３.

研究報告12) 転写印刷法による集積型センサの製造技術に関する研究(平成14年度

地域ものづくり対策事業

中小企業技術開発産学官連携促進事業)

川原昭彦

NOxセンサとCOセンサを１枚に配置したガスセンサ用転写紙と温度センサ転写紙を作製した｡ 併せて400℃以上に昇温可能なヒーターと電極を施した専用のセンサ基板を作製した｡ 作製した転写紙を専用センサ基板上に転写印刷して各温度で焼き付けて集積型のセンサ素子を作製し､ この素子を電子回路と組み合わせた一つの装置として完成させ､ 各センサがモニタリング可能なハイブリッドセンサ装置を試作した｡ この装置は１〜800ppmのNOxを測定することが可能であり､ 燃焼排ガスのNOxセンサとして十分に使用できるセンサであった｡ また､ 普及事業としてこれらの研究成果に関するテキストを作成して関係機関に配布し､ 佐賀､ 三重､ 大阪にて成果普及発表会をそれぞれ開催し､ その技術普及を行った｡

センサを共有するガスセンサ用転写紙はパターン

１. はじめに本研究は焼却施設､ 焼成炉､ 溶融炉､ 自動車の化された積層印刷が必要となるため､ スクリーン排ガスなど燃焼システムからのCO, NOx等の有印刷により作製することにした｡ NOxセンサの作毒ガスの排出を制御するために､ その燃焼状況

製においてはZnO-WO３ とZnOの２種類の粉末を(ガス濃度､ 温度) や排出ガスのモニタリングが用いてペーストを調製したが､ 出来上がりの微細行える集積型センサ (ハイブリッドセンサ) を低パターンを鮮明にするため､ まず原料粉末のペーコストで創製することを目的とした事業であり､スト調製条件を検討した｡ 結果､ 粉末とプリンティ３公設試 (大阪市､ 三重県､ 佐賀県) を中心としングオイル (型番：4540) との最適混合比はそれた産学官連携の共同研究 (平成12〜14年度) であぞれ10：４及び10：６であった｡ 一方､ 三重県科る｡ 事業全体としては学技術振興センターが開発したCOセンサはZnO

環境用セラミックスセンというテーマを掲／SnO２ (２層構造) であり､ 上下層ともその原げ､ 個別に大阪市立工業研究所は温度センサ､ 三料はゾル溶液であったため､ この溶液をそのまま重県科学技術振興センターはCOセンサ､ 佐賀県印刷原料として用いた｡ しかしながら､ このゾル窯業技術センターはNOxセンサについての研究開

溶液は速乾性がなかったため積層印刷は各層印刷発をそれぞれ分担した｡ 特にセンサ素子作製方法

後に12〜20時間自然乾燥させる必要があった｡ なでは転写印刷技術を用いた集積技術により高機能お､ スクリーンはステンレス製200メッシュを用化と低コスト化を図ることを検討した｡ 本年度は､いた｡ 各センサの印刷パターンはハイブリッドセ

昨年度までの研究結果のまとめを行い､ 普及事業

ンサ基板上の櫛型電極に合わせた形状 (各センサとして成果普及発表会の開催と開発技術の普及をサイズ：１㎜×２㎜) とし､ 台紙の上に①ZnO､行った｡②ZnO-WO３､ ③Snゾル､ ④Znゾル､ ⑤カバーコー

サの低コスト製造技術の開発

トの順にペーストを積層印刷してガスセンサ用転２. 結果と考察
２. １写紙を作製した｡

ガスセンサ用転写紙

NOxセンサの転写紙は開発段階ではスピンコートにより作製したが､ 最終的なNOxセンサとCO

２. ２

温度センサ用転写紙

大阪市立工業研究所が開発した温度センサは､
117

図１

ガスセンサ用転写紙 (左) と温度センサ用転写紙 (右)図２

センサ用転写紙の断面構造

ケイ化鉄 (FeSi２ ) 系のｐ型材料とｎ型材料を用ンターと当センターが開発したガスセンサを転写い､ ｐ−ｎ接合した先端部分の起電力を利用して印刷し800℃で焼成・焼付してハイブリッドセン温度を測定するタイプである｡ したがって､ 温度サ素子を得た｡ 図３に作製したハイブリッドセン

センサ用転写紙は､ あらかじめ両材料 (線幅：１サ素子及びセンサ部の拡大図を示す｡ なお､ 温度㎜) の一部先端が積層 (積層面積：２㎜×１㎜)

センサはガスセンサ作動温度の温度補償用としてするように配置したパターンを作製した｡ また､用いた｡ このようにして３公設研究機関で作製さ電極特性を安定させるためには材料厚をできるだ

れたハイブリッドセンサ素子は電子回路を組み込け厚くした方がよいため､ 粉末とプリンティングんだ一つの装置として完成させる為に㈱クリエイ

オイル (型番：4540) の混合比は10：3.5とし､ト寿づか (三重県) の協力のもと､ 試作装置を作焼成後の膜厚が40μm程度になる温度センサ用転製した｡ センサ装置外観とその内部を図４に示す｡

写紙を作製した｡ 図１にガスセンサ用転写紙及びこの試作装置はセンサのデータをRS-232Cケーブ

温度センサ用転写紙､ 図２にこれら転写紙の断面ルにてPCと接続し､ センサの抵抗値 (ガス感度､構造を示す｡ガス濃度)､ 基板温度をパソコン上でモニタリングできるよう設計したものである｡ ハイブリッド

２. ３

ハイブリッドセンサの装置試作及び総合センサの作動温度はNOxセンサとCOセンサの特評価性を相互検討した結果､ 400℃に決定し､ その時ハイブリッドセンサ素子は､ まずヒーター及びの印加電圧はDC17.0Vとした｡ また､ ガス感度特電極が印刷された専用基板上に大阪市立工業研究

性はセンサ材料の形状や電極の形状､ 作動温度で所が開発した温度センサを転写印刷､ 焼成 (N２も変化するため､ 最終確認として本装置における雰囲気中) 焼付した｡ 次に三重県科学技術振興セ

NOxセンサ特性をハイブリッドセンサ特性評価装

118

３.

研

究報

告表面(センサ部) 裏面(ヒーター)

図３

図４

表１

ハイブリッドセンサ素子外観 (左) 及びセンサ部の拡大 (右)ハイブリッドセンサの外観 (下) と内部の基板取り付け部分 (上)図５

ハイブリッドセンサにおけるNOx感度のガス濃度依存性

ハイブリッドセンサのガス感度特性 (仕様)

№

センサ種

１

NOxセンサ２COセンサ

３

温度センサ

項 目
記 号
規 格
NO 100ppmの抵抗値
Rs(NO 100)
8.0ｋ〜9.0kΩ
ガス感度比
R(NOx 100)／R(air)
6.0以上
CO選択性
S(NOx 100)／S(CO 100)
6.0以上測定可能範囲−１〜800ppmCO 100ppmの抵抗値
Rs(CO 100)
1.0k〜2.0kΩ
ガス感度比
R(air)／Ｒ(CO 100)10.0以上NOx選択性S(CO 100)／S(NOx 100)10.0以上
測定可能範囲−0.5〜500ppm
測定可能範囲
−R.T.〜800℃

作動温度

400℃

400℃

−置にて測定した｡ NOx感度のガス濃度依存性を図

工場及び事業場から排出されるNOxの排出基準濃５に示す｡ NO及びNO２ のガス感度ともガス濃度度１) (新設：60〜400ppm､ 既設：130〜600ppm)

に対して直線的な関係を示すことが確認でき､ 特をカバーしており､ 燃焼排出用のNOxセンサとしにNOは､ １〜800ppmの広範囲の測定が可能であて十分に使用できることを確認した｡

ることが分かった｡ これは､ 環境省が定めている

最後に､ この装置のセンサ仕様を表１に示す｡
119

表に示すように､ NOx濃度, CO濃度, 基板温度を会館 (四日市市：平成15年２月27日)､ 大阪市立

同時に測定可能な高性能の集積型センサを作製す

工業研究所 (大阪市：平成15年３月７日) でもそることができた｡ なお､ 本装置におけるCOセン

れぞれ開催し､ 技術紹介を行った｡ 図６に佐賀会

サ及び温度センサの詳細な特性については､ 本事場での発表会の様子を示す｡

２)

業の成果普及発表会テキストを参考されたい｡
４. まとめ３. 普及事業の遂行

今後は､ 本事業の成果を更に普及させるために本事業の普及事業の一環として平成15年２月６日に佐賀県窯業技術センターにて成果普及発表会

関連の技術指導を行い､ 関連技術の製品化を目指す｡

を開催し､ 地元企業をはじめ関係機関に広く開発技術の普及を行った｡ 当日の参加者は46名であり､(参考文献)

共同研究を行った大阪市立工業研究所､ 三重県科

１) 大気汚染防止法の概要 (環境省)

学技術振興センター及び当センターから開発した技術がそれぞれ発表され､ 活発な意見交換がなさ

http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kisei1.html
２) 平成14年度

地域ものづくり対策事業中小れた｡ 会場では本事業で試作したハイブリッドセ企業技術開発産学官連携促進事業

ンサ装置及び各種転写紙などのサンプルも展示し､セラミックスセンサの低コスト製造技術の開その紹介を行った｡ 同発表会は三重県ばんこの里

発

図６120

環境用

成果普及発表会テキスト (2003) .

成果普及発表会 (佐賀会場) の様子