JP2004093474A - シリコン製マイクロセンサ - Google Patents

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Shogo Hamaya
濱谷 正吾
Shunsuke Maeda
前田 俊介
Hayato Ishiguro
石黒 隼人
Yoshihiko Yukimura
幸村 由彦
Takio Kojima
小島 多喜男
Takafumi Oshima
大島 崇文
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

【課題】接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、水分などを含む被測定ガスを測定した場合にも、漏電などにより特性の低下を生じないこと。
【解決手段】接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、素子ケース41の測定室43b内に設けられており、検出素子50に設けた触媒膜53bで可燃性ガスを酸化することにより、検知用ヒータ53aの電気抵抗の変化に基づいて検出信号を出力する。検出素子50の検出信号は、信号線57により外部回路に接続される。信号線57は、仕切部58aにより検出部53への流入が防止されるように封止材58bにより被覆されて、漏電を防止している。
【選択図】    図8

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ガス(例えば、一酸化炭素、炭化水素系ガス、水素等の可燃性ガス等)の濃度測定や漏洩検知、または流体の流量・流速を検出する流量センサ、あるいは圧力センサ等に用いられ、シリコン製基板にマイクロマシニング技術を適用することにより形成されたセンサ(以下、シリコン製マイクロセンサという。)に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のシリコン製マイクロセンサとして、マイクロマシニング技術を用いることにより、シリコン基板上にダイアフラム構造を設け、そのダイアフラム上に検出素子を形成したものが知られている。一例として、ヒータと、ヒータによって加熱される触媒とを具備する検出素子を備え、可燃性ガスを該触媒で燃焼させたときに生じる熱によるヒータの電気抵抗値の変化に基づいて、可燃性ガスの濃度を測定する構成を有する接触燃焼式可燃性ガスセンサが知られている(例えば、特許文献1)。このようなガスセンサは、通常、絶縁被覆をしていないAuワイヤ等の信号線を用いて、検出素子の接続用端子と外部回路に接続されている端子とを電気的に接続することが行われている。
【特許文献1】
特開昭56−18750号公報
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ガスセンサは、その使用環境によって、被測定ガス中に水分が含まれていたり、直接、水がかかる場所に設置されたりすることがある。その場合、従来のガスセンサでは、信号線などに結露や被水が発生することによって、信号線間などで漏電などが生じ、ガスセンサの特性を低下させるという問題があった。
【0004】
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するものであり、水分などを含む被測定ガスを測定する場合や結露が発生しやすい環境下においても、信号線などに結露や被水を発生することを効果的に防止し、漏電などにより特性の低下を生じないシリコン製マイクロセンサを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するためになされた本発明は、
検出信号を導電部を通じて出力する検出部を有する検出素子と、
上記検出素子を支持するとともに、外部回路に接続される素子用端子を有する素子ケースと、
上記検出素子の上記導電部と上記素子用端子とを接続し、上記検出部の上記検出信号を取り出す信号線と、
上記検出部と上記素子用端子との間に配置された仕切部と、
少なくとも上記信号線が配置された領域において、該信号線を被覆するように流動性を有する絶縁性樹脂材料を充填し硬化させた封止材と、
を備え、
上記仕切部は、上記封止材を形成することとなる上記絶縁性樹脂材料が、上記検出部へ流入することを阻止するように形成されていることを特徴とする。
【0006】
本発明において、検出素子からの検出信号は、信号線により外部回路に取り出されるが、信号線が配置された領域は流動性を有した絶縁性樹脂材料を充填・硬化させることにより封止されている。したがって、被測定ガスが多湿であるために結露したり、被水したりしても信号線間等がショートを起こすことがない。
【0007】
上記封止材は、流動性を有した絶縁性樹脂材料を用いているから、信号線の周囲、特に信号線と検知素子、あるいは素子ケースとの間に形成される間隙にも十分に流れ込んで、その下部付近に空隙を形成しない。よって、その空隙に水などが侵入して絶縁性を損なうこともない。また、封止材を形成することとなる絶縁性樹脂材料は、仕切部により堰き止められるから、検出素子の検出部上に流れ込んで、検出機能を損なうこともない。なお、仕切部は、封止材を形成することとなる絶縁性樹脂材料を検出部へ流入するのを防止できる構成であればよく、その材質は導体、半導体、及び絶縁体のいずれでもよい。ただし、仕切部が複数の信号線、複数の導電部、あるいは複数の素子用端子等と接触するように形成される場合は、絶縁性の仕切部とする必要がある。
【0008】
ここで、上記仕切部は、絶縁性樹脂材料を充填する前に、絶縁性材料から予め形成された板材を検出素子上に配置する構成や、封止材を形成することとなる絶縁性樹脂材料より高粘度の他の絶縁性樹脂材料を硬化させ配設する構成とすることができる。また、封止材を形成することとなる絶縁性樹脂材料と仕切部を形成することとなる他の絶縁性樹脂材料とが同種の樹脂材料とすることができる。このようにすることで、硬化阻害の発生を抑えることができるとともに、封止材が仕切部に確実に溶着することで、その間の空隙の発生を防止する。さらに、封止材により信号線を完全に被覆するために、仕切部の最上端が信号線の最上端よりも高くなるように設置することが好ましい。なお、このような構成は、一つの仕切部で実現することもできるし、多数の仕切部を多段に積層することで実現することもできる。
【0009】
さらに、本発明の好適な態様として、上記素子ケースは、上記検出素子を設置するための取付凹所を備え、上記検出素子が上記取付凹所に装着されたときに、上記検出素子の上記導電部と上記素子用端子とがほぼ同一面になるように、上記検出素子および上記取付凹所が形成されている構成をとることができる。この構成によると、検出素子は、素子ケースに形成された取付凹所に収納されて、検出素子の導電部と素子ケースの素子用端子とがほぼ同一面になっているので、信号線を封止材で容易に被覆することができる。なお、上記ほぼ同一面とは全くの同一面に限らず、導電部の表面と素子用端子の表面との段差が0.2mm以下のものも含まれる。
【0010】
上記検出素子は、接着剤によりシールされた状態にて上記素子ケースの上記取付凹所に固定する構成をとることができる。これにより、検出素子と取付凹所との間の空隙から封止材となる絶縁性樹脂材料等が検出素子の検出部裏面に流れ込むことを防止することができる。
【0011】
本発明のシリコン製マイクロセンサは、燃料電池ユニットに設置することができる。特に、燃料電池ユニットにおいて、湿度の高い箇所における水素の漏れを検出するセンサに適用することができる。固体高分子型燃料電池では電解質に水分を導入している。このため、水分を電解質まで導く水分導入部に設置されたシリコン製マイクロセンサは、検出素子等が結露しやすい状態にあるが、本発明のシリコン製マイクロセンサでは信号線が封止されているため信号線間等でショートする不具合を防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例にかかる接触燃焼式可燃性ガスセンサ10をパイプPDに取り付けた状態を示す縦断面図である。この接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、可燃性ガスの燃焼に伴って電気抵抗値が変化することを利用して可燃性ガスの濃度を検出するセンサであり、例えば、自動車の燃料電池ユニットに搭載され、水素の漏れを測定する目的などに用いられる。
【0013】
(A) 接触燃焼式可燃性ガスセンサ10の全体構成
接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、センサケース20と、このセンサケース20の開口を覆うカバー30と、センサケース20内に収納された検出素子組立体40と、ガス流路機構70と、検出素子組立体40の上部に配置される回路基板80とを備えている。この接触燃焼式可燃性ガスセンサ10の構成により、ガス流路機構70に被測定ガスが入ると、検出素子組立体40を構成する検出素子の触媒で被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させて、その燃焼に伴う電気抵抗値の変化に基づいて可燃性ガスの検知およびその濃度を測定する。
【0014】
(B) センサケース20の構成
センサケース20は、合成樹脂を成形したものであり、ケース本体22と、ケース本体22の下部中央に形成された流路形成部23と、ケース本体22の側部に形成され外部給電するためのコネクタ27とを備え、これらを一体に樹脂成形している。ケース本体22は、検出素子組立体40を収納するためのセンサ収納部22aと、回路基板80を収納するための回路収納部22bとを備えている。流路形成部23には、装填室25が形成されている。この装填室25に、可燃性ガスを導入および排出するガス流路機構70が収納されている。
【0015】
(C) 検出素子組立体40
図2は検出素子組立体40の断面図、図3は検出素子組立体40の斜視図である。検出素子組立体40は、素子ケース41と、この素子ケース41に取り付けられた検出素子50と、ヒータ60と、を備えている。
【0016】
(C)−1 素子ケース41の構成
図4は素子ケース41を示す斜視図である。素子ケース41は、ケース基板42と、ケース基板42から突設された円筒状の測定室形成部43とを備え、樹脂により一体形成されている。測定室形成部43により囲まれた凹状部の底面は、検出素子50(図2参照)を取り付けるための取付面43aになっている。また、測定室形成部43の内側スペースは、被測定ガスを導入するための測定室43bになっている。図2に示すように、取付面43aには、検出素子50を取り付けるための取付凹所42aおよび取付凹所42aからさらに深く形成された溝42bがそれぞれ形成されている。検出素子50は、取付凹所42aにパッキン48を介して装着されるとともに、クランプ49によりネジ止めされることにより取付面43aに固定されている。この状態では、検出素子50は、該検出素子50の上面が取付面43aとほぼ同一面になっている。
【0017】
素子ケース41には、検出素子50およびヒータ60にそれぞれ接続するための端子が設けられている。すなわち、図4に示すように、取付面43a上の取付凹所42aの一側面近傍には、検出素子50と電気的に接続される素子用端子45が形成され、また、測定室形成部43の内側の4隅には、上面が端子面46aとなるヒータ用端子46がそれぞれ形成されている。
【0018】
素子ケース41のケース基板42の4隅には、センサケース20に固定するためのネジ穴42cが形成されている。測定室形成部43の外周部には、後述するガス流路との間をシールするパッキン44が外装されている。
【0019】
(C)−2 検出素子50
(C)−2−1 検出素子50の構成
図5は検出素子50の検出部53および参照部54の配設状態を説明するための模式平面図、図6は検出部53および参照部54の配設状態を説明するための模式断面図である。検出素子50は、シリコン製基板51と、絶縁薄膜52と、検出部53と、参照部54と、絶縁保護膜55とを備えている。
【0020】
検出部53は、検知用ヒータ53a、触媒膜53bおよび電極56a,56bから構成されている。参照部54は、参照用ヒータ54aおよび電極56b,56cから構成されている。シリコン製基板51は、縦が3mm、横が5mmのシリコン製の平板である。また、検知用ヒータ53a及び参照用ヒータ54aの下方に位置する部位には、検出素子50の熱容量を小さくするための空隙部である凹所51a,51bが形成されている。絶縁薄膜52は、シリコン製基板51を酸化することによって形成される酸化膜、CVD等によって形成された窒化硅素膜、窒化膜、酸窒化膜、Ta膜及びこれらの積層膜等によって構成される。また、絶縁薄膜52の裏面側の大部分は、シリコン製基板51と接しているが、凹所51a,51bの部位においては露出している。
【0021】
検知用ヒータ53a及び参照用ヒータ54aは、絶縁薄膜52の表面に形成されている。また、検知用ヒータ53aおよび参照用ヒータ54aは、通常、同じ材料から構成され、Pt、Ni−Cr、Au及びCr等の正の温度抵抗係数が大きい導電体によって形成されている。
【0022】
また、検知用ヒータ53aの上方には触媒膜53bが形成されている。触媒膜53bは、可燃性ガスの燃焼を促す触媒であり、対象となる可燃性ガスによって適宜材質を選択することができる。さらに、水素ガス等の多くの可燃性ガスに適用する触媒として、Pt及びPd等の貴金属の単層膜、またはPt及びPd等をAlやSiOに担持させたものを一般に用いることができる。また、絶縁保護膜55との密着強度を向上させるために、Ti、Ta、Mo、W、Cr及びNb等の金属層を下層に設けることもできる。
【0023】
電極56a,56b,56cは、検知用ヒータ53a及び参照用ヒータ54aに接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホールを介して露出している。また、電極56a,56b,56cの材質はAlまたはAuを用いることができる。さらに、Auを用いる場合は、絶縁保護膜55との密着強度を向上させるために、Ti、Ta、Mo、W、Cr及びNb等の金属層を下層に設けることもできる。
【0024】
絶縁保護膜55は、絶縁薄膜52と同様の材質及び形成方法により作製され、検知用ヒータ53aおよび参照用ヒータ54aと電極56a,56b,56cとの間の配線層等を覆うように配設されることでこれらの汚染や損傷を防ぐ。
【0025】
(C)−2−2 検出素子50の検出作用
検出部53に被測定ガスが流入すると、被測定ガス中の水素などの可燃性ガスが触媒膜53bに接触して燃焼し、発生した燃焼熱が検知用ヒータ53aに伝わることで、正の抵抗温度係数の材料を用いた検知用ヒータ53aの電気抵抗が増加する。一方、参照部54では、被測定ガス中の可燃性ガスが燃焼しないので、温度がやや低下し、電気抵抗値が低下する。つまり、被測定ガスの温度に依存した値になる。よって、検知用ヒータ53aの検出出力は、参照用ヒータ54aの出力で補正して、この補正した出力に基づいて可燃性ガスの検出および濃度測定を行なう。
【0026】
(C)−2−3 検出素子50の電気的接続
図7は検出素子50の付近を示す平面図、図8は図7の8−8線に沿った断面図である。検出素子50の電極56a,56b,56cは、素子ケース41に形成された素子用端子45に、信号線57により接続されている。信号線57は、低粘度の絶縁性樹脂材料から形成された充填材(封止材)58bによりモールドされている。この場合において、充填材58bは、低粘度(150Pa・s未満、好ましくは15Pa・s以下)の樹脂材料であるから、信号線57の裏側にまで流れ込み空隙を形成することなく、密着して信号線57を覆っている。充填材58bは、検出部53および参照部54の表面に流出しないように仕切部58aにより堰き止められている。すなわち、仕切部58aは、検出素子50の上面に置かれたときに盛り上がるような高粘度(150Pa・s以上)の絶縁性樹脂材料または板材から形成されている。このような充填材58bおよび仕切部58aの樹脂材料として、エポキシやウレタンなどの樹脂を用い、これらの重合度を変えることにより粘度を調節することができる。
【0027】
(C)−3 ヒータ60の構成
図3に示すように、ヒータ60は、測定室43bに導かれる被測定ガスを加熱するためのセラミックヒータである。すなわち、ヒータ60は、ほぼ正方形の板形状のヒータ本体60aと、ヒータ本体60aに給電および支持するための給電ワイヤ68a,68b(支持部)と、ヒータ本体60aを支持するための支持ワイヤ69a,69b(支持部)を備えている。給電ワイヤ68a,68bおよび支持ワイヤ69a,69bは、ヒータ本体60aの4隅にそれぞれ配置されている。給電ワイヤ68a,68bおよび支持ワイヤ69a,69bの先端は、ヒータ用端子46の端子面46aにスポット溶接されることにより、素子ケース41の測定室形成部43の上部に固定されている。支持ワイヤ69a,69bは、ヒータ本体60aをバランスよくかつ堅固に支持するための支持構造として作用する。
また、給電ワイヤ68a,68bおよび支持ワイヤ69a,69bの隣り合う2つのワイヤの間は、測定室43bに被測定ガスを導くように流路となっている。
【0028】
図9はヒータ60の分解斜視図である。ヒータ本体60aは、セラミック基板内にヒータパターンを埋設することにより構成されている。すなわち、ヒータ本体60aは、第1セラミック基板61と、第2セラミック基板62と、第3セラミック基板63と、第1セラミック基板61と第2セラミック基板62との間に配置された第1パターン65と、第1セラミック基板61と第3セラミック基板63との間に配置された第2パターン66とを備えている。第1セラミック基板61には、スルーホール61aが形成されており、このスルーホール61a内に充填された導電体64を通じて、第1パターン65と第2パターン66との接続端子65a,66aが接続されている。また、第1パターン65および第2パターン66の他端は、引出端子65b,66bになっており、給電ワイヤ68a,68bにそれぞれ接続されている。また、第1ないし第3セラミック基板61,62,63の間には、第1パターン65および第2パターン66に接続されないダミー端子67a,67bが配置されている。ダミー端子67a,67bには、支持ワイヤ69a,69bが接続される。
【0029】
上記ヒータ60は、焼成することで第1ないし第3セラミック基板61,62,63となるグリーンシートの表面上に、スクリーン印刷法により導電性ペーストで第1および第2パターン65,66などを形成する。その後、パターンが形成された各グリーンシートを積層・焼成することにより製造することができる。
【0030】
(C)−4 検出素子組立体40の配線
図2に示すように、検出素子50は、素子用端子45及びヒータ用端子46と接続される図示しないリード線に、フラットケーブル(図示省略)を接続し、図1に示すセンサケース20に埋設された端子を通じて回路基板80に接続される。
【0031】
(D) ガス流路機構70
(D)−1 ガス流路機構70の構成
図10はガス流路機構70の付近を示す断面図である。ガス流路機構70は、流路形成部23のガス開口24から被測定ガスを、検出素子50に対して導入および排出するための流路を形成するものであり、流路形成部23の装填室25に、網状体、フィルタなどを収納することにより構成されている。図11は接触燃焼式可燃性ガスセンサ10を下方から見た図である。上記ガス開口24は、4分割された円弧形状の開口であり、2つの導入口24aと、2つの排出口24bとからそれぞれ構成されており、導入口24aおよび排出口24bは、流路形成部23の端面を小さくして絞った流路面積となっている。
【0032】
図12はガス流路機構70の各部材を分解して示す斜視図である。ガス流路機構70は、第1網状体71と、第2網状体73と、第1固定部材72と、第2固定部材74と、フィルタ75と、パッキン76と、第3固定部材77とを備え、これらを積層して、図10に示す装填室25に装填されている。
【0033】
第1および第2網状体71,73は、可燃性ガスがヒータ60の加熱により燃焼した場合であっても、火炎が外部に出るのを防止する防爆作用を果たすものであり、この機能のために、100メッシュ以下の金属製または多孔質セラミックス製のメッシュ構造である。
【0034】
第1および第2固定部材72,74は、第1および第2網状体71,73をそれぞれ固定するとともに、ガス流路を形成するための部材であり、4分割された流路を有している。これらの流路のうち、上流側に配置される2つの流路72a,74aが導入流路25aの一部を構成し、下流側に配置される流路72b,74bが排出流路25bの一部を構成している。流路72a,74aは、ガス開口24の導入口24aおよび排出口24bにそれぞれ一致させて組み付けるために、第1および第2固定部材72,74外周部に突起72c,74cを形成し、これらの突起72c,74cを流路形成部23の内壁に形成した位置決め溝23bに挿入している。フィルタ75は、被測定ガス中に含まれている汚損物質や水分を除去する撥水性のフィルタである。フィルタとしては、物理的吸着や化学的吸着により汚損物質を除去するものであればよく、例えば、PTFE、PCを用いた樹脂フィルタや、貴金属触媒、セラミックを利用したフィルタを適用することができる。
第3固定部材77は、円形の流路77aを有するリング形状であり、パッキン76を押圧することにより、導入流路25aおよび排出流路25bをシールする。
【0035】
(D)−2 ガス流路機構70の作用
被測定ガス中の可燃性ガスの濃度を測定するために、接触燃焼式可燃性ガスセンサ10を、パイプPD(図1)に臨みかつ重力方向を下向きに配置すると、被測定ガスは、ガス開口24の導入口24aから導入流路25aを経て、検出素子50に臨んだ測定室43bに導かれ、さらに、排出流路25bを通って排出口24bから排出される。
【0036】
(E) 回路基板などの構成
図1に示すようにセンサケース20の回路収納部22b内には、回路基板80としてメイン回路基板81および調整用のサブ回路基板82が収納され、これらの基板は充填材83により樹脂モールドされている。また、回路基板80は、防水用のグロメット84を介してワイヤーハーネスにより外部に検出信号が取り出され、コネクタ27の端子により外部から給電されるように構成されている。
【0037】
図13は検出素子50の検出信号を処理するための回路を説明する説明図である。検出回路85は、検知用ヒータ53a、参照用ヒータ54aおよび固定抵抗88a,88bによって構成されるブリッジ回路から構成され、ブリッジ回路によって各素子の抵抗変化を求め、これを増幅器87により必要な信号レベルに増幅して出力するように構成されている。
【0038】
(F) 接触燃焼式可燃性ガスセンサ10の製造工程
次に、本実施例における接触燃焼式可燃性ガスセンサ10を製造する工程について説明する。
【0039】
(F)−1 検出素子組立体40の製造工程
まず、素子ケース41を製造する(図4参照)。素子ケース41は、素子用端子45やヒータ用端子46などの端子をインサートした樹脂射出成形により製造することができる。
【0040】
素子ケース41の測定室形成部43の取付面43aに、図14に示すように検出素子50を組み付ける。このとき、取付面43aの取付凹所42aに、パッキン48を介在させた状態にて検出素子50を挿入する。このパッキン48は、予め検出素子50に装着してから取付凹所42aに挿入するか、取付凹所42aに挿入してから検出素子50を圧入することにより行なう。検出素子50を取付凹所42aに挿入した状態では、検出素子50の上面と取付面43aとがほぼ同一面になる。続いて、検出素子50の上面をクランプ49で押さえてから、ネジ止めすることによりクランプ49で検出素子50を固定する。
【0041】
次に、検出素子50の電極56a,56b,56cと素子用端子45とをボンディングにより信号線57で接続する。続いて、信号線57を絶縁性樹脂材で被覆することにより電気絶縁性を施す。この工程は、2段階で行なう。最初の段階では、検出素子50上に、仕切部58aを接着することにより立設する。仕切部58aは、樹脂から形成した板材であり、コ字形のクランプ49とともに検出部53および参照部54の周囲を囲むように配置される。
なお、仕切部58aは、検出素子50を素子ケース41に取り付ける前の段階で、検出素子50上に樹脂部材などを接着することにより形成してもよい。また、仕切部58aは、検出部53および参照部54とそれらの電極56a,56b,56cとの間に、高粘度の樹脂材料を塗布して、これらの間を仕切ってもよい。このとき、仕切部58aを形成する樹脂材料は、高粘度であるから、検出部53や参照部54の方向へ流出することもなく、縦壁状に形成される。
【0042】
次の段階で、信号線57の上方から低粘度の絶縁性樹脂材料を流し込むことにより信号線57を充填材58bで被覆する。このとき、充填材58bは、低粘度の樹脂材料を硬化したものであるので、充填時に信号線57の周囲に空隙を形成することなく、密着した状態で覆う。また、充填材58bは、検出素子50の検出部53や参照部54に向かおうとするが、仕切部58aにより堰き止められるから、検出部53の上に流れることがなく、検出機能を損なうこともない。
【0043】
次に、図15に示すように、予め作製したヒータ60を素子ケース41に装着するとともに電気的接続をとる。すなわち、ヒータ60の4隅に配置した給電ワイヤ68a,68bおよび支持ワイヤ69a,69bの先端を、測定室形成部43の4隅に配設したヒータ用端子46の端子面46aに、スポット溶接する。これにより、ヒータ60は、測定室形成部43の上部開口の中央部を覆うとともに、上部開口の外周部に、測定室43bに接続される流路を形成するように測定室形成部43の上部に取り付けられる。これにより、検出素子組立体40の組付が完了する。
【0044】
(F)−2 検出素子組立体40のセンサケース20への組付工程
次に、図16に示すように、上述したように組み付けられた検出素子組立体40を、予め別工程により製造されたセンサケース20に、ガス流路機構70の網状体やフィルタなどと同時に組み付ける。すなわち、センサケース20の下部の装填室25に、第1網状体71、第1固定部材72、第2網状体73、第2固定部材74、フィルタ75、パッキン76および第3固定部材77を順次、挿入する。その後、第3固定部材77の端面に、検出素子組立体40の測定室形成部43を当てて、素子ケース41を、ケース基板42の4隅で、センサケース20の支持面20aにネジ止めする。これにより、パッキン76やフィルタ75などが素子ケース41により支持面23aに向けて押圧された状態で組み付けられる。また、測定室形成部43の外周は、流路形成部23の内周壁との間に、パッキン44が介在しているので、その間もシールされた状態になる。
【0045】
(F)−3 配線、シール工程
次に、検出素子組立体40に、フラットケーブルなどのハンダ付けを行なうことにより、検出素子組立体40の各端子とセンサケース20の各端子との結線を行ない、さらに、図1に示すように回路収納部22b内にメイン回路基板81およびサブ回路基板82、さらにグロメット84を順次組み付けた後、回路基板80とコネクタ27との各端子を接続するとともに、グロメット84からリード線を引き出す。その後、充填材83を充填することによりモールドし、さらに、カバー30を取り付けてシールすることにより、接触燃焼式可燃性ガスセンサ10が完成する。
【0046】
上記接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、例えば、燃料電池ユニットの水素の漏れを検知するセンサに適用することができる。すなわち、燃料電池ユニットでは、水素極と空気極とにそれぞれ水素、空気(酸素)を流し、これを化学反応させることにより電気を発生させており、本発明の可燃性ガスセンサは、燃料電池ユニットにおいて湿度の高い箇所に水素が混入しているのを検出するセンサとして用いることができる。固体高分子を電解質に用いた燃料電池ユニットでは電解質に水分を導入している。したがって、水分を電解質まで導く水分導入部は湿度が高く、結露が発生しやすい環境である。本発明の接触燃焼式可燃性ガスセンサ10は、ヒータ60による加熱やフィルタ75による水分除去機能、信号線封止構造を有していることにより、このような結露等が発生しやすい環境下で好適に適用することができる。
【0047】
図17および図18は図7および図8に示す検出素子50の取付構造にかかる変形例を説明する説明図である。検出素子50は、素子ケース41の取付凹所42aに接着剤を介して接着されるとともに、樹脂製の仕切部58Baにより4方が囲まれ、その外周部を充填材58Bbにより充填している。このような構成により、検出素子50の凹所51aをシールするとともに、信号線57を確実にモールドすることができる。
【0048】
(G) 接触燃焼式可燃性ガスセンサ10の作用・効果
上記実施例にかかる接触燃焼式可燃性ガスセンサ10によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
【0049】
(G)−1 図8に示すように、検出素子50の検出出力を、外部に取り出すための信号線57は、封止材58bにより封止されているので、被測定ガスが多湿であるために結露したり、被水したりしても信号線間等でショートを起こすことがない。
【0050】
(G)−2 封止材58bは、流動性を有する低粘度の絶縁性樹脂材料を充填・硬化したものであるから、信号線57の周囲、特に裏側にも十分に流れ込んで、その下部付近に空隙を形成しない。よって、その空隙に水などが侵入して絶縁性を損なうこともない。また、封止材58bは、仕切部58aにより堰き止められるから、検出素子50の検出部53や参照部54の上に流れ込んで、検出機能を損なうこともない。
【0051】
(G)−3 仕切部58aを、高粘度の樹脂材料から形成した場合には、所定の位置に多層に塗布することで盛り上げて形成することも容易であり、検出部53や参照部54側へ封止材となる流動性の樹脂材料が流れ込むこともない。
【0052】
(G)−4 検出素子50は、素子ケース41の取付面43aに形成した取付凹所42aに収納されて、取付面43aと同一面になっているので、信号線57を封止材58bで容易に封止することができる。
【0053】
なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0054】
上記実施例では、シリコン製マイクロセンサとして接触燃焼式可燃性ガスセンサを取り上げたが、本発明はシリコン製基板にマイクロマシニング技術を適用することにより形成されたセンサ全てに適用することができる。すなわち、本発明は、金属酸化物半導体等を用いたガスセンサ、空気の流量・流速を測定する流量センサ、圧力センサ等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】接触燃焼式可燃性ガスセンサをパイプに取り付けた状態を示す縦断面図である。
【図2】検出素子組立体の断面図である。
【図3】検出素子組立体を示す斜視図である。
【図4】素子ケースを示す斜視図である。
【図5】検出素子に形成されている検出部および参照部の配設状態を説明するための模式平面図である。
【図6】検出部および参照部の配設状態を説明するための模式断面図である。
【図7】検出素子の付近を示す平面図である。
【図8】図7の8−8線に沿った断面図である。
【図9】ヒータ60の分解斜視図である。
【図10】ガス流路機構の付近を示す断面図である。
【図11】接触燃焼式可燃性ガスセンサを下方から見た図である。
【図12】ガス流路機構の各部材を分解して示す斜視図である。
【図13】検出素子の検出信号を処理するための回路を説明する説明図である。
【図14】検出素子を素子ケースに組み付ける工程を説明する説明図である。
【図15】ヒータを取り付ける工程を説明する説明図である。
【図16】検出素子組立体およびガス流路機構を組み付ける工程を説明する説明図である。
【図17】検出素子の取付構造にかかる変形例を説明する説明図である。
【図18】検出素子の取付構造にかかる変形例を説明する説明図である。
【符号の説明】
10…接触燃焼式可燃性ガスセンサ
20…センサケース
20a…支持面
22…ケース本体
22a…センサ収納部
22b…回路収納部
23…流路形成部
23a…支持面
23b…溝
24…ガス開口
24a…導入口
24b…排出口
25…装填室
25a…導入流路
25b…排出流路
27…コネクタ
30…カバー
40…検出素子組立体
41…素子ケース
42…ケース基板
42a…取付凹所
42b…溝
42c…ネジ穴
43…測定室形成部
43a…取付面
43b…測定室
44…パッキン
45…素子用端子
46…ヒータ用端子
46a…端子面
48…パッキン
49…クランプ
50…検出素子
51a,51b…凹所
51…シリコン製基板
51a…凹所
52…絶縁薄膜
53…検出部
53a…検知用ヒータ
53b…触媒膜
54…参照部
54a…参照用ヒータ
55…絶縁保護膜
56a,56b,56c…電極
57…信号線
58a…仕切部
58b…充填材
58Ba…仕切部
58Bb…充填材
60…ヒータ
60a…ヒータ本体
61,62,63…第1ないし第3セラミック基板
61a…スルーホール
64…導電体
65,66…第1および第2パターン
65a,66a…接続端子
65b,66b…引出端子
67a,67b…ダミー端子
68a,68b…給電ワイヤ
69a,69b…支持ワイヤ
70…ガス流路機構
71,73…第1および第2網状体
72,74,77…第1ないし第3固定部材
72a,74a…流路
72b,74b…流路
72c,74c…突起
75…フィルタ
76…パッキン
77a…流路
80…回路基板
81…メイン回路基板
82…サブ回路基板
83…充填材
84…グロメット
85…検出回路
87…増幅器
88a,88b…固定抵抗
PD…パイプ

Claims (5)

  1. 検出信号を導電部を通じて出力する検出部を有する検出素子と、
    上記検出素子を支持するとともに、外部回路に接続される素子用端子を有する素子ケースと、
    上記検出素子の上記導電部と上記素子用端子とを接続し、上記検出部の上記検出信号を取り出す信号線と、
    上記検出部と上記素子用端子との間に配置された仕切部と、
    少なくとも上記信号線が配置された領域において、該信号線を被覆するように流動性を有する絶縁性樹脂材料を充填し硬化させた封止材と、
    を備え、
    上記仕切部は、上記封止材を形成することとなる上記絶縁性樹脂材料が、上記検出部へ流入することを阻止するように形成されていることを特徴とするシリコン製マイクロセンサ。
  2. 請求項1のシリコン製マイクロセンサにおいて、
    上記仕切部は、上記絶縁性樹脂材料を充填する前に、絶縁性材料から予め形成された板材を上記検出素子上に配置することにより構成されているシリコン製マイクロセンサ。
  3. 請求項1または請求項2のシリコン製マイクロセンサにおいて、
    上記素子ケースは、上記検出素子を設置するための取付凹所を備え、
    上記検出素子が上記取付凹所に装着されたときに、上記検出素子の上記導電部と上記素子用端子とがほぼ同一面になるように、上記検出素子および上記取付凹所が形成されているシリコン製マイクロセンサ。
  4. 請求項3のシリコン製マイクロセンサにおいて、
    上記検出素子は、接着剤によりシールされた状態にて上記素子ケースの上記取付凹所に固定されているシリコン製マイクロセンサ。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれかにおいて、燃料電池ユニットに設置されるシリコン製マイクロセンサ。
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