(57)【要約】【課題】長期間安定して使用できるガスセンサを提供することを目的とする。【解決手段】耐熱低熱伝導性の基板上２１に形成されたヒータ２２と、このヒータ２２を覆うように二層の絶縁膜２４、２６を設け、この二層の絶縁膜２４、２６間に高熱伝導性の導電性膜２５を設けるとともに、第二の絶縁膜２６上に形成された感応部２７を有する構成にしているので、電池駆動が可能で、かつ導電性膜２５によってヒータ２２の加熱時に生じる温度分布を小さくして、出力の安定化を図ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように設けられた第一の絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた高熱伝導性の導電性膜と、前記導電性膜上に形成された第二の絶縁膜と、前記第二の絶縁膜上に形成された感応部を有するガスセンサ。
【請求項２】
感応部は、第二の絶縁膜上に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成された一対の電極を有する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
導電性膜は接地されている請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
導電性膜から延長されたリード部とヒータから延長されヒータリードの陰極側を接続させた請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
導電性膜は固体電解質膜より面積が大である請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
第一の絶縁膜と第二の絶縁膜は同一材質で形成した請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
基板と第一の絶縁膜および第二の絶縁膜は同一材質で形成した請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室内燃焼機器の不完全燃焼により発生する一酸化炭素を検知するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスセンサとして、半導体式、熱線半導体式、固体電解質式など種々の方式、形状のものが提案されているが、その中に、省電力化をはかり電池駆動を可能とし設置性を改善した薄膜ガスセンサがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これは、図４に示すように、基板１と、この上に形成されたヒータ２と、この上面に電気絶縁層３を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜４と、固体電解質薄膜４上に形成された一対の電極５、６と、前記電極の一方の電極６上に設けられた酸化触媒層７とより構成している。この構成により、ガスセンサの熱容量を小さくしてパルス駆動を可能としており、その結果、大幅な省電力化が可能となり電池駆動が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１９４３２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、パルス駆動で瞬時に所定温度まで昇温するために、固体電解質薄膜４、電極３等で温度分布が生じて、出力が不安定になる場合があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電池駆動が可能でかつセンサ出力が安定して得られるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のガスセンサは、耐熱低熱伝導性の基板上に形成されたヒータを覆うように第一、第二の絶縁膜を設け、前記絶縁膜間には高熱伝導性の導電性膜を設け、前記第二の絶縁膜上には感応部を有する構成としたものである。
【０００８】
このように、高熱伝導性の導電性膜を設けることにより、パルス駆動で瞬時にヒータを加熱した場合でも、感応部の温度を均一にして温度分布を小さくすることができ、出力の不安定を低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように設けられた第一の絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた高熱伝導性の導電性膜と、前記導電性膜上に形成された第二の絶縁膜と、前記第二の絶縁膜上に形成された感応部を有するガスセンサとしているので、高熱伝導性の導電性膜の作用で、パルス駆動で瞬時にヒータを加熱した場合でも、感応部の温度を均一にして温度分布を小さくすることができ、出力の不安定を低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、感応部は、第二の絶縁膜上に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成された一対の電極を有する請求項１に記載のガスセンサとしているので、直接電極間の起電力出力を取り出す固体電解質式においても、パルス駆動で瞬時にヒータを加熱した場合でも、感応部の温度を均一にして温度分布を小さくすることができ、出力の不安定を低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、導電性膜は接地されている請求項１または２に記載のガスセンサとしているので、導電性膜がシールドの役割を果たし、ヒータからの漏れ電圧を無くして、漏れ電圧のセンサ出力への影響を解消して、安定なセンサ出力を得ることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、導電性膜から延長されたリード部とヒータから延長されヒータリードの陰極側を接続させた請求項３に記載のガスセンサとしているので、請求項３に記載の効果に加え、センサからのリード線の取り出しを少なくすることができ、構成を簡単にすることができるとともに、パルス駆動を行うために小型化を図ったセンサ素子上で比較的大きな面積を閉めるリード部（ヒータや電極のリード線を接合する部分）の面積を減らすことができるので、リード部間の絶縁距離を確保して、安定なセンサ特性を得ることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、導電性膜は固体電解質膜より面積が大である請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサとしているので、シールド効果を確実にして安定なセンサ出力を得ることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜は同一材質で形成した請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサとしているので、パルス駆動によって急激に温度が上昇しても、絶縁膜間に熱膨張率の差がないために、絶縁膜や導電性膜にクラックが生じる事はなく、安定した絶縁特性、およびシールド性を保つことができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、基板と第一の絶縁膜および第二の絶縁膜は同一材質で形成した請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサとしているので、パルス駆動によってヒータの温度が急激に上昇しても基板と絶縁膜間に熱膨張率の差がないために、ヒータが劣化することはなく、長期間にわたって安定したヒータ特性を維持することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１におけるガスセンサを示すものである。
【００１８】
図において、２０はセンサ素子を示すものである。２１は耐熱低熱伝導性の基板で、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などが使用可能であるが、耐熱衝撃強度、低熱伝導性、耐熱性の点から、ここでは約２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍのＳｉＯ２を用いている。２２は基板２１上に形成されたヒータで、スパッタ法、電子線蒸着法などによって所定の温度になるように抵抗値を設定している。２３はヒータ２２から延長されたヒータリードである。２４はヒータ２２を覆うように設けられた第一の絶縁膜で、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの絶縁材料が使用可能であるが、ここでは基板２１と同じＳｉＯ２薄膜をスパッタ法、電子線蒸着法などによってヒータ２２を覆って形成している。２５は第一の絶縁膜２４上に設けられた高熱伝導性の導電性膜で、熱伝導性の良い、Ｃｕ、Ａｌなどの金属や、Ｐｔ、Ａｕなどの貴金属が使用可能であるが、耐熱性や安定性の点からＰｔが好適である。２６は導電性膜２５上に形成された第二の絶縁膜で、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの絶縁材料が使用可能であるが、ここでは第一の絶縁膜２４と同じＳｉＯ２薄膜をスパッタ法、電子線蒸着法などによって導電性膜２５を覆って形成している。２７は第二の絶縁膜２６上に形成された感応部で、酸素イオン導電性の固体電解質膜２８と、この固体電解質膜２８上に形成された一対の電極２９ａ、２９ｂ、および一方の電極２９ａ上に設定された触媒３０より構成されている。
【００１９】
固体電解質膜２８は、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３またはＳｃ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２、ＣａＯ、Ｇｄ２Ｏ３またはＬａ２Ｏ３とＣｅＯ２との混合物など、酸素イオン導電性を有するすべての固体電解質を使用することができるが、本実施例では８％Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２を使用し、スパッタ法で約０．４ｍｍ×０．６ｍｍの大きさに形成している。
【００２０】
電極２９ａ、２９ｂは白金をスパッタ法で固体電解質膜２８上に形成している。白金に一部パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属を混入させても良い。ＡＢＯ３の結晶構造をもつペロブスカイト型複合酸化物を用いても良い。ＡはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄなどの希土類元素、ＢはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの遷移金属元素である。その他、一般に固体電解質型センサに用いる電極材料すべてが使用可能である。
【００２１】
触媒３０は測定対象ガスを酸化分解するものであれば良いが、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属やバナジウム、マンガン等の酸化物あるいはこれらの混合物をアルミナなどに担持したものをスクリーン印刷法で形成する。本実施例では電極２９ａ、２９ｂ上に触媒３０を形成した構成を示したが、電極２９ａ、２９ｂにＣＯに対する吸着特性の異なる材質を用いた場合は、触媒３０は不要である。
【００２２】
３１は電極２９ａ、２９ｂから延長された電極リードである。
【００２３】
以上の構成において、電源（図示せず）からヒータ２２に電力を供給し、固体電解質膜２８を所定温度（４００℃〜５００℃）に加熱する。固体電解質膜２８が所定の温度に達すると、電極２９ａ、２９ｂと固体電解質膜２８と空気の界面で電子の授受が行われ、酸素イオンが発生する。ここで、空気中にＣＯが存在すると、触媒３０が乗った電極２９ａでは、ＣＯは触媒３０によって酸化され、電極２９ａ面にまでは到達しない。もう一方の電極２９ｂでは電極面に到達したＣＯは酸化されＣＯ２になる。この酸化反応には固体電解質膜２８内の酸素イオンが使われ、その結果、両電極２９ａ、２９ｂでの電極反応に差が生じ、固体電解質膜２８内の酸素イオンの平衡が崩れ、両電極間に電位差が発生する。この電位差を検出することによりＣＯ濃度を検出することができる。
【００２４】
基板１１に用いている石英ガラスは、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫと絶縁膜１３（３５〜４５Ｗ／ｍＫ）や固体電解質膜２８（６Ｗ／ｍＫ）に対して小さく、したがってヒータ２２で加熱した場合に、基板１１の温度はほとんど上昇することなく、ヒータ２２直上の固体電解質膜２８の領域およびその近傍のみの温度を上昇させることができる。したがって加熱のための消費電力も大幅に低減することができる。また、熱衝撃強度も大きいので短時間で所定の温度まで昇温することが可能である。上記構成では１５ｍＷｓｅｃの電力量で４５０℃までの昇温が可能であった。したがって、ヒータ２２をパルス的に駆動させて大幅に消費電力が低減できるため、電池電源での駆動も可能である。
【００２５】
ここで、ヒータ２２は所定の温度（４００℃〜５００℃）に昇温する目的で、所定の抵抗値を得るために、ヒータ２２をパターニングして長さ、幅、厚さを設定している。パルス駆動でヒータ２２を加熱した場合、センサ素子２０の基板２１以外の構成要素は薄膜を主体としており、０．１μｍ〜数μｍと非常に薄いため感応部２７も瞬間的に昇温されるが、ヒータ２２の形状そのまま昇温されるため、感応部２７で温度分布が生じることになる。しかし、本実施例では、高熱伝導率の導電性膜２５を有しているので、導電性膜２５で温度分布が均一化され、感応部２７の温度分布を小さくすることができるので、出力のばらつきや不安定さを低減する事ができる。
【００２６】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２におけるガスセンサを示すものである。基本的な構成は実施例１と同じであるので異なる部分のみ説明する。
【００２７】
図において、３３は導電性膜２５から延長されたリード部であり、リード部３３に接続されたリード線３２は接地されている。
【００２８】
本実施例の構成でパルス的にセンサを駆動する場合は、ヒータ２２に約６Ｖの電圧を印加して、感応部２７を瞬間的に昇温する。この場合、ヒータ２２上には絶縁膜２６を有しているので、ヒータ２２と感応部２７は絶縁されている。しかし、実際、絶縁膜２６は数ＭΩ〜数１００ＭΩの絶縁抵抗を有するが、完全な絶縁体ではないために、導電性膜２５がない場合は、ヒータ２２に瞬間的に電圧がかかった場合にヒータ２２からの漏れ電圧が電極２９ａ、２９ｂ間の出力として現れ、センサ出力が不安定になるという課題があった。特にセンサ出力を増幅している場合は、漏れ電圧の影響分も増幅されるのセンサ出力のばらつきも大きくなる。これに対し、本実施例の構成では、ヒータ２２状に設けた第一の絶縁膜２４と第二の絶縁膜２６との間に設けた導電性膜２５を接地させることにより、ヒータ２２からの漏れ電圧を解消することができるので、非常に安定したばらつきの少ないセンサ出力を得ることができる。
【００２９】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３におけるガスセンサを示すものである。基本的な構成は実施例２と同じであるので異なる点のみ説明する。
【００３０】
本実施例では、導電性膜２５から延長されたリード部３３と、ヒータ２２から延長されヒータリードの陰極側ヒータリード３４を接続させた構成にしている。これにより、センサ素子２０からのリード線３２の取り出しを少なくすることができるので、構成を簡単にすることができるとともに、パルス駆動を行うために小型化を図ったセンサ素子上で比較的大きな面積を占めるリード（ヒータや電極のリード線を接合する部分）の面積を減らすことができるので、リード間の絶縁距離を確保して、安定なセンサ特性を得ることができる。
【００３１】
また、本実施例では、導電性膜２５の面積を固体電解質膜２８の面積より大きくした構成にしているものであり、シールド効果を確実にして安定なセンサ出力を得ることができる。
【００３２】
また、第一の絶縁膜２４と第二の絶縁膜２６は同一材質のＳｉＯ２で形成した構成としているので、パルス駆動によって急激に温度が上昇しても、絶縁膜間に熱膨張率の差がないために、絶縁膜導や導電性膜２５にクラックが生じる事はなく、安定した絶縁特性およびシールド性を保つことができる。
【００３３】
さらに、基板２１と第一の絶縁膜２４、第二の絶縁膜２６を同一材質で形成した構成としているので、パルス駆動によってヒータ２２の温度が急激に上昇しても、基板２１と絶縁膜２４、２６間に熱膨張率の差がないために、熱膨張差によってヒータ２２が劣化することはなく、長期間にわたって安定したヒータ特性を維持することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスセンサによれば、高熱伝導性の導電性膜を設けることにより、パルス駆動で瞬時にヒータを加熱した場合でも、感応部の温度を均一にして温度分布を小さくすることができ、出力の不安定を低減することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるガスセンサの断面図
【図２】本発明の実施例２におけるガスセンサの断面図
【図３】本発明の実施例３におけるガスセンサの断面図
【図４】従来例のガスセンサの断面図
【符号の説明】
２１  基板
２２  ヒータ
２３  ヒータリード
２４  第一の絶縁膜
２５  導電性膜
２６  第二の絶縁膜
２７  感応部
２８  固体電解質膜
２９ａ  電極
２９ｂ  電極
３０  触媒
３１  電極リード
３２  リード線
３３  リード部
３４  陰極側ヒータリード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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