JPH1151893A

JPH1151893A - 接触燃焼式ガスセンサ

Info

Publication number: JPH1151893A
Application number: JP21350797A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Sasahara; 隆彦笹原
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-26
Anticipated expiration: 2017-08-07
Also published as: JP3485151B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長期間使用しても劣化せず、感度の良い接触
燃焼式ガスセンサを提供する。【解決手段】検知部にヒータと測温抵抗体とをそれぞ
れ別に有することをを特徴とする接触燃焼式ガスセン
サ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可燃性ガスを検出
するための接触燃焼式ガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を図
６に示す。この図は内部の白金線を見えるようにした部
分透過斜視図である。コイル状になった細い白金線周囲
に触媒を有する多孔質アルミナ担体を配してある。この
ものは使用時には白金線に通電することにより貴金属な
どの酸化触媒を有するアルミナ担体をその触媒能に適し
た温度に保ってある。可燃性ガスがこのガスセンサに達
すると、そのアルミナ担体に配された触媒によって燃焼
し、発熱する。この時の熱変化を白金線の抵抗変化を測
定することにより、可燃性ガスの検出が可能となる。し
かしながらこのような接触燃焼式ガスセンサは熱容量が
大きいため、消費電力が大きいと云う欠点を有してい
た。このため、電池を用いた小型可燃性ガス測定装置へ
の応用に際して問題となっていた。

【０００３】このような欠点を改善するセンサとして、
特開平８−９４５６１号でシリコン半導体技術を応用し
た図７（ａ）及び（ｂ）に示すようなセンサにより低熱
容量化が計られている。すなわち、シリコン基板に酸化
シリコンからなる絶縁層を設け、その上に白金線を有
し、さらに白金線の一部表面を覆う酸化触媒を有する担
体からなる触媒層を有する。なお、白金線側は図６の接
触燃焼式ガスセンサと同じ働きをし、白金線側は熱補正
用素子として働く。なおシリコン基板には空洞部が設け
られ、測定部付近の熱容量低下を計っている。このセン
サは上述のように消費電力が小さく、小型化が容易であ
ると云った長所を有していたが、他方、使用時間が長く
なると劣化し易いと云った欠点を有していた。また、こ
のものは、可燃性ガスに対する出力が小さいと云った欠
点をも有していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、長期間使用
しても劣化せず、感度の良い接触燃焼式ガスセンサを提
供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記従来
技術に係るセンサ、特に特開平８−９４５６１号に記載
のガスセンサに注目して、その劣化原因を調べた。その
結果、このセンサの白金線は極細配線の薄膜ヒータであ
り、配線幅に比して膜厚が小さくなることから、特定の
部分において電流の集中が起こりやすく、局所的な発熱
が生じ、その結果、ヒータの高温酸化、クラック発生な
どによる抵抗変化が生じることが判った。本発明の接触
燃焼式ガスセンサは上記課題を解決するため、請求項１
に記載のように、検知部にヒータと測温抵抗体とをそれ
ぞれ別に構成として有する。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明において検知部にヒータと
測温抵抗体とをそれぞれ別に有することが必要である。
この構成により、劣化しやすく、抵抗の経時変化が大き
いヒータの影響を受けることなく、測温抵抗体により測
定することが可能である。さらに、ヒータの抵抗は消費
電力を小さくするため抵抗値の設定に制限があるが、本
発明においてはヒータと別に測温抵抗体を有するため、
測温抵抗体の電気抵抗を測定に最適な抵抗値に設定する
ことができ、従って高いガス感度を得ることができる。

【０００６】本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいて、
ヒータと測温抵抗体との間に絶縁体が配されていると、
この絶縁体により熱伝導が行われるため望ましい。この
ような絶縁体として、五酸化タンタル、シリコン窒化
物、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及び酸化ハフニウ
ムが挙げられる。なお、このうち、シリコン窒化物、炭
化ケイ素、窒化アルミニウムであると、熱伝導性が高い
ので好ましい。なお、従来の接触燃焼式ガスセンサは、
ヒータは測温抵抗体と兼用であったため、その性質上酸
化触媒を有する多孔質担体により覆われていて、通常空
気などの酸素を含む雰囲気下で加熱されていた。しか
し、本発明の接触燃焼式ガスセンサ、前述のようにヒー
タと測温抵抗体とをそれぞれ別に有するため、ヒータは
外気に接する必要がない。従って、ヒータへの外気の接
触をガス非透過性絶縁体により妨げることが可能とな
る。このような構成によることにより、ヒータ寿命を著
しく延長することができ、温度斑の発生を防止し、経年
変化を極めて小さいものとすることが可能となる。この
ようにヒータと外気との接触を妨げるガス非透過性絶縁
体として五酸化タンタル、シリコン窒化物、炭化ケイ
素、窒化アルミニウム、あるいはリン硼珪酸ガラスを用
いることが可能である。

【０００７】本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいて、
検知部の温度分布を小さくするための均熱体を有するこ
とが望ましい。この均熱体は熱伝導性に優れた材質から
なることが必要で、この働きによりセンサの検知部の温
度分布を均一なものとし、センサ感度を安定したものと
する。なお、この均熱体がボロンを拡散してなるシリコ
ン層であると、作成が容易であり、また、良好な熱伝導
性を有するため望ましい。次に本発明に係る接触燃焼式
ガスセンサの一例αについて図面を用いて説明する。

【０００８】図１（ａ）に本発明に係る接触燃焼式ガス
センサαの上面図、及び図１（ｂ）にその断面図を示し
てある。図中符号１を付して示してあるのは基板となる
シリコンであり、検知部であるダイアフラム部１ａを有
している。このダイアフラム部１ａにはシリコン酸化物
層２、ガス非透過性絶縁体であるシリコン窒化膜からな
る絶縁層３、さらにこの絶縁層３の上にはポリシリコン
（多結晶シリコン）からなるヒータ４が配されている。
なお、このセンサαではヒータの材質としてポリシリコ
ンを用いたが、その他、Ｐ⁺⁺シリコン（高濃度にｐ型不
純物を拡散した領域のシリコン）、酸化ルテニウムある
いは白金等が可能である。しかし、ポリシリコンを用い
ることにより発熱による材料の熱膨張挙動をシリコン酸
化膜の熱膨張挙動及びシリコン窒化膜の熱膨張挙動に非
常に近い物とすることができるため、ヒータ及びダイア
フラムの破壊耐性を高めることができる。

【０００９】ヒータ４と白金からなる測温抵抗体６との
間にガス非透過性絶縁体であるシリコン窒化膜からなる
絶縁層５が配されている。この絶縁膜５はヒータ４を被
覆して、外気のヒータ４への接触を妨げている。測温抵
抗体６周囲には酸化触媒としてパラジウムを有する多孔
質アルミナからなる触媒層７が配されている。

【００１０】また、酸化膜２にはボロンを拡散したシリ
コンからなる均熱体８があり、この検知部であるダイア
フラム部１ａの温度の均一化に寄与している。なおダイ
アフラム部１ａはシリコン基板１が薄くなっていて、検
知部の熱容量低下によって温度制御が容易となってい
る。このような構成により、この接触燃焼式ガスセンサ
αのヒータ４は外気との接触を妨げられているため、劣
化しにくい。さらに測温抵抗体６の電気抵抗は、ヒータ
４の電気抵抗とは別に設定できるため、被測定ガスに対
して最も感度を良好とする抵抗値にすることが可能であ
る。さらに、ヒータがある程度劣化した場合にも殆ど影
響されずに精度の高い測定が可能となる。

【００１１】このような接触燃焼式ガスセンサαは、抵
抗値Ｒｓを有するセンサＳとして、接触燃焼式ガスセン
サαと同様に、ただし、触媒層に酸化触媒を有しない温
度補償用センサＤ（電気抵抗値Ｒｄ）と共には図２に示
したようなブリッジ回路に組み込まれて使用される。

【００１２】上記接触燃焼式ガスセンサαは例えば次の
ように作製される。図３（ａ）に符号１を付して示した
ようなシリコン基板の片面を熱酸化によって酸化して酸
化膜１’を形成する（図３（ｂ）参照）。次いで、この
酸化膜１’にフォトレジスト加工法によりパターニング
して図３（ｃ）に示すように窓を開ける。この窓部にボ
ロンを気相拡散法により拡散して、均熱体８を形成する
（図３（ｄ）参照）。酸化膜１’をウェットエッチング
法により剥離させて除去し（図４（ａ）参照）、シリコ
ン基板１の均熱体８を設けた面全体を再度熱酸化により
酸化させてシリコン酸化物層２を形成する（図４（ｂ）
参照）。次いで、酸化物層２上にシリコン窒化物からな
る絶縁層３をＣＶＤ（化学的気相成長）法により形成す
る（図４（ｃ）参照）。さらに均熱体８に対応する箇所
にポリシリコンからなるヒータ４をＣＶＤ法により形成
する（図４（ｄ）参照）。

【００１３】このヒータ４を被覆するようガス非透過性
絶縁体であるシリコン窒化物からなる絶縁層５をＣＶＤ
法によって形成し（図５（ａ）参照）、この絶縁層５上
にスパッタリング法により白金製の測温抵抗体６を配す
る（図５（ｂ）参照）。次いで、測温抵抗体６を覆うよ
うに酸化触媒としてパラジウムを含む多孔質アルミナか
らなる触媒層７をパラジウムとアルミナの混合物からな
るターゲットを蒸着して設ける（図５（ｃ）参照）。な
お、ここで蒸着でなくスパッタリングでも触媒層７を得
ることができる。最後にシリコン基板を水酸化カリウム
によりエッチングして、ダイアフラム部１ａを形成す
る。なお、ここで水酸化カリウムの代わりに水酸化テト
ラメチルアンモニウムを用いても良い。このようにして
接触燃焼式ガスセンサαを得ることができる（図５
（ｄ）参照）。

【００１４】

【発明の効果】本発明において検知部にヒータと測温抵
抗体とをそれぞれ別に有するため、劣化しやすく、抵抗
の経時変化が大きいヒータの影響を受けることなく、測
温抵抗体により測定することが可能となる。さらに、ヒ
ータは消費電力を小さくするためその抵抗値の設定に制
限があるが、本発明においてはヒータと別に測温抵抗体
を有するため、測温抵抗体の電気抵抗を測定に最適な抵
抗値に設定することができ、従って高いガス感度を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例αを
示す図である。（ａ）上面図（ｂ）断面図

【図２】本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例αを
センサＳとして組み込んだ検出回路の例を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例αの
製造工程を示す図である。

【図４】本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例αの
製造工程を示す図である。

【図５】本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例αの
製造工程を示す図である。

【図６】従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を示す図で
ある。

【図７】従来の接触燃焼式ガスセンサの他の例を示す図
である。（ａ）断面図（ｂ）上面図

【符号の説明】

１シリコン基板１’ 酸化膜１ａダイアフラム部２シリコン酸化物層３絶縁層４ヒータ５絶縁層６測温抵抗体７触媒層８均熱体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検知部にヒータと測温抵抗体とをそれぞ
れ別に有することを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】上記ヒータと測温抵抗体との間に絶縁体
が配されていることを特徴とする請求項１に記載の接触
燃焼式ガスセンサ。
【請求項３】上記ヒータがガス非透過性絶縁体により
外気との接触を妨げられていることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項４】上記ガス非透過性絶縁体が五酸化タンタ
ル、シリコン窒化物、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、
及び酸化ハフニウム、リン硼珪酸ガラスより選ばれた１
つ以上よりなることを特徴とする請求項１ないし請求項
３のいずれかに記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項５】上記絶縁体が、シリコン窒化物からなる
薄膜であることを特徴とする請求項２に記載の接触燃焼
式ガスセンサ。
【請求項６】検知部の温度分布を小さくするための均
熱体を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５
に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項７】上記均熱体が、ボロンを拡散してなるシ
リコンからなるものであることを特徴とする請求項６に
記載の接触燃焼式ガスセンサ。