(57)【要約】【課題】  センサ素子自体が安価に製造でき、長期稼動においても感ガス体特性が変化せず、且つ熱効率の良いガスセンサの提供。【解決手段】  測定箇所のガス濃度を検出する感ガス部Ａと、当該感ガス部Ａを加熱する発熱部Ｂと、両者間に介在するセラミック基板Ｃとを備え、前記感ガス部Ａは、感ガス体１および当該感ガス体１の検出パターン２を備えた感ガス素子３と、前記感ガス素子３を加熱する給熱パターン４を備え、前記発熱部Ｂは、発熱パターン６を備え、前記給熱パターン４と前記発熱パターン６を連結する中継パターン９を備えるガスセンサ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定箇所のガス濃度を検出する感ガス部と、当該感ガス部を加熱する発熱部と、前記感ガス部と発熱部との間に介在するセラミック基板とを備え、
前記感ガス部は、感ガス体および当該感ガス体の検出パターンを備えた感ガス素子と、前記感ガス素子を当該感ガス素子と離隔して加熱する給熱パターンを備え、
前記発熱部は、発熱パターンを備え、
前記給熱パターンと前記発熱パターンを連結する中継パターンを備えるガスセンサ。
【請求項２】
前記発熱部は、前記発熱パターンに連続した採熱パターンを備え、
前記給熱パターンと前記発熱パターン又は採熱パターンを連結する中継パターンを備える前記請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記給熱パターンが、前記感ガス素子を囲んで配置されている前記請求項１又は請求項２のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記検出パターンは、金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム又はチタニウム合金のいずれかからなるパターンである前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
熱伝導率が低い接着剤で定着したホルダーと、当該ホルダーに支持された給電端子および検出端子を備え、
前記給電端子と前記給熱パターンとの間および前記検出端子と前記検出パターンとの間をワイヤで接続する前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感ガス体として半導体を用いた半導体式ガスセンサに関するものであって、特に、その特性の安定化と、製造コストおよび消費電力の低減に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体式ガスセンサの感ガス体は、一般的にｎ型酸化物半導体である酸化第二錫（以下、「ＳｎＯ２」と記す。）が用いられている。
清浄空気中では、ＳｎＯ２粒子の表面には酸素イオンが付着しているが、Ｈ２やＣＯなどの還元性ガスに暴露されたとき、前記酸素イオン（以下、「吸着酸素」と記す。）が減少することでＳｎＯ２粒界のポテンシャル障壁が低下し、電子易動度が増大する。
半導体式ガスセンサによる前記還元ガス濃度の測定は、その際における感ガス体の電気抵抗の変化を検出する形で行われる（図４参照）。
【０００３】
感ガス体の電気抵抗の変化からガス濃度を好適に測定するには、検知対象であるガスと「吸着酸素」との反応あるいは反応生成物の離脱が速やかに行われるよう、感ガス体を３００℃〜４００℃に加熱することが必要となる。
従来、感ガス体の加熱には、電極コイルその他のヒーター材に電力を印加して得たジュール熱が用いられるが、直熱式ヒーター、傍熱式ヒーターのいずれにあっても、エネルギー効率を高めるためには、熱リークの回避と、感ガス体近傍への熱伝導率の向上が最大の課題となる。（例えば、下記特許文献１参照。）
【０００４】
熱リークの回避のためには、ガスセンサ本体をホルダーに対して離隔すべく宙吊りの形で支持する手法が広く用いられており（例えば、図５、下記特許文献２又は特許文献３参照。）、感ガス体近傍への熱伝導率の向上のためには、ヒーターと感ガス体を積層構造とする手法が用いられている（例えば、下記特許文献１又は特許文献４参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５３−７４４９５号公報
【特許文献２】特開平６−６６７５４号公報
【特許文献３】特開平７−３１１１７２号公報
【特許文献４】特開平５−２８１１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記宙吊りの形で支持する手法では、耐振動性に劣るという問題がある。
また、白金（Ｐｔ）は、触媒としての用途が周知であるように、物質の化学的活性を変化させ易い性質を有する。その様な素材で形成されたヒーターと感ガス体を積層構造とした場合には、ヒーターパターンである白金（Ｐｔ）が感ガス体にまで熱拡散する虞が生じ、ガスセンサの特性を長期にわたって維持することが見込めないという問題が生じる。そのため、二つの層の間に白金（Ｐｔ）粒子の熱拡散を防止する層を別途形成する必要が生じ、製造コスト面で不利になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、長期稼動においても感ガス体特性が変化せず、熱効率の良い安価なガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明によるガスセンサは、測定箇所のガス濃度を検出する感ガス部と、当該感ガス部を加熱する発熱部と、前記感ガス部と発熱部との間に介在するセラミック基板とを備え、前記感ガス部は、感ガス体および当該感ガス体の検出パターンを備えた感ガス素子と、前記感ガス素子を当該感ガス素子と離隔して（機能が許す限り、できるだけ近接していることが望ましい。）加熱する給熱パターンを備え、前記発熱部は、発熱パターンを備え、前記給熱パターンと前記発熱パターンを連結する中継パターンを備え、前記検出パターンは、金（Ａｕ）、アルミニウムＡｌ、アルミニウム合金、チタニウム（Ｔｉ）又はチタニウム合金のいずれかからなるパターンであることを特徴とする。
【０００９】
前記発熱部は、前記発熱パターンに連続した採熱パターンを備え、前記給熱パターンと前記発熱パターン又は採熱パターンを連結する中継パターンを備えるガスセンサとすることによって、表裏の熱伝導効率を高めることができる。
また、前記給熱パターンは、前記感ガス素子を囲んで配置されることによって、前記感ガス素子への加熱効率を高めることができる。
【００１０】
前記ガスセンサは、熱伝導率が低く絶縁性の高い接着剤で定着したホルダーと、当該ホルダーに支持された給電端子および検出端子を備え、前記給電端子と前記給熱パターンとの間および前記検出端子と前記検出パターンとの間を金（Ａｕ）製のワイヤで接続する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるガスセンサによれば、感ガス部と発熱部とその間に介在するセラミック基板を備え、前記感ガス部は、感ガス体および当該感ガス体の検出パターンを備えた感ガス素子と、前記感ガス素子を当該感ガス素子と離隔して加熱する給熱パターンを備え、前記発熱部は、発熱パターンを備え、更に、前記給熱パターンと前記発熱パターンを連結する中継パターンを備える構成を採ることによって、熱効率の良い安価なガスセンサを提供することができる。
【００１２】
前記給熱パターンを、前記感ガス体素子を囲う様に配置することによって、感ガス体へ効率的に熱を供給することができる。
また、前記給熱パターンやそれに続く端子パターンおよび中継パターン（以下、「熱伝導経路」と記す。）を厚膜で形成することによって、熱伝導経路の断面積が大きくなり単位時間に伝導できる熱量を大きくすることができる。
更に、蛇行した前記発熱パターンの蛇行ピッチの間隙に、採熱パターンを噛み合わせ、積極的に熱を取り出せるように形成することによって、前記発熱パターンで生じた熱が中継パターンへ効率的に伝導される。
【００１３】
尚、前記熱伝導経路に金（Ａｕ）などの熱伝導性の高い素材を採用すれば、上記効果はより高められることとなる。
前記検出パターンに金（Ａｕ）などの化学的に不活性で触媒作用を起こさない物質を採用し、前記感ガス部と前記発熱部との間に前記セラミック基板を介在する構成とすることは、前記感ガス体への熱拡散を回避し、長期間に亘って安定した特性を維持することに寄与する。
【００１４】
本発明によるガスセンサは、側面の中継パターンを介して、前記発熱部と前記感ガス部の端子パターンが導通し且つ熱的にも連結しているため、前記感ガス素子の検出パターンと発熱部への給電パターンを前記セラミック基板の同じ側に設けることができる。
前記ガスセンサがホルダーに直に接合されると、接合後も前記検出パターンと前記給熱パターンが前記検出端子と前記給電端子に各々電気的に接続可能な状態で露出し、前記給電端子と前記給熱パターンとの間および前記検出端子と前記検出パターンとの間をワイヤで容易に接続することができる。尚、前記ワイヤの素材は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などから適宜選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるガスセンサの一例を表裏各々の面側から観た斜視図である。
【図２】本発明によるガスセンサの（Ａ）：実施態様例を示す斜視図および（Ｂ）その発熱部から生じたジュール熱の伝達状況を示す斜視図である。
【図３】本発明によるガスセンサの製造工程の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明によるガスセンサのガス濃度検出原理を示す説明図である。
【図５】従来のセンサの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明によるガスセンサの実施の形態を、その製造方法とともに図面に基づき詳細に説明する。
本発明によるガスセンサは、測定箇所のガス濃度を検出する感ガス部Ａと、当該感ガス部Ａを加熱する発熱部Ｂと、前記感ガス部Ａと発熱部Ｂとの間に介在する方形平板状のセラミック基板Ｃと、当該セラミック基板Ｃの表面と裏面との間で熱および電気を流通させる中継部Ｄを備える（図１参照）。
【００１７】
図１の例における前記感ガス部Ａは、前記感ガス体１および当該感ガス体１の検出パターン２を備えた感ガス素子３と、前記感ガス素子３の近傍に、当該感ガス素子３とは離隔して熱を供給する給熱パターン４と、当該給熱パターン４に続く一対の端子パターン５，５を備え、各々は、前記セラミック基板Ｃの一方の面に形成されている（図３参照）。
【００１８】
この例では、前記感ガス素子３は、前記セラミック基板Ｃの中央に配置し、前記端子パターン５，５は、同セラミック基板Ｃの両端に配置する。
前記給熱パターン４，４は、両端子パターン５，５にそれぞれ連続し（前記給熱パターン４を一連に形成し、一方又は双方の端子パターン５に連続しても良い。）、各給熱パターンは、前記感ガス素子３と両端子パターン５，５との間隙に、当該感ガス素子３の四方を囲んで配置する。
【００１９】
この例では、水素、フロン、メタン、一酸化炭素などの還元性ガスを検出すべく、前記感ガス体１には、例えば、ｎ型酸化物半導体である酸化第二錫（ＳｎＯ２）又はそれに白金（Ｐｔ）を０．３〜０．５ｗｔ％添加した混合物を採用し、その検出パターン２，２、前記給熱パターン４，４および前記端子パターン５，５には、伝導性が良く、化学的に不活性で触媒作用を示さない金（Ａｕ）薄膜を採用する。
【００２０】
図１の例における前記発熱部Ｂは、電流が流れることにより発熱する発熱パターン６と、当該発熱パターン６に連続した採熱パターン７と、それらに連続する一対の端子パターン８，８を備え、前記セラミック基板Ｃの前記感ガス部Ａとは反対の面に形成する。
この例の前記発熱パターン６は、前記セラミック基板Ｃの中央に配置し、一方の端子パターン８から他方の端子パターン８へ向かって蛇行する回路パターンを採用する。
【００２１】
前記採熱パターン７は、前記発熱パターン６の蛇行ピッチで生じる間隙に、櫛歯状に介在する回路パターンを採用する。
前記端子パターン８，８は、前記感ガス部Ａと同様に、前記セラミック基板Ｃの両端に配置する。
【００２２】
この例における前記発熱パターン６、前記採熱パターン７および前記端子パターン８，８には、白金（Ｐｔ）薄膜を採用する。尚、これらのパターンの素材は、白金（Ｐｔ）に限るものではなく、発熱又は採熱及び熱伝導の機能を果たし得るものであればよい。
【００２３】
図１の例における前記中継部Ｄは、前記セラミック基板Ｃの両端面（片端面に形成することも可能であるが、熱伝導効率の面では両端面が望ましい。更なる熱効率の向上を求めるには、残る側面に対しても中継部Ｄを形成することができる。）から、同セラミック基板Ｃにおける表裏面各々の両端部に亘って、表裏の電極パターン５，５，８，８を連結する中継パターン９，９で構成される。
【００２４】
当該中継パターン９には、金（Ａｕ）厚膜を採用する。
前記中継パターン９の存在によって、熱伝導の面では、前記給熱パターン４と前記発熱パターン６及び前記採熱パターン７が連続し、電気的導通の面では、前記感ガス部Ａの電極パターン５と、前記発熱部Ｂの電極パターン８が連続する。
尚、前記中継パターン９の素材は、不活性で触媒作用を起こさず、且つ熱伝導性も良好な点で金（Ａｕ）が望ましいが、前記感ガス体１の素材や用途などに応じて適宜選択すればよい。
【００２５】
上記ガスセンサは、以下の工程を経て製造する。
第一の工程として、方形平板状の前記セラミック基板Ｃの一方の面（この例では裏面）に、前記発熱パターン６、前記採熱パターン７および端子パターン８，８となる白金（Ｐｔ）薄膜をスパッタリング等で形成する（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
第二の工程として、前記セラミック基板Ｃの他方の面（この例では表面）に、一対の前記検出パターン２，２、前記給熱パターン４，４および前記端子パターン５，５となる金（Ａｕ）厚膜をスクリーン印刷で形成する（図３（Ｃ）参照）。
第三の工程として、一対の前記検出パターン４，４を電極とする前記感ガス体１としてＳｎＯ２に白金（Ｐｔ）を０．３〜０．５ｗｔ％添加した混合物をスクリーン印刷で形成する（図３（Ｄ）参照）。
第四の工程として、前記セラミック基板Ｃの両端面に、表裏の前記電極パターン５，５，８，８，を同セラミック基板Ｃの両端においてそれぞれ連結する金（Ａｕ）厚膜からなる前記中継パターン９，９をディッピングで形成する。
【００２６】
図２に示すガスセンサは、上記構成に加えて、熱伝導率が低く絶縁性の高い接着剤１０で定着したホルダー１１と、当該ホルダー１１に支持された給電端子１２，１２および検出端子１３，１３を備え、且つ前記給電端子１２と前記給熱パターン４との間および前記検出端子１３と前記検出パターン２との間を接続する金（Ａｕ）製のワイヤ１４を備えた構成を有するものである。
図２に示すガスセンサは、前記ホルダー１１の縁に、前記検出端子１３および前記給電端子１２として、制御回路に繋がる二本の検出用リード線と、電源回路に繋がる二本の給電用リード線が支持されている。
【００２７】
このガスセンサは、上記工程に続く第五の工程として、前記ガスセンサ（以下、「センサ本体）と記す。）の裏面の四隅に、熱伝導率が低い例えばエポキシ系のダイボンディング材（前記接着剤１０）を付着し、前記ホルダー１１に接着する。
第六の工程として、前記給電用リード線の先端部と前記給熱パターン４との間および前記検出用リード線と前記検出パターン２との間を金（Ａｕ）製のワイヤ１４で接続する。
【００２８】
前記給電端子１２と前記検出端子１３は、当該ホルダー１１に支持される箇所の周囲に、ガラスなどの絶縁体１５を被着して備え、前記ホルダー１１に対する各々の電気的絶縁状態を確保する。
【００２９】
尚、上記ガスセンサは、一実施例を示したものであって、各パターンの形状を、本発明の特徴を損なわない限り種々設計変更することもできる。また、一枚の前記セラミック基板Ｃに複数の前記感ガス部Ａを形成した集合センサ、又はひとつのホルダー１１に複数のセンサ本体を支持した集合センサとして構成することもできる。また、その際にセラミック基板Ｃに設ける発熱部Ｂの数にあっても、単数又は複数を適宜選択することができる。
【符号の説明】
【００３０】
Ａ  感ガス部，Ｂ  発熱部，Ｃ  セラミック基板，Ｄ  中継部，
１  感ガス体，２  検出パターン，３  感ガス素子，
４  給熱パターン，５  端子パターン，
６  発熱パターン，７  採熱パターン，８  端子パターン，
９  中継パターン，
１０  接着剤，１１  ホルダー，１２  給電端子，１３  検出端子，
１４  ワイヤ，１５  絶縁体，
【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】
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