(57)【要約】【課題】消費電力を大幅に低減すると共に長期安定性、信頼性の向上を図ること。【解決手段】低熱伝導性の基板２０と、加熱部２２とヒータリード部２３からなり基板上２０に形成されたヒータ２１と、加熱部２２を覆うように設けられた第一の絶縁膜２４と、この第一の絶縁膜２４上に設けられ且つ接地状態に配設された高熱伝導性の導電性膜２５と、この導電性膜２５を覆うように設けられた第二の絶縁膜２６と、第二の絶縁膜２６上に形成された感応部２７とを備え、少なくとも前記ヒータリード部２３に対置する部分の前記導電性膜２５を露出させた構成にしている。これによって、ヒータ加熱時に生じる温度分布を小さく出来ると共に、ヒータ２１の加熱時に生じる電位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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、加熱部とヒータリード部とからなり前記基板上に形成されたヒータと、前記加熱部を覆うように設けられた第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜上に設けられ且つ接地状態に配設された熱伝導性の導電性膜と、前記導電性膜を覆うように設けら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とを備え、少なくとも前記ヒータリード部に対置する部分の前記導電性膜を露出させたガスセンサ。
【請求項２】
感応部は、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検出電極と、前記検出電極のどちらか一方を覆うように形成された触媒とからなり、前記検出電極から延長された電極リードを備えた請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
第二の絶縁膜を介して導電性膜と対置している固体電解質膜は、平面視前記導電性膜の面内に入る大きさである請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
第一の絶縁膜より面積の小さな導電性膜と、前記導電性膜より面積の小さな第二の絶縁膜よりなる請求項１、２または３記載のガスセンサ。
【請求項５】
導電性膜は周縁部を第二の絶縁膜から露出させた請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
検出電極から延長された電極リードを第二の絶縁膜上に形成した請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【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】
一般にガスセンサは半導体式、熱線半導体式、個体電解質式など種々の方式や形状のものが提案されており、一酸化炭素をはじめ、メタン、プロパン、水素などに選択的に感応する特性を活用して、ガス洩れ警報器や、ＣＯ警報器として用いられている。これら安全装置としての警報器には、高感度であること、応答が速いこと、信頼性が高いこと、選択性が高いこと、さらに消費電力が低いことが要求されている。その一例としては、図５に示すような固体電解質式のガスセンサが提案されており、図に示すように耐熱性基板１の一方の面にはヒータ２が形成され、他方の面には板状の固体電解質３が設けられている。また固体電解質３上には一対の電極４ａ、４ｂが設けられ、一方の電極４ｂ上には酸化触媒層５が設けられている。
【０００３】
しかしながら図５に示す従来のガスセンサは耐熱性基板１、個体電解質２、酸化触媒層５は耐熱性基板１および固体電解質２の熱容量が大きいためセンサを動作温度に保持するためには大きな電力が必要であり、結果、商用電源コンセントを常時利用することになり、昨今の電気製品が溢れている家庭内環境において不便になるという課題がある。この課題を解決するために図６に示したような薄膜ガスセンサが新たに提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
この薄膜ガスセンサは、基板６上に形成されたヒータ７の上面に絶縁層８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９と、この固体電解質薄膜９上に形成された一対の電極１０の薄膜と、前記一対の電極のうち一方は電極１０Ａ上に設けられた酸化触媒層１１より形成されている。これによって、省電力化が可能となり電池駆動が可能となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１９４３３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６の構成では、電池駆動が可能となるものの、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９、電極１０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。また、ヒータ７、絶縁層８、固体電解質薄膜９、電極１０、酸化触媒層１１などの各構成要素は０．１μｍ〜数μｍ程度の薄い膜で構成されており、とりわけ絶縁層８は、数μｍの膜厚でも数ＭΩ〜数１００ＭΩの絶縁抵抗は有しているものの、完全な絶縁体ではないために、ヒータ９からの電位の影響が電極１０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。
【０００７】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明のガスセンサは、低熱伝導性の基板と、加熱部とヒータリード部からなり前記基板上に形成されたヒータと、前記加熱部を覆うように設けられた第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜上に設けられ且つ接地状態に配設された高熱伝導性の導電性膜と、前記導電性膜を覆うように設けら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とを備え、少なくとも前記ヒータリード部に対置する部分の前記導電性膜を露出させた構成としている。
【０００９】
本発明によれば、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。第一の絶縁膜上に設けられた高熱伝導性の導電性膜のヒータリード部に対応する部分が露出するように第二の絶縁膜を設けることにより、ヒータからの残留電位を遮断し、残留電位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。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に係る発明は、低熱伝導性の基板と、加熱部とヒータリード部からなり前記基板上に形成されたヒータと、前記加熱部を覆うように設けられた第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜上に設けられ且つ接地状態に配設された高熱伝導性の導電性膜と、前記導電性膜を覆うように設けら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とを備え、少なくとも前記ヒータリード部に対置する部分の前記導電性膜を露出させて形成しているので、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し、出力の不安定を低減することができる。また、ヒータリード部において、導電性膜によって第一の絶縁膜と第二の絶縁膜を隔離するために、ヒータからの残留電位を遮断し、残留電位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。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の発明において感応部を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検出電極と、前記検出電極のどちらか一方を覆うように形成された触媒から構成しているので、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とともに、ヒータの電位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３に係る発明は、請求項２に係る発明において第二の絶縁膜を介して導電性膜と対置している固体電解質膜は、平面視前記導電性膜の面内に入る大きさに形成しているので、感応膜である固体電解質膜へのヒータの電位の影響を導電性膜で遮断し、残留電位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。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１から３に係る発明において第一の絶縁膜より面積の小さな導電性膜と、前記導電性膜より面積の小さな第二の絶縁膜よりなるように形成しているので、導電性膜で、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜を遮断することにより、残留電位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。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において導電性膜は周縁部を第二の絶縁膜から露出させる構成としているので、導電性膜で、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜を完全に遮断することにより、残留電位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。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１から５に係る発明において第二の絶縁膜上に検出電極から延長された電極リードを形成した構成としているので、起電力出力に関係する部分を完全にヒータの電位の影響から遮断して、ヒータの電位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。
【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の分解斜視図、図２は、同ガスセンサの断面図である。図１及び図２において、２０は耐熱性で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。２１はヒータで加熱部２２と、この加熱部２２から延長されたヒータリード部からなり、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。ヒータリード部２３にはリード線（図示せず）が接続され加熱のための電力を電源から供給する。２４はヒータ２１のヒータリード部２３以外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２０と同じＳｉＯ２薄膜をスパッタ法、電子線蒸着法などによって形成している。
【００１８】
また、２５は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のヒータリード部２３に対応する部分に露出部２５ａを設けるようにに形成している。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検出電極２９ａ、２９ｂ、及び一方の検出電極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の大きさで、導電性膜２５の面内に完全に収容されるように形成している。検出電極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。ここで、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。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。
【００２０】
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不要である。３１は電極２９ａ、２９ｂから延長された電極リードである。電極リード３１にはリード線（図示せず）が接続され、電極２９ａ、２９ｂ間に生じる起電力を検出回路（図示せず）に送出する。３２は導電性膜２５から延長されたリード部であり、リード部３２に接続されたリード線３３は接地されている。
【００２１】
以上の構成において、電源（図示せず）からヒータ２１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。
【００２２】
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。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２１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２１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、さらに加熱のための消費電力も大幅に低減することができる。
【００２３】
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２１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。
【００２４】
ここで、ヒータ２１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２１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２１を加熱した場合、センサ素子２０の基板２０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２１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。
【００２５】
また、パルス的にセンサを駆動する場合は、ヒータ２１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２１上には絶縁膜を有しているので、ヒータ２１と感応部２７は、絶縁されている。しかし、実際絶縁膜は数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２１に瞬間的に電圧がかかった場合にヒータ２１からの電位が影響して電極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、ヒータ２１からの電位の影響分も増幅されるのでセンサ出力のばらつきも大きくなる。
【００２６】
これに対して本実施例の構成では、ヒータ２１上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を接地させるとともに、ヒータリード部２３に対応する部分の導電性膜２５を露出させる構成にしているため、ヒータ２１からの電位の影響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。ヒータリード部２３に対応する部分の導電性膜２５が露出していない場合すなわち、ヒータリード部２３に対応する部分で第一の絶縁膜２４と第二の絶縁膜２６が接触している場合は、ヒータ２１の電位が第二の絶縁膜２６にも影響し、センサ出力が不安定になる場合がある。ヒータリード部２３に対応する部分の導電性膜２５が露出している場合は、第一の絶縁膜２４と第二の絶縁膜２６が隔離され、かつ、導電性膜２５によってヒータ２１の電位がシールドされるため、ヒータ２１の電位が第二の絶縁膜２６を介してセンサ出力に影響することは無く、安定した出力が得られる。
【００２７】
また、本実施例では固体電解質膜２８は導電性膜２５の面内に完全に収容される形状としているので、導電性膜２５のシールド効果によりヒータ２１の電位の影響を固体電解質膜２８が受けることは無く、安定した出力が得られる。
【００２８】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２におけるガスセンサの組立て斜視図、図４は同ガスセンサの平面図を示すものである。基本的な構成は実施例１と同じであるので異なる点のみ説明する。
【００２９】
実施例２では導電性膜２５の面積を第一の絶縁膜２４の面積より小さく、第二の絶縁膜２６の面積を導電性膜２５の面積より小さく形成し、導電性膜２５の周縁部を第二の絶縁膜２６から露出させ、露出部２５ｂを設ける構成としている。さらに、検出電極２９ａ、２９ｂから延長された電極リード３１も第二の絶縁膜２６上に形成している。電極リード３１では感応部２７ほどには温度は上がらないが、ある程度はＣＯの吸着、酸化反応が起こっており、これが出力に僅かながらでも影響していることが考えられる。固体電解質膜２８のみでなく、電極リード３１を含めた反応に関与する可能性のある領域すべてを第二の絶縁膜２６上に収容し、さらに第二の絶縁膜２６を導電性膜２５面内に収容することにより、第一の絶縁膜２４と第二の絶縁膜２６が隔離されるため、ヒータ２１の電位が第二の絶縁膜２６に影響することは無く、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。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明のガスセンサによれば次の効果を奏する。
【００３１】
基板と、この基板上に形成された加熱部とヒータリード部からなるヒータと、ヒータリード部以外を覆うように第一の絶縁膜を設け、さらにこの第一の絶縁膜上に設けられた高熱伝導性の導電性膜と、この導電性膜の少なくともヒータリード部に対応する部分の導電性膜が露出するように形成された第二の絶縁膜と、この第二の絶縁膜上に形成された感応部を備えているので、導電性膜によってヒータ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。
【００３２】
また、導電性膜を接地することにより、ヒータ加熱時に生じる電位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。
【００３３】
さらにまた、少なくともヒータリード部に対応する部分の導電性膜が露出するように第二の絶縁膜を形成することにより、ヒータ部分での第一の絶縁膜と第二の絶縁膜の接触を避け、第二の絶縁膜を通してヒータ電位の影響がセンサ出力に影響する現象を解消し、安定なセンサ出力を得ることができる。
【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分解斜視図
【図２】同ガスセンサの断面図
【図３】本発明の実施例２におけるガスセンサの分解斜視図
【図４】同ガスセンサの平面図
【図５】従来のガスセンサの要部断面図
【図６】従来の他のガスセンサの要部断面図
【符号の説明】
２０  基板
２１  ヒータ
２２  加熱部
２３  ヒータリード部
２４  第一の絶縁膜
２５  導電性膜
２５ａ  露出部
２５ｂ  露出部
２６  第二の絶縁膜
２７  感応部
２８  固体電解質膜
２９ａ  検出電極
２９ｂ  検出電極
３０  触媒
３１  電極リード
３２  リード部
【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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【図６】
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