JP2004037225A - Gas sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve accurate measurement by relaxing or intercepting the influence of heat from a pedestal in a relatively simple structure. <P>SOLUTION: A lead pin 4 is sealed into a case 2 by glass 3 for sealing. A recess 15 for positioning is formed at the center of the upper surface of the glass 3 for sealing, and a flow detection element 6 is installed in the recess 15 via the metal pedestal 5. A groove 17 for channels is formed on an upper surface of the pedestal 5 where the flow detection element 6 is joined. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の種類、有無または流量を計測検知するガスセンサに関し、特に流量検出素子の取付構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、流体の流量や流速を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている(例:特開平4−295724号公報、特公平6−25684号公報、特開平8−146026号公報等)。
【0003】
この種のフローセンサは、温度検出手段を備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面(上面)に固着することによりセンサを構成したものが一般的であり、計測する流体の流れに対して水平になるように設置されて使用される。水平な状態に設置して使用するのは、流量検出素子の近傍に測定精度が低下する原因となる渦が発生するのを防止するためである。すなわち、渦が発生すると、温度分布が不均一になるからである。
【0004】
台座の材料としては、熱膨張係数が小さい材料、例えばガラス、セラミックス等が用いられる。また、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタイプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い材料であることが要求されることから、金属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出素子の水平設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール(Fe54%、Ni29%、Co17%の合金)が通常用いられる。
【0005】
台座の固着面に対する流量検出素子の取付け方としては、通常素子を固着面に密接して接着剤により固着している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に応力が生じるため、素子自体が破損したり電気的特性(抵抗値)が変化する。
【0006】
そこで、このような問題を解決するための方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば実開平5−18029号公報に記載された取付構造が、また応力集中の防止については例えば実開平5−18030号公報に記載された取付構造が知られている。すなわち、実開平5−18029号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとともに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一にし、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するようしたものである。このような取付構造によれば、突部と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って流下するため、部品の表面への付着を防止することができる利点がある。
【0007】
一方、前記実開平5−18030号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品との固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固着面に固着しないようにしたものである。このような取付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナー部への応力集中を防止することができる利点がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤により固着していた。しかし、このような取付構造では、固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果として、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じるからである。特に、コバールからなる金属製の台座を用い、封着用ガラスで封着したフローセンサの場合は、台座が封着用ガラスを貫通し、その一端が測定流路の外部に突出していて外部環境の温度変化を直接受け、しかも台座の熱容量、熱伝導率がガラス、セラミックス等に比べて大きいことから、流量検出素子が台座を介して外部環境の温度変化を受け易く、また流体の温度が変化したときに流量検出素子と台座の温度が流体の温度と等しくなるのに時間がかかる。
【0009】
また、流体が台座に当たると流れが乱れて流量検出素子の近傍に渦が発生するため、正確な測定ができなくなるという問題もあった。
【0010】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、比較的簡単な構造で台座からの熱的影響を緩和または遮断するとともに渦の発生を防止することができ、精度の高い測定を可能にしたガスセンサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第1の発明は、金属製のケースと、このケース内に封着ガラスを介して封着される複数本のリードピンと、前記封着ガラスの上面に配設された台座と、この台座の上に配設された温度検出素子と、この温度検出素子と前記リードピンを接続するボンディングワイヤとを備え、前記台座と前記流量検出素子との間に前記素子の下面が接する流路用溝または空隙を設け、気体の種類、有無または流量を計測検知するものである。
第1の発明において、台座は風着用ガラスの上に設置されているだけで測定流路の外部に突出していないので、外部環境の温度変化を直接受けず、外部環境の温度変化による流量検出素子への熱的影響を軽減する。
流路用溝または空隙は、台座と流量検出素子との接触面積を少なくするとともに、流体を流量検出素子の下面に接触させる。したがって、流量検出素子は台座からの熱的影響が少なく、流体の温度が急激に変化したときでも速やかに流体の温度と等しくなる。
【0012】
第2の発明は、上記第1の発明において、前記台座が熱膨張係数が小さい金属製で、流量検出素子が固着される固着面に空隙を形成したものである。
第2の発明において、台座は熱膨張係数が小さい金属製であるため、流量検出素子への熱的影響を少なくする。
【0013】
第3の発明は、上記第1または第2の発明において、前記封着用ガラスの上面に前記台座を位置決めする位置決め用凹部を形成したものである。
第3の発明において、位置決め用凹部は台座を位置決めする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明をフローセンサに適用した一実施の形態を示す外観斜視図、図2は同フローセンサの断面図、図3は流量検出素子と台座の斜視図、図4は同流量検出素子と台座の断面図である。
【0015】
これらの図において、全体を符号1で示すフローセンサは、ケース2と、このケース2内に封着用ガラス3によって封着された複数本のリードピン4と、封着用ガラス3の上面に台座5を介して設置された流量検出素子6と、前記各リードピン4と流量検出素子6を電気的に接続するボンディングワイヤ7等で構成されている。
【0016】
前記ケース2は、熱膨張係数の小さい金属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形成され、基端部外周面に環状の突起9を有するフランジ10が一体に設けられ、このフランジ10が配管12の内壁にシール部材13を介して密接され、ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。ケース2の上端には、内側に略直角に折り曲げられた環状の内フランジ14が一体に設けられている。
【0017】
前記封着用ガラス3は、前記ケース2の内部全体にわたって封着されている。封着用ガラス3の上面中央には、前記台座5を位置決めする適宜深さの位置決め用凹部15が形成されている。この位置決め用凹部15は、封着用ガラス3によってリードピン4を封着し、封着用ガラス3を固化させた後研磨加工によって形成され、底面15aがケース2の軸線と垂直な平坦面を形成している。封着用ガラス3としては、例えば融点1000℃のガラスが用いられる。
【0018】
前記リードピン4は、前記ケース2と同様にコバール等によって形成され、上端部が前記封着用ガラス3を貫通してケース2の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス3を貫通し、かつ配管12の孔16から外部に突出し、図示しない外部コードにコネクタを介して接続される。
【0019】
前記台座5は、熱膨張係数がガラスやセラミックスに近い金属、具体的にはコバールによって前記流量検出素子6と略同一の大きさからなる微小な角柱状に形成され、前記位置決め用凹部15内に挿入されて位置決めされた後接着剤によって固着されている。また、台座5の上面には、流体11の流入、通過を可能にする流路用溝17と4つの凸部18が設けられ、これらの凸部18の上面18aが前記流量検出素子6の固着面を形成している。すなわち、流量検出素子6は、凸部18の上面18aに固着されるものである。凸部18は、すべて同一高さで台座5の各角部に突設され、固着面18aが台座5の軸線に対して略垂直な平坦面に形成されている。
【0020】
前記流路用溝17は、前記台座5の上面に形成されて各辺の中央に開放する4つの開口部17aを有し、隣り合う開口部17a間の未加工部分が前記凸部18を形成されている。このような流路用溝17と凸部18は、研削加工によって容易に形成することができる。
【0021】
前記台座5の上面に形成される流路用溝17としては、図3に示した4つの開口部17aを有する溝に限らず、図5に示すように流体11の流れ方向と平行な直線状の溝であってもよい。すなわち、図5は台座5を四角形のチップ状に形成し、4つの辺のうち流体11の流れ方向と直交する2つの辺の中央に開放する直線状の流路用溝17を形成し、未加工部分を互いに平行に対向する凸部18とし、その上に流量検出素子を設置するようにしたものである。
【0022】
前記流量検出素子6は、前記台座5の固着面18aに載置され接着剤によって固着されるシリコン基板21を有している。シリコン基板21は、1辺の長さが23mm、厚さが0.5mm程度の四角形のチップ状に形成され、上面中央部に多数の微小な開口部23を有するダイアフラム24(図3の点線で囲まれた六角形の部分)が形成されている。ダイアフラム24の下方は、異方性エッチングによって空洞部25が形成されている。このような空洞部25を有するセンサチップは、特公平6−25684号公報に開示されており、従来公知である。
【0023】
前記ダイアフラム24の上面には傍熱型の温度検出手段30を構成する1つの発熱体(抵抗ヒータ)31と、2つの温度センサ32A,32Bが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さらに、シリコン基板21の上面外周部には、複数の電極パッド33と配線用金属薄膜34が薄膜成形技術により前記発熱体31、温度センサ32A,32Bの形成と同時に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基板21の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、発熱体31と温度センサ32A,32Bが電極パッド33に配線用金属薄膜34を介してそれぞれ電気的に接続されている。また、各電極パッド33は、前記リードピン4にボンディングワイヤ7を介して電気的に接続されている。
【0024】
前記2つの温度センサ32A,32Bは、発熱体31を挟んで流体11の上流側と下流側にそれぞれ配列されている。発熱体31のパターン幅は10〜15μm、温度センサ32A,32Bのパターン幅は5〜10μmである。
【0025】
このような流量検出素子7を備えたガスセンサ1は、配管12内に流量検出素子6の上面が流体11の流れ方向(矢印方向)と平行になるように取付けられる。また、取付けに際しては、流体11の流れを乱さないようにするために流路用溝17が流体11の流れ方向と一致するように取付ける。図3に示した4つの開口部17aを有する流路用溝17の場合は、互いに対向する2つの開口部17aが流体11の流れ方向と平行になるように、配管12内に取付けることが望ましい。
【0026】
このような構造からなるフローセンサ1において、通電によって発熱体31を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体11を図3の矢印方向に流すと、発熱体31の上流側温度センサ32Aと下流側温度センサ32Bの間に温度差が生じるので、図6に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または抵抗値差を検出することにより、流体11の流速または流量を計測することができる。
【0027】
ここで、図6に示す回路は2つの温度センサ32A,32Bを含むブリッジ回路を用いて電圧出力を供給するものである。この場合、2つの温度センサ32A,32Bを用いているので、流体11の流れの方向を検出することができる利点がある。すなわち、流体11は発熱体31によって暖められるため、発熱体31より上流側に位置する温度センサ32Aと下流側に位置する温度センサ32bとに温度差が生じ、これによって流体11の流れ方向が判別される。なお、R1 ,R2 は抵抗、OPはオペアンプである。
【0028】
上記した構造からなるフローセンサ1によれば、金属製の台座5の上面に流路用溝17を形成しているので、台座5と流量検出素子6との接触面積を小さくすることができる。したがって、台座5の温度による影響を軽減することができる。また、台座5は封着用ガラス3の上面に設置されており、配管12の外部に突出していないので、外部環境の温度によって台座5の温度が直接変化することがなく、流量検出素子6に対する熱的影響を軽減することができる。したがって、精度の高い流量測定を行うことができる。また、流量検出素子6は、上面のみならず下面も流体11に接しているので、流体11の温度が急激に変化したときでも、これに追従して速やかに流体11の温度と等しくなり、より一層精度の高い測定を行うことができる。
【0029】
図7は本発明を水素ガスセンサに適用した実施の形態を示す斜視図である。
同図において、水素ガスセンサ40は基板41の表面に設けた触媒金属膜42と、熱電変換材料膜43とを備え、これらの膜42,43をリードピン4、4にボンディングワイヤ7を介してそれぞれ接続している。触媒金属膜42は水素ガスと触媒反応を起こす材料として白金触媒膜が用いられ、スパッタリング法によって形成されている。熱電変換材料とは、温度勾配をベーベック効果により電圧に変換する材料であり、例えばリチウムを添加した酸化ニッケルが用いられ、スクリーン印刷法によって熱電変換材料膜43を形成している。
【0030】
前記基板41は台座5上に設置されており、この台座5の基板41との接合面には外部からの熱伝達を防止するため空隙44が形成されている。2はケース、3は封着用ガラスである。
【0031】
このような構造からなる水素ガスセンサ40において、水素ガスが白金触媒膜42に接触すると、触媒反応を起こし白金触媒膜42が発熱する。この発熱により発生する局部的な温度差を熱電変換材料膜43により電圧信号に変換することで水素ガスを検知することができる。また、水素ガス濃度が高くなると電圧信号も高くなるため、水素の濃度センサとしても用いられる。
【0032】
なお、図1に示した実施の形態においては、発熱体31から出た熱による流体11の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサ32A,32Bで検出する傍熱型のセンサを示したが、これに限らず流体11により発熱体31の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。また、温度センサは2つに限らず、1つであってもよい。要するに、流量検出素子6としては、流量または流速を計測し得るものであれば何でもよい。
また、上記した実施の形態においては、封着用ガラス3の上面に位置決め用凹部15を形成した例を示したが、これは必ずしも必要ではなく、上面全体を研磨加工によって平坦面に形成し、その上に流量検出素子6を接合してもよい。
さらに、台座5および流量検出素子6としては、四角形のものに限らず、円形に形成されるものであってもよい。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るガスセンサによれば、流路用溝または空隙の形成によって流量検出素子に対する台座からの熱的影響を軽減することができるので、測定精度を向上させることができる。
また、フローセンサに用いた場合は、流量検出素子は流路用溝の形成により流体との接触面積が増大するため、瞬時の流体の温度変化にも対応でき、一層精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガスセンサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図2】同ガスセンサの断面図である。
【図3】流量検出素子と台座の斜視図である。
【図4】流量検出素子と台座の断面図である。
【図5】流路用溝の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図6】流量検出素子の電気回路図である。
【図7】本発明を水素ガスセンサに適用した実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…ガスセンサ、2…ケース、3…封着用ガラス、4…リードピン、5…台座、6…流量検出素子、7…ボンディングワイヤ、11…流体、15…位置決め用凹部、17…流路用溝、18…凸部、21…シリコン基板、30…温度検出手段、31…発熱体、32A,32B…温度センサ、40…水素ガスセンサ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor for measuring and detecting the type, presence or absence, or flow rate of a gas, and more particularly to a mounting structure for a flow rate detection element.
[0002]
[Prior art]
For example, various types of thermal flow sensors for measuring the flow rate and flow velocity of a fluid have been conventionally proposed (eg, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-295724, 6-25684, and 8-146,026). Gazette).
[0003]
This type of flow sensor generally has a sensor formed by fixing a chip-shaped flow rate detecting element provided with a temperature detecting means to a fixing surface (upper surface) of a pedestal. It is installed and used horizontally. The reason for installing and using in a horizontal state is to prevent the generation of a vortex in the vicinity of the flow rate detecting element, which causes a decrease in measurement accuracy. That is, when a vortex is generated, the temperature distribution becomes non-uniform.
[0004]
As the material of the pedestal, a material having a small coefficient of thermal expansion, for example, glass, ceramics or the like is used. Further, in a sensor of a type in which a pedestal is sealed in a case by glass for sealing, a metal pedestal is used because a material having a melting point higher than that of glass for sealing is required. This also ensures horizontal installation of the flow detection element. As a material of the metal pedestal, Kovar (an alloy of 54% of Fe, 29% of Ni, and 17% of Co) having a thermal expansion coefficient close to that of glass or ceramics is usually used.
[0005]
As a method of attaching the flow rate detecting element to the fixing surface of the pedestal, the element is usually fixed closely to the fixing surface with an adhesive. At this time, if the adhesive adheres to the surface of the flow rate detecting element, the element becomes defective. In addition, if the temperature of the external environment changes irrespective of the quality of bonding, stress will be generated at the corners of the flow detection element due to the difference in the thermal expansion coefficient between the pedestal and the flow detection element. (Resistance value) changes.
[0006]
Therefore, as one method for solving such a problem, for example, the mounting structure described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-18029 is used for preventing the adhesion of the adhesive, and for preventing the concentration of stress, for example, Japanese Patent Laid-Open No. An attachment structure described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-103030 is known. That is, in the mounting structure described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-18029, a protrusion is provided in a fixing area of a component such as a semiconductor bare chip, and an upper surface of the protrusion is used as a fixing surface of the component. The shape of the upper surface is made substantially the same as the fixing surface of the component, and the component is fixed to the upper surface of the projection with an adhesive. According to such a mounting structure, since the adhesive flowing out from between the projection and the component flows down along the side surface of the projection, there is an advantage that adhesion to the surface of the component can be prevented.
[0007]
On the other hand, in the mounting structure described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-18030, a surface for fixing a component such as a semiconductor bare chip is formed so as to avoid a corner portion of the component, and the component is fixed to the fixing surface. Things. That is, the fixing surface is formed smaller than the component so that the corner of the component is not fixed to the fixing surface. According to such a mounting structure, when the temperature of the external environment changes, the stress generated in the component due to the difference in the thermal expansion coefficient is dispersed, and there is an advantage that the concentration of the stress on the corner portion can be prevented.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, the fixing surface of the pedestal is formed as a flat surface that is substantially the same as or slightly smaller than the component, and the component is closely adhered to the fixing surface with an adhesive. However, such a mounting structure has a problem that the bonding area between the fixing surface and the component is large, so that it is easily affected by the heat from the pedestal, and high-precision measurement cannot be performed. That is, when the temperature of the pedestal changes in accordance with the temperature change of the external environment, the temperature of the flow rate detecting element also changes due to heat conduction and differs from the actual temperature of the fluid. As a result, the resistance value of the temperature detecting means changes the flow rate. This is because it changes with the temperature change of the element itself, and an error occurs in the flow measurement value. In particular, in the case of a flow sensor sealed with a sealing glass using a metal pedestal made of Kovar, the pedestal penetrates the sealing glass, and one end thereof protrudes outside the measurement flow path, and the temperature of the external environment is increased. The flow rate detection element is easily affected by temperature changes in the external environment through the pedestal, and when the fluid temperature changes, because the pedestal is directly affected by the change and the heat capacity and thermal conductivity of the pedestal are larger than those of glass, ceramics, etc. In addition, it takes time for the temperature of the flow detecting element and the base to become equal to the temperature of the fluid.
[0009]
Further, when the fluid hits the pedestal, the flow is disturbed and a vortex is generated in the vicinity of the flow rate detecting element, so that there is a problem that accurate measurement cannot be performed.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to reduce or eliminate the thermal influence from the pedestal and prevent the generation of vortices with a relatively simple structure. To provide a gas sensor capable of performing highly accurate measurement.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a metal case, a plurality of lead pins sealed in the case via sealing glass, and a plurality of lead pins disposed on an upper surface of the sealing glass. A pedestal, a temperature detecting element disposed on the pedestal, and a bonding wire connecting the temperature detecting element and the lead pin, wherein a lower surface of the element is in contact between the pedestal and the flow rate detecting element A channel or a gap is provided for measuring and detecting the type, presence or absence, or flow rate of gas.
In the first invention, since the pedestal is placed only on the windshield glass and does not protrude outside the measurement flow path, the pedestal is not directly subjected to the temperature change of the external environment, and the flow rate detecting element due to the temperature change of the external environment. Reduce thermal effects on
The flow channel grooves or voids reduce the contact area between the pedestal and the flow detection element and allow the fluid to contact the lower surface of the flow detection element. Therefore, the flow rate detecting element has little thermal influence from the pedestal, and quickly becomes equal to the temperature of the fluid even when the temperature of the fluid changes rapidly.
[0012]
According to a second aspect, in the first aspect, the pedestal is made of a metal having a small thermal expansion coefficient, and a gap is formed in a fixing surface to which the flow rate detecting element is fixed.
In the second aspect, the pedestal is made of metal having a small coefficient of thermal expansion, so that the pedestal has less thermal influence on the flow rate detecting element.
[0013]
According to a third aspect, in the first or second aspect, a positioning recess for positioning the pedestal is formed on an upper surface of the sealing glass.
In the third invention, the positioning recess positions the pedestal.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the drawings.
FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment in which the present invention is applied to a flow sensor, FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow sensor, FIG. 3 is a perspective view of a flow detecting element and a pedestal, and FIG. It is sectional drawing of a pedestal.
[0015]
In these figures, a flow sensor indicated by a reference numeral 1 is composed of a case 2, a plurality of lead pins 4 sealed in the case 2 by a sealing glass 3, and a pedestal 5 on the upper surface of the sealing glass 3. It comprises a flow detecting element 6 installed via a bonding wire 7 for electrically connecting each of the lead pins 4 to the flow detecting element 6.
[0016]
The case 2 is formed of a metal having a small coefficient of thermal expansion, for example, Kovar or the like, into a cylindrical body whose both ends are open, and a flange 10 having an annular projection 9 is provided integrally on a base end outer peripheral surface. It is closely attached to the inner wall of the pipe 12 via a seal member 13 and is fixed by screws, an adhesive, welding, or the like. At the upper end of the case 2, an annular inner flange 14 bent inward at a substantially right angle is integrally provided.
[0017]
The sealing glass 3 is sealed over the entire inside of the case 2. In the center of the upper surface of the sealing glass 3, a positioning recess 15 having an appropriate depth for positioning the pedestal 5 is formed. The positioning recess 15 is formed by sealing the lead pin 4 with the sealing glass 3, solidifying the sealing glass 3, and then polishing the same, so that the bottom surface 15 a forms a flat surface perpendicular to the axis of the case 2. I have. As the sealing glass 3, for example, glass having a melting point of 1000 ° C. is used.
[0018]
The lead pin 4 is formed of Kovar or the like in the same manner as the case 2, has an upper end portion penetrating the sealing glass 3 and protruding above the case 2, a lower end portion also penetrating the sealing glass 3, and a pipe. It protrudes out of the twelve holes 16 and is connected to an external cord (not shown) via a connector.
[0019]
The pedestal 5 is formed of a metal having a thermal expansion coefficient close to that of glass or ceramics, specifically, Kovar, in the form of a small prism having substantially the same size as the flow rate detecting element 6. After being inserted and positioned, it is fixed by an adhesive. On the upper surface of the pedestal 5, a flow channel groove 17 for allowing the fluid 11 to flow and pass therethrough and four convex portions 18 are provided, and the upper surface 18a of these convex portions 18 is fixed to the flow rate detecting element 6. Forming a surface. That is, the flow rate detecting element 6 is fixed to the upper surface 18 a of the projection 18. The protrusions 18 are all protruded from the corners of the pedestal 5 at the same height, and the fixing surface 18 a is formed as a flat surface substantially perpendicular to the axis of the pedestal 5.
[0020]
The channel groove 17 has four openings 17a formed on the upper surface of the pedestal 5 and opened at the center of each side, and the unprocessed portion between the adjacent openings 17a forms the convex portion 18. Have been. Such channel grooves 17 and convex portions 18 can be easily formed by grinding.
[0021]
The flow channel groove 17 formed on the upper surface of the pedestal 5 is not limited to the groove having the four openings 17a shown in FIG. 3, but a straight line parallel to the flow direction of the fluid 11 as shown in FIG. Groove may be used. That is, in FIG. 5, the pedestal 5 is formed in the shape of a square chip, and a straight channel groove 17 which is open at the center of two sides of the four sides orthogonal to the flow direction of the fluid 11 is formed. The processing portion is a convex portion 18 facing in parallel with each other, and the flow rate detecting element is disposed thereon.
[0022]
The flow rate detecting element 6 has a silicon substrate 21 mounted on the fixing surface 18a of the pedestal 5 and fixed by an adhesive. The silicon substrate 21 is formed in a square chip shape having a side length of 23 mm and a thickness of about 0.5 mm, and has a diaphragm 24 having a large number of minute openings 23 in the center of the upper surface (indicated by a dotted line in FIG. 3). (A hexagonal part enclosed). A cavity 25 is formed below the diaphragm 24 by anisotropic etching. A sensor chip having such a cavity 25 is disclosed in Japanese Patent Publication No. 6-25684 and is conventionally known.
[0023]
On the upper surface of the diaphragm 24, one heating element (resistance heater) 31 and two temperature sensors 32A and 32B constituting the indirectly heated temperature detecting means 30 are formed by a known thin film forming technique. Further, a plurality of electrode pads 33 and a wiring metal thin film 34 are formed on the outer peripheral portion of the upper surface of the silicon substrate 21 at the same time when the heating element 31 and the temperature sensors 32A and 32B are formed by a thin film forming technique. For example, a material such as platinum is vapor-deposited on the surface of the electric insulating film formed on the surface of the silicon substrate 21 and etched by a predetermined pattern. Are electrically connected to each other through a metal thin film 34 for use. Each electrode pad 33 is electrically connected to the lead pin 4 via a bonding wire 7.
[0024]
The two temperature sensors 32 </ b> A and 32 </ b> B are arranged upstream and downstream of the fluid 11 with the heating element 31 interposed therebetween. The pattern width of the heating element 31 is 10 to 15 μm, and the pattern width of the temperature sensors 32A and 32B is 5 to 10 μm.
[0025]
The gas sensor 1 including such a flow detecting element 7 is mounted in a pipe 12 such that the upper surface of the flow detecting element 6 is parallel to the flow direction of the fluid 11 (the direction of the arrow). In addition, when mounting, the flow channel groove 17 is mounted so as to coincide with the flow direction of the fluid 11 so as not to disturb the flow of the fluid 11. In the case of the flow channel groove 17 having four openings 17a shown in FIG. 3, it is desirable to mount the inside of the pipe 12 so that the two openings 17a facing each other are parallel to the flow direction of the fluid 11. .
[0026]
In the flow sensor 1 having such a structure, if the fluid 11 is caused to flow in the direction of the arrow in FIG. 3 while the heating element 31 is heated to a certain higher temperature than the ambient temperature by energization, the upstream temperature of the heating element 31 Since a temperature difference occurs between the sensor 32A and the downstream temperature sensor 32B, the flow rate or the flow rate of the fluid 11 can be measured by detecting the voltage difference or the resistance value difference by a bridge circuit as shown in FIG. it can.
[0027]
Here, the circuit shown in FIG. 6 supplies a voltage output using a bridge circuit including two temperature sensors 32A and 32B. In this case, since the two temperature sensors 32A and 32B are used, there is an advantage that the flow direction of the fluid 11 can be detected. That is, since the fluid 11 is warmed by the heating element 31, a temperature difference occurs between the temperature sensor 32A located on the upstream side of the heating element 31 and the temperature sensor 32b located on the downstream side, whereby the flow direction of the fluid 11 is determined. Is done. R1 and R2 are resistors, and OP is an operational amplifier.
[0028]
According to the flow sensor 1 having the above-described structure, since the flow channel groove 17 is formed on the upper surface of the metal pedestal 5, the contact area between the pedestal 5 and the flow rate detecting element 6 can be reduced. Therefore, the influence of the temperature of the pedestal 5 can be reduced. Further, since the pedestal 5 is installed on the upper surface of the sealing glass 3 and does not protrude outside the pipe 12, the temperature of the pedestal 5 does not directly change due to the temperature of the external environment, and the heat to the flow rate detecting element 6 is not changed. Impact can be reduced. Therefore, highly accurate flow measurement can be performed. Also, since the flow rate detecting element 6 is in contact with the fluid 11 not only on the upper surface but also on the lower surface, even when the temperature of the fluid 11 changes suddenly, the temperature of the fluid 11 immediately becomes equal to the temperature of the fluid 11, and More accurate measurement can be performed.
[0029]
FIG. 7 is a perspective view showing an embodiment in which the present invention is applied to a hydrogen gas sensor.
In the figure, a hydrogen gas sensor 40 includes a catalytic metal film 42 provided on the surface of a substrate 41 and a thermoelectric conversion material film 43, and these films 42, 43 are connected to lead pins 4, 4 via bonding wires 7, respectively. are doing. The catalyst metal film 42 is formed by a sputtering method using a platinum catalyst film as a material that causes a catalytic reaction with hydrogen gas. The thermoelectric conversion material is a material that converts a temperature gradient into a voltage by the Bebeck effect. For example, nickel oxide to which lithium is added is used, and the thermoelectric conversion material film 43 is formed by a screen printing method.
[0030]
The substrate 41 is mounted on the pedestal 5, and a gap 44 is formed on a joint surface of the pedestal 5 with the substrate 41 to prevent external heat transfer. 2 is a case, 3 is sealing glass.
[0031]
In the hydrogen gas sensor 40 having such a structure, when hydrogen gas comes into contact with the platinum catalyst film 42, a catalytic reaction occurs and the platinum catalyst film 42 generates heat. Hydrogen gas can be detected by converting a local temperature difference generated by the heat generation into a voltage signal by the thermoelectric conversion material film 43. Further, as the hydrogen gas concentration increases, the voltage signal also increases, so that it is also used as a hydrogen concentration sensor.
[0032]
In the embodiment shown in FIG. 1, the spatial temperature distribution of the fluid 11 due to the heat generated from the heat generating element 31 causes a bias due to the flow, and the indirectly heated type is detected by the temperature sensors 32A and 32B. Although the sensor is shown, the invention is not limited thereto, and a self-heating type sensor that detects a change in electric power or a change in resistance due to deprivation of heat of the heating element 31 by the fluid 11 and detects a flow rate or a flow velocity may be used. . The number of temperature sensors is not limited to two, but may be one. In short, the flow rate detecting element 6 may be anything that can measure the flow rate or the flow velocity.
Further, in the above-described embodiment, an example in which the positioning concave portion 15 is formed on the upper surface of the sealing glass 3 is shown. However, this is not always necessary, and the entire upper surface is formed into a flat surface by polishing. The flow rate detecting element 6 may be joined thereon.
Further, the pedestal 5 and the flow rate detecting element 6 are not limited to the square shape, but may be formed in a circular shape.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the gas sensor according to the present invention, the thermal influence from the pedestal on the flow rate detecting element can be reduced by forming the flow channel or the gap, so that the measurement accuracy can be improved.
Also, when used in a flow sensor, the flow rate detection element increases the contact area with the fluid due to the formation of the flow channel groove, so it can respond to instantaneous changes in the temperature of the fluid and perform more accurate measurement. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment of a gas sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the gas sensor.
FIG. 3 is a perspective view of a flow detecting element and a base.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a flow rate detection element and a pedestal.
FIG. 5 is a perspective view showing another embodiment of the channel groove.
FIG. 6 is an electric circuit diagram of a flow detection element.
FIG. 7 is a perspective view showing an embodiment in which the present invention is applied to a hydrogen gas sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas sensor, 2 ... Case, 3 ... Sealing glass, 4 ... Lead pin, 5 ... Pedestal, 6 ... Flow detecting element, 7 ... Bonding wire, 11 ... Fluid, 15 ... Positioning recess, 17 ... Channel groove, 18: convex portion, 21: silicon substrate, 30: temperature detecting means, 31: heating element, 32A, 32B: temperature sensor, 40: hydrogen gas sensor.

Claims (3)

金属製のケースと、このケース内に封着ガラスを介して封着される複数本のリードピンと、前記封着ガラスの上面に配設された台座と、この台座の上に配設された温度検出素子と、この温度検出素子と前記リードピンを接続するボンディングワイヤとを備え、
前記台座と前記流量検出素子との間に前記素子の下面が接する流路用溝または空隙を設け、気体の種類、有無または流量を計測検知することを特徴とするガスセンサ。
A metal case, a plurality of lead pins sealed in the case via sealing glass, a pedestal disposed on the upper surface of the sealing glass, and a temperature disposed on the pedestal. A detecting element, and a bonding wire connecting the temperature detecting element and the lead pin;
A gas sensor, characterized in that a flow channel groove or a gap where the lower surface of the element is in contact is provided between the pedestal and the flow rate detection element, and the type, presence or absence, or flow rate of gas is measured and detected.
請求項1記載のガスセンサにおいて、
前記台座が熱膨張係数が小さい金属製で、流量検出素子が固着される固着面に空隙を形成したことを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
A gas sensor, wherein the pedestal is made of metal having a small coefficient of thermal expansion, and a gap is formed in a fixing surface to which the flow rate detecting element is fixed.
請求項1または2記載のガスセンサにおいて、
前記封着用ガラスの上面に前記台座を位置決めする位置決め用凹部を形成したことを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1, wherein
A gas sensor, wherein a positioning recess for positioning the pedestal is formed on an upper surface of the sealing glass.
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