基板の表面を酸化し酸化シリコン（ＳｉＯ２）にしたもので形成されていてもよく、電気的に絶縁性を有するものであればいずれでもよい。
【００１８】
上記のガス感応部１４の厚みは３０μｍ以下、たとえば１０μｍ程度とするのがよい。また、上記のガス感応部１４は、増感剤を含んだものであってもよい。ガス感応部１４は一般に触媒と呼ばれ、金属酸化物の半導体で形成されており、それだけでガス選択性をもつが、より一層、ガス選択性を向上させるために、増感剤を添加することが多い。増感剤の添加料は、通常は数原子％以下であるが、触媒に対して５重量％程度、添加する場合もある。
【００１９】
ここで、表１に検知対象ガスと、その検知対象ガスに高い選択性を持つ触媒、およびその触媒に対応した増感剤の例を示す。なお、上記は例示したものであり、この他にも、触媒、感応剤があってよい。
【００２０】
【表１】
2010112857.tif 000003
【００２１】
従って、この発明によれば、電極を主として構成する第一の導電性粒子同士の隙間に、これよりも平均粒径が小さい第二の導電性微粒子を配置することができるため、電極自体の電気抵抗を低くすることができる。すなわち、従来の導電性ペーストを塗布して形成された電極に比べて、導電性子間の隙間空間が少なくなり、導電性が向上することにより抵抗を低くすることができるため、消費電力の低減が可能となる。
【００２２】
また、図示はしないが、上記のガス感応部１４の稼動温度を調節するために、さらにヒータを備えていてもよい。これにより、ガス感応部１４および検知対象ガスの種類に応じて適切な温度で検知することができる。
【００２３】
また、第一の導電性粒子と第二の導電性粒子の配合比率として、第二の導電性粒子が５重量％以上であれば、抵抗をさらに小さくすることができるのでより好ましい。
【００２４】
次に、上記ガスセンサ１０の製造方法について説明する。図３は、ガスセンサの製造方法の各工程を示す流れ図である。以下、図１〜図３を参照して、本発明のガスセンサ１０の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、図３に示す工程（Ｓ１０）において、絶縁性基材１１上に、プラス側電極１２およびマイナス側電極１３を形成する。形成方法は、粒径の異なる複数の導電性粒子を含む導電性ペーストをスクリーン印刷により形成する。また、その後、１５０度で０．５時間熱処理を行うことにより、強制的に導電性ペースト中の溶媒である酢酸ブチルカルビトールを蒸発させるとともに、必要に応じて導電性ペーストの硬化や焼結を行うことで、安定して電極１２，１３を形成することができる。また、スクリーン印刷以外でも導電性ペーストを塗布できればいずれの方法を用いてもよい。
【００２６】
導電性ペーストには、例えば、平均粒径が１〜１０μｍの第一の導電性粒子と平均粒径が５〜５０ｎｍの第二の導電性粒子が溶媒である酢酸ブチルカルビトールとともに含まれている。導電粒子は例えば金（Ａｕ）の粒子を用いることができる。
【００２７】
次に工程（Ｓ２０）において、ガス感応部１４の触媒となる金属粒子を含むペーストを同様にスクリーン印刷により塗布し、プラス側電極１２とマイナス側電極１３とを電気的に接続するように厚膜部を形成する。金属粒子は、例えばタングステン（Ｗ）を用いることができる。
【００２８】
次に工程（Ｓ３０）において、上記のように形成された金属粒子の厚膜部を酸化させて金属酸化物のガス感応部１４を形成する。酸化させる方法として、６００〜７００度の温度で熱処理する方法を用いることができる。他にも酸化させる方法として硫酸等の薬品を用いて酸化させることもできる。この金属酸化物のガス感応部１４としてＷＯ３またはＷＯ２を得ることができる。
【００２９】
ここでは、ガス感応部１４を形成する方法としてスクリーン印刷により金属粒子の厚膜部を形成する方法について説明したが、別の方法としてめっき法によりガスガス感応部１４を形成することもできる。
【００３０】
上記の製造方法によれば、粒子径の異なる導電性粒子を用いて低抵抗な電極を容易に形成することができる。この結果、検知対象ガスに対して感度と応答速度を低下させることなく、消費電力を低減できるガスセンサを低コストで提供することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるガスセンサの平面図であり、図５は、図４におけるＢ部の拡大平面図である。また、図６は図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う模式断面図である。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。
【００３２】
同図に示すように、プラス側電極１２とマイナス側電極１３が対向する部分で櫛歯１２ａ、１３ａを形成し、櫛歯の離間部を埋めるように、ガス感応部１４が配置されている。両電極の対向部を櫛歯１１ａ、１２ａにすることによって、同じ電極のまま、対向する電極の長さを延長することに相当する。
【００３３】
上記のガスセンサ１０は、実施の形態１のものと基本的に同じ製造方法で製造することができるが、図３に示す工程（Ｓ１０）において、プラス側電極１２とマイナス側電極１３を形成する際に、上記のように櫛歯形状になるようにマスク等を用いて形成する点で異なっている。なお、形成方法は、スクリーン印刷以外にも導電性ペーストを塗布できればいずれの方法を用いてもよい。両電極１２、１３の厚みは、３０μｍ以下、たとえば１０μｍ程度とするのがよい。
【００３４】
これによれば、Ｓ／Ｎ比を高めることができるため、感度をさらに向上したガスセンサを提供することができる。
【００３５】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のガスセンサによれば、感度および応答速度を低下させることなく消費電力の低減可能なガスセンサおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガスセンサの平面図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線に沿う模式断面図である。
【図３】ガスセンサの製造方法の各工程を示す流れ図である。
【図４】本発明の実施の形態２におけるガスセンサの平面図である。
【図５】図４におけるＢ部の拡大平面図である
【図６】図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う模式断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０      ガスセンサ
１１      絶縁性基板
１２      プラス側電極
１２ａ    プラス側電極の櫛歯
１３      マイナス側電極
１３ａ    マイナス側電極の櫛歯
１４      ガス感応部
１５      第一の導電性粒子
１６      第二の導電性粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010112857.tif 000008
【図６】
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