JP2004093475A - シリコン製マイクロセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０は、水素などの可燃性ガスを燃焼させることにより水が生じる場合や、水分などを含む被測定ガスを測定した場合にも、検出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に装着されており、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は、素子ケース４１との間で、検出部５３の熱容量を小さくするように形成された凹所５１ａ（空隙部）を備え、空隙部が測定室に対して密閉されるように素子ケース４１に固定されており、これにより被水雰囲気下においても空隙部に水が侵入しない。
【選択図】 図８
【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に装着されており、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は、素子ケース４１との間で、検出部５３の熱容量を小さくするように形成された凹所５１ａ（空隙部）を備え、空隙部が測定室に対して密閉されるように素子ケース４１に固定されており、これにより被水雰囲気下においても空隙部に水が侵入しない。
【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ヤフラム構造を設け、そのダイヤ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、シリコン基板と、シリコン基板上に形成されたヒータ（検出部）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）。また、上記センサでは、検出部が位置しているシリコン基板の下部に、検出部の熱容量を小さくする空隙を形成することにより、応答性を高めている。
【特許文献１】
特開平７−１１３７７６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。こうした水が上記空隙に溜まると、空隙の本来的な機能を損なって、検出特性の低下を生じる問題があった。
【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、検出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、
シリコン製マイクロセンサシリコン製マイクロセンサにおいて、
測定室を形成する測定室形成部と、
上記測定室に臨んで配置され、検出信号を出力する検出部を有する検出素子と、
上記検出素子を装着する素子ケースと、
を備え、
上記検出素子は、上記素子ケースとの間で、上記検出部の熱容量を小さくするように形成された空隙部を備え、上記空隙部が上記測定室に対して密閉されるように上記素子ケースに固定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明において、上記検出素子は、上記素子ケースとの間で、上記検出部の熱容量を小さくするように形成された空隙部を備え、上記空隙部が上記測定室に対して密閉されるように上記素子ケースに固定されているので、この空隙部により検出部の熱容量が小さくなり、応答性を高めることができる。
【０００７】
また、空隙部は、素子ケースと検出素子との間に介在するシール手段により、外部に対してシールされているので、シリコン製マイクロセンサを被水し易い箇所に使用しても、検出素子の空隙部に水が侵入することもなく、検出性能の低下を防止することができる。
【０００８】
ここで、シール手段の好適な態様として、素子ケースと検出素子とを接着すると同時にシールする接着剤やハンダ付けなどの構成をとることができる。また、素子ケースと検出素子との間に存在する空隙部の測定室側開口を密閉する密閉部材によってシールする構成や、素子ケースと検出素子との間に介在する密閉部材によってシールする構成をとることができる。これらの構成において、素子ケースを検出素子に固定するための手段として、機械的なクランプにより固定する構成をとってもよい。さらに、密閉部材として、パッキンまたはシール材を用いることができる。
【０００９】
なお、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ガスセンサとすることができる。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ガスセンサは、検出素子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検出素子の空隙部に対し確実にシール作用を発揮することができる。
【００１０】
【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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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。
【００１４】
（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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、ＴａｘＯｙ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（Ｇ）−１ 図８に示すように、検出素子５０は、ダイヤフラム構造とすることにより、つまり、検出素子５０の下部に凹所５１ａを形成することにより、検出部５３の熱容量を小さくしているから、応答性が高い。
【００４８】
（Ｇ）−２ 検出素子５０は、素子ケース４１の取付凹所４２ａに、パッキン４８を介在させて保持されており、つまり、検出素子５０の下部の凹所５１ａが外部に対してシールされているから、接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を被水し易い箇所に使用しても、検出素子５０の凹所５１ａに水が侵入することもなく、検出性能の低下を防止することができる。
【００４９】
（Ｇ）−３ 検出素子５０は、素子ケース４１の取付凹所４２ａにクランプ４９でパッキン４８を押圧するように固定されているので、装着作業も簡単である。
【００５０】
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。
【００５１】
検出素子５０と素子ケース４１との間に存在する空間部の測定室４３ｂ側開口をパッキン等の密閉部材で密閉するとともに、クランプによって押圧する構成とすることもできる。
【００５２】
さらに、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
【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ヤフラム構造を設け、そのダイヤ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、シリコン基板と、シリコン基板上に形成されたヒータ（検出部）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）。また、上記センサでは、検出部が位置しているシリコン基板の下部に、検出部の熱容量を小さくする空隙を形成することにより、応答性を高めている。
【特許文献１】
特開平７−１１３７７６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。こうした水が上記空隙に溜まると、空隙の本来的な機能を損なって、検出特性の低下を生じる問題があった。
【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、検出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、
シリコン製マイクロセンサシリコン製マイクロセンサにおいて、
測定室を形成する測定室形成部と、
上記測定室に臨んで配置され、検出信号を出力する検出部を有する検出素子と、
上記検出素子を装着する素子ケースと、
を備え、
上記検出素子は、上記素子ケースとの間で、上記検出部の熱容量を小さくするように形成された空隙部を備え、上記空隙部が上記測定室に対して密閉されるように上記素子ケースに固定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明において、上記検出素子は、上記素子ケースとの間で、上記検出部の熱容量を小さくするように形成された空隙部を備え、上記空隙部が上記測定室に対して密閉されるように上記素子ケースに固定されているので、この空隙部により検出部の熱容量が小さくなり、応答性を高めることができる。
【０００７】
また、空隙部は、素子ケースと検出素子との間に介在するシール手段により、外部に対してシールされているので、シリコン製マイクロセンサを被水し易い箇所に使用しても、検出素子の空隙部に水が侵入することもなく、検出性能の低下を防止することができる。
【０００８】
ここで、シール手段の好適な態様として、素子ケースと検出素子とを接着すると同時にシールする接着剤やハンダ付けなどの構成をとることができる。また、素子ケースと検出素子との間に存在する空隙部の測定室側開口を密閉する密閉部材によってシールする構成や、素子ケースと検出素子との間に介在する密閉部材によってシールする構成をとることができる。これらの構成において、素子ケースを検出素子に固定するための手段として、機械的なクランプにより固定する構成をとってもよい。さらに、密閉部材として、パッキンまたはシール材を用いることができる。
【０００９】
なお、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ガスセンサとすることができる。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ガスセンサは、検出素子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検出素子の空隙部に対し確実にシール作用を発揮することができる。
【００１０】
【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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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。
【００１４】
（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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、ＴａｘＯｙ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（Ｇ）−１ 図８に示すように、検出素子５０は、ダイヤフラム構造とすることにより、つまり、検出素子５０の下部に凹所５１ａを形成することにより、検出部５３の熱容量を小さくしているから、応答性が高い。
【００４８】
（Ｇ）−２ 検出素子５０は、素子ケース４１の取付凹所４２ａに、パッキン４８を介在させて保持されており、つまり、検出素子５０の下部の凹所５１ａが外部に対してシールされているから、接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を被水し易い箇所に使用しても、検出素子５０の凹所５１ａに水が侵入することもなく、検出性能の低下を防止することができる。
【００４９】
（Ｇ）−３ 検出素子５０は、素子ケース４１の取付凹所４２ａにクランプ４９でパッキン４８を押圧するように固定されているので、装着作業も簡単である。
【００５０】
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。
【００５１】
検出素子５０と素子ケース４１との間に存在する空間部の測定室４３ｂ側開口をパッキン等の密閉部材で密閉するとともに、クランプによって押圧する構成とすることもできる。
【００５２】
さらに、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 (6)
- 測定室を形成する測定室形成部と、
上記測定室に臨んで配置され、検出信号を出力する検出部を有する検出素子と、
上記検出素子を装着する素子ケースと、
を備え、
上記検出素子は、上記素子ケースとの間で、上記検出部の熱容量を小さくするように形成された空隙部を備え、上記空隙部が上記測定室に対して密閉されるように上記素子ケースに固定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。 - 請求項１のシリコン製マイクロセンサにおいて、
上記検出素子は、上記素子ケースに対してシール手段を介して固定されているシリコン製マイクロセンサ。 - 請求項２のシリコン製マイクロセンサにおいて、
上記シール手段は、上記検出素子と上記素子ケースとの間を固定するとともに接着する接着剤であるシリコン製マイクロセンサ。 - 請求項２のシリコン製マイクロセンサにおいて、
上記シール手段は、上記検出素子と上記素子ケースとの間に存在する空間部の上記測定室側開口を密閉する密閉部材であるシリコン製マイクロセンサ。 - 請求項２のシリコン製マイクロセンサにおいて、
上記シール手段は、上記検出素子と上記素子ケースとの間に介在する密閉部材であるシリコン製マイクロセンサ。 - 請求項４または請求項５のシリコン製マイクロセンサにおいて、
上記密閉部材は、パッキンまたはシール材であるシリコン製マイクロセンサ。
Priority Applications (1)
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| JP2002257380A JP2004093475A (ja) | 2002-09-03 | 2002-09-03 | シリコン製マイクロセンサ |
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2002
- 2002-09-03 JP JP2002257380A patent/JP2004093475A/ja active Pending
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