JPH06288952A

JPH06288952A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH06288952A
Application number: JP7494193A
Authority: JP
Inventors: Michio Hirai; 迪夫平井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】容易に小型化でき、最良の応答速度と検出感
度が安定して得られ、検出値の再現性が高いガスセンサ
を得る。【構成】絶縁性基板１０の表面にガス検出体１１と温
度センサ１２が設けられ、この基板の裏面にガス検出体
を加熱するヒータ１６が設けられる。温度センサはチッ
プサーミスタであってガス検出体の近傍の基板表面に実
装され、ガス検出体の温度を検出する。温度センサ１２
の検出出力に基づいてガス検出体１１の温度が一定にな
るようにヒータ１６への印加電圧を制御するコントロー
ラ２０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素、一酸化炭素、ア
ルコール、炭化水素、酸素、二酸化炭素、塩素等のガス
のうち所定のガスを検出するのに適するガスセンサに関
する。更に詳しくは、温度センサと一体化されたガスセ
ンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスセンサは、ガス検出体の温度が低い
と、その検出感度が低く被検ガスに対する応答速度が遅
い。そのためガス検出体が取付けられる基板にはヒータ
が組込まれ、全体を高温度に加熱している。更にこのと
きのガス検出体の温度には、ガス検出体と被検ガスの種
類によって、検出感度が高まる最適な温度があることが
知られている。表１はその一例である。表１では、ガス
検出体が金属酸化物半導体薄膜からなる半導体ガスセン
サである場合に、その被検ガスの種類に応じた最適使用
温度を示している。

【０００３】

【表１】

【０００４】従って、ガスセンサを用いた計測により信
頼性の高い被検ガスの濃度を得るためには、ヒータの加
熱温度を正確に制御する必要がある。従来のこの種の温
度制御は、ヒータへの電力を一定に保つことにより行っ
ている。しかしガス検出体に金属酸化物半導体薄膜を用
いたガスセンサは、ガス検出感度は優れているもののガ
ス検出体がヒータの熱を受ける以外に測定雰囲気の温度
の影響を受け易く、正確な温度制御を行うことが難し
い。

【０００５】この点を解決するために、従来、温度セン
サと一体化されたガスセンサが提案されている（特開平
４−２７３０５０）。このガスセンサでは、同一基板の
表面上に同じ金属酸化物半導体薄膜で覆われた２組の対
向電極を設け、そのうちの１組の対向電極を覆った金属
酸化物半導体薄膜上にガスバリヤ性の耐熱絶縁性薄膜を
積層して被覆し、基板裏面側に薄膜状ヒータを設けてい
る。このガスセンサの金属酸化物半導体薄膜では、その
電気伝導度が薄膜の半導体的性質から被検ガスの濃度変
化に対しては勿論、温度変化に対しても変化する。一
方、雰囲気中の酸素や被検ガスとの接触が阻止されるガ
スバリヤ性の耐熱絶縁性薄膜では、その電気伝導度が被
検ガスの濃度変化に対しては変化せず、温度変化のみに
よって変化し、温度センサとして機能する。そのため、
測定雰囲気の温度が変化したときには耐熱絶縁性薄膜で
覆った方の電極出力で、金属酸化物半導体薄膜で覆った
方の電極出力を補正し、即ち温度補償する。これにより
ガスセンサの検出値は測定雰囲気の温度の影響を受け
ず、被検ガスの濃度によってのみ変化するようになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ガスセン
サに組込まれたヒータはガス検出体が表１に示されるよ
うな最適な温度になるように一定電圧が印加されるに過
ぎない。そのため、測定雰囲気の温度等によりガス検出
体自体の温度が変化したときには、上記ガスセンサの構
成では、最適な検出感度や応答速度が得られない不具合
があった。特に、被検ガスが２種類混在している場合に
は、上記２つの薄膜で温度変化を自動的に補償すると、
上記ガスセンサで２種類のガスのうちいずれかのガスを
検出したのか不明瞭になり、ガス選択性が変化又は低下
する問題点があった。また、上記ガスセンサは基板の表
面に薄膜のセンサを２個設ける必要があり、広い基板面
積を要し、小型化しにくい欠点があった。

【０００７】本発明の目的は、容易に小型化でき、温度
センサによりヒータへの印加電圧を制御してガス検出体
の温度を所定温度に保つことにより、最良の応答速度と
検出感度が安定して得られ、検出値の再現性が高いガス
センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成を図１に基づいて説明する。本発明は、
絶縁性基板１０の表面にガス検出体１１と温度センサ１
２が設けられ、この基板１０の裏面にガス検出体１１を
加熱するヒータ１６が設けられたガスセンサの改良であ
る。その特徴ある構成は、温度センサ１２がガス検出体
１１の近傍の基板１０表面に実装され、ガス検出体１１
の温度を検出するチップサーミスタである点である。ま
た、図２に示すように、本発明のガスセンサは温度セン
サ１２の検出出力に基づいてガス検出体１１の温度が一
定になるようにヒータ１６への印加電圧を制御するコン
トローラ２０を備えることが好ましい。

【０００９】

【作用】温度センサ１２としてのチップサーミスタをガ
ス検出体１１の近傍の基板１０の表面にはんだ付け等に
より実装される。これにより、ガス検出体自体の温度を
チップサーミスタ１２が検出できるとともに、ガスセン
サを小型化できる。サーミスタ１２の出力に基づいてガ
ス検出体１１の温度が一定になるようにコントローラ２
０がヒータ１６への印加電圧を制御すれば、ガス検出体
１１の温度が最良の状態に維持され、ガスセンサの応答
速度や検出感度が安定化する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳し
く説明する。図１に示すように、アルミナ、窒化アルミ
ニウム等の耐熱性と絶縁性に優れた基板１０の表面には
ガス検出体１１と温度センサ１２が設けられる。この例
では、基板１０のサイズは長さ約３ｍｍ、幅約３ｍｍ、
厚さ約０．５ｍｍである。またガス検出体１１は金属酸
化物半導体薄膜であって、膜厚が約２μｍのＳｎＯ₂薄
膜である。この薄膜は真空蒸着法、スパッタリング法、
イオンプレーティング法等により基板表面に形成され
る。１３，１４はガス検出体の電極であって、例えば金
ペーストを所定形状に印刷して形成される。温度センサ
１２はチップサーミスタであって、この例ではチップサ
ーミスタのサイズは長さ約２ｍｍ、幅約１．２５ｍｍ、
厚さ約１．２５ｍｍである。チップサーミスタはＭｎ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属の酸化物粉末か
ら作られたチップ状のセラミック素体１２ａの両端面に
Ａｇのペーストを塗布し焼付けて端子電極１２ｂ，１２
ｃを設けることにより作られる。基板表面には導電性ペ
ーストを印刷して回路パターン（図示せず）が形成さ
れ、この回路パターンには温度センサ１２の端子電極１
２ｂ，１２ｃがはんだ１５付けにより固着される。この
例では、端子電極１２ｂがガス検出体の電極１４の近傍
の回路パターンにはんだ付けされる。基板１０の裏面に
は薄膜状のヒータ１６が設けられる。このヒータ１６は
金、白金等のペーストを印刷することにより膜厚約２μ
ｍに形成される。１７，１８はヒータの電極である。ヒ
ータ１６は温度センサ１２が位置する基板裏面まで延び
て設けられる。

【００１１】図２に示すように、温度センサ１２の検出
出力はコントローラ２０に接続される。コントローラ２
０の制御出力はヒータ１６に接続される。コントローラ
２０には図示しないメモリが内蔵され、メモリにはガス
検出体１１が検出しようとするガス（被検ガス）を最適
に検出できる温度に相応した値が記憶されている。図２
において、図１と同一の符号は同一構成部品を示す。ま
た２１は負荷であり、２２はガスセンサの入力端子、２
３はその出力端子である。この測定回路では、ヒータ電
圧をＶ_H、回路入力電圧をＶ_C、負荷抵抗をＲ_L、出力電
圧をＶ_RLで表わすと、ガス検出体の抵抗Ｒ_Sは次の式で
表わされる。Ｒ_S ＝｛（Ｖ_C／Ｖ_RL）−１｝×Ｒ_L …（１）またガス検出体自体の温度をＴ_S、基板を介してヒータ
から受ける熱をＴ_H、雰囲気の温度をＴ_Fとすると、Ｔ_S
は次の式で表わされる。Ｔ_S ＝Ｔ_H − Ｔ_F …（２）ここで、温度センサ自体の温度をＴ_Tとすると、ヒータ
１６が温度センサ１２の裏側まで延びているため、Ｔ_T
は次の式で表わされる。Ｔ_T ＝Ｔ_H − Ｔ_F …（３）上記式（２）及び式（３）の関係から、温度センサ１２
の温度変化はガス検出体１１の温度変化とみなすことが
できる。

【００１２】このガスセンサで所定のガスを検出する場
合には、コントローラ２０はガス検出体１１がそのガス
を最適に検出し得る温度となるように、ヒータ１６に電
圧を印加する。測定雰囲気の変化等によりガス検出体自
体の温度が変化すると、温度センサ１２の検出値とメモ
リに記憶された基準値とに差異が生じる。コントローラ
２０はこの差異がなくなるように、ヒータ１６の印加電
圧を変更する。これにより、ガス検出体は常に所定の温
度に維持され、ガスセンサの応答速度や検出感度が安定
化する。

【００１３】なお、上記例ではガス検出体として、Ｓｎ
Ｏ₂薄膜を示したが、本発明はこの金属酸化物半導体薄
膜を含む半導体ガスセンサに限らず、前記表１に示した
他の金属酸化物半導体薄膜を含むものでもよい。また、
上記例で示した各部品のサイズは一例であって、本発明
は上記数値に限るものではない。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、温
度センサがその実装面積が極めて僅かなチップサーミス
タであって、絶縁性基板の面積を僅かに広げることで足
りるため、容易にガスセンサを小型化できる。またチッ
プサーミスタははんだ付けで固着できるため簡便に基板
に実装できる。本発明のコントローラを備えたガスセン
サによれば、従来のようにヒータに定電圧を印加せず
に、温度センサの出力に応じてガス検出体の温度を所望
の温度に設定かつ維持できるため、被検ガスを検出する
のに最適な条件に容易にかつ確実にすることができる。
この結果、最良の応答速度と検出感度がばらつくことな
く安定して得られ、検出値の再現性が高い優れたガスセ
ンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のガスセンサの断面図。

【図２】その測定回路の構成図。

【符号の説明】

１０絶縁性基板１１ガス検出体１２温度センサ１６ヒータ２０コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板(10)の表面にガス検出体(11)
と温度センサ(12)が設けられ、前記基板(10)の裏面に前
記ガス検出体(11)を加熱するヒータ(16)が設けられたガ
スセンサにおいて、前記温度センサ(12)がガス検出体(11)の近傍の前記基板
(10)表面に実装され前記ガス検出体(11)の温度を検出す
るチップサーミスタであることを特徴とするガスセン
サ。
【請求項２】温度センサ(12)の検出出力に基づいてガ
ス検出体の温度が一定になるようにヒータ(16)への印加
電圧を制御するコントローラ(20)を備えた請求項１記載
のガスセンサ。
【請求項３】ガス検出体(11)が金属酸化物半導体薄膜
である請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】ヒータ(16)が温度センサ(12)が位置する
基板(10)裏面まで延びて設けられた請求項１記載のガス
センサ。