JP2008107105A

JP2008107105A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2008107105A
Application number: JP2006287801A
Authority: JP
Inventors: Hiroteru Kato; 博照加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】選択性能力を劣化させることなく応答性を向上させることができるガスセンサを提供すること。
【解決手段】センサパッケージ２に立設された筒部３内にセンサチップ４を配置して固定し、筒部３の上部に有孔キャップ１８を被せて固定した構造を有するガスセンサ１において、筒部３と有孔キャップ１８で形成される内部空間に、該内部空間の内容積を減少させるための部材１７を配置した。それにより、センサパッケージ２の内部空間の内容積を減少させることができ、選択性能力を落とさずに、応答性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に高速応答型マイクロガスセンサに関するものである。

マイクロマシン技術を用いて作成したマイクロガスセンサは、検出素子の体積を極小にできるため、ガスセンサ内における検知ガスの置換体積が小さくなり、高速な応答性が得られるものである（たとえば、特許文献１および２参照）。

図５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ、特許文献１に開示されている従来のマイクロガスセンサの構造例を示す平面図、背面図およびＡ−Ａ線断面図である。マイクロガスセンサ４０は、シリコン基板４１上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜４８ｃ、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４８ｂおよび酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）膜４８ａからなる絶縁体薄膜４８が形成され、その上に、検出素子部Ｒｓとして白金（Ｐｔ）ヒータ４２、Ａｌ₂Ｏ₃層およびＰｄ／γＡｌ₂Ｏ₃触媒層４３と、補償素子部Ｒｒとして白金（Ｐｔ）ヒータ４４、Ａｌ₂Ｏ₃層およびγＡｌ₂Ｏ₃触媒層４５が形成され、さらにシリコン基板４１を異方性エッチングして凹部４６および４７が形成されて、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓおよびＤｒが形成された熱容量の小さいガスセンサである。

また、特許文献２には、検出素子を覆う有孔キャップと、ケースの有孔キャップの孔と対向しない位置に複数のガス導入孔を設けたケースを組み合わせることにより、ガスの拡散が直ちに行われ、高速応答で流量依存性が少ないマイクロガスセンサが開示されている。
特開２００４−０６９４６５号公報特開２００６−２０８０７９号公報

特許文献１に開示されているマイクロガスセンサは、パルス駆動した場合、水素（Ｈ₂）等の無極性または低有極性ガスに対しては従来の接触燃焼式ガスセンサと同様の出力を示す。また、ＤＣで駆動した場合、図６の曲線Ａ（活性炭フィルタ無）に示すように、検知対象ガス（たとえば、Ｈ₂）に対する応答性は、０．２秒と非常に早い数値を示す。

このときの応答性測定治具を図７に示される。すなわち、測定ガス雰囲気が存在するチャンバー５０内にボックス５０で密閉したマイクロガスセンサ４０を配置し、ボックス５０を開閉してマイクロガスセンサ４０の測定ガスに対する応答性を測定した。なお、応答性は、センサ出力９０％に到達する時間に設定した。

しかし、水素（Ｈ₂）に対する選択性を向上させるために、マイクロガスセンサ４０
上段に活性炭フィルタを装着した場合は、曲線Ｂに示すように、応答性は２．４秒になり、格段に遅くなってしまう。このように、活性炭フィルタを装着して選択性を向上させようとすると、選択性が向上する代わりに、応答性が悪くなってしまうという問題がある。

また、特許文献２に開示されているマイクロガスセンサは、ガスの拡散の影響を減らし、応答性を向上させているが、有孔キャップ内についての検討は行っていないため、有孔キャップ内のガス拡散に対しては対応できていないという問題がある。また、キャップ内容積が大きいと、検知ガスの拡散の影響により応答性が悪くなると言う問題がある。

そこで本発明は、上記の課題に鑑み、選択性能力を劣化させることなく応答性を向上させることができるガスセンサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、センサパッケージに立設された筒部内にセンサチップを配置して固定し、前記筒部の上部に有孔キャップを被せて固定した構造を有するガスセンサにおいて、前記筒部と前記有孔キャップで形成される内部空間に、該内部空間の内容積を減少させるための部材を配置したことを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスセンサにおいて、前記部材は、前記筒部の内周側に装着されたリングであることを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のガスセンサにおいて、前記有孔キャップの孔に活性炭フィルタが装着されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、センサチップの接合やワイヤボンディング等の作業効率を落とさずに、センサチップが収容されるセンサパッケージの内部空間の内容積を減少させることができ、選択性能力を落とさずに、応答性を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、筒部にリングを装着するだけで、センサパッケージの内部空間の内容積を減少させることができ、組み立て作業が容易になる。

請求項３記載の発明によれば、選択性能力を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスセンサの構造を示す断面図である。本実施形態では、マイクロガスセンサに適用した場合について説明する。本実施形態のマイクロガスセンサ１は、接触燃焼式のマイクロガスセンサであり、絶縁体からなるセンサパッケージ２に一体形成で立設された円筒状の筒部３の内部のほぼ中央にセンサチップ４を配置し、センサパッケージ２上に接合して固定している。

センサチップ４の構成は、図４の従来のマイクロガスセンサ４０と同じになっており、シリコン基板５上に、絶縁体薄膜６が形成され、その上に、検出素子部としてヒータ７および活性触媒層８と、補償素子部としてヒータ９および不活性触媒層１０が形成され、さらにシリコン基板５の裏側を異方性エッチングして凹部１１および１２が形成されて、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓおよびＤｒが形成されている。

センサチップ４のヒータ７および９は、筒部３の内側でセンサパッケージ２上にモールド成型により配置された電極１３に、金製のワイヤ１５および１６でボンディングにより配線されている。電極１３は、モールド成型により、センサパッケージ２の横から出ているリードフレーム端子１６（図２参照）から筒部３の内部に延出されている。

また、筒部３の内周側には、絶縁性材料からなるリング１７が装着されている。リング１７は、その厚みが、ワイヤ１５および１６に接触することなくそれらの近傍まで接近させたものとされている。このリング１７は、請求項１における部材に相当する。

さらに、筒部３の外周側には、金属製の円筒状の有孔キャップ１８が被せられている。有孔キャップ１８には、孔１８ａが形成されている。孔１８ａには、活性炭フィルタ１９が装着されている。有孔キャップ１８は、孔１８ａと反対側の開口端部がセンサパッケージ２に接合され、リング１７を押さえるのに役立っている。

マイクロガスセンサ１の組み立て時、図２に示すように、まず、センサパッケージ２の筒部３の内側底部にセンサチップ４を接合し、次いでセンサチップ４のヒータ７および９の端子と電極１３にワイヤ１５および１６をボンディングにより配線する。

次に、図３に示すように、リング１７を筒部３の内周側にはめ込む。次に、図示しないが、有孔キャップ１８を筒部３の上方から被せて、開口端部をセンサパッケージ２に接合する。以上のようにしてマイクロガスセンサ１の組み立てが完了する。

上述のように構成される本実施の形態のマイクロガスセンサ１は、筒部３および有孔キャップ１８で仕切られるセンサパッケージ２の内部空間の内容積を、リング１７をはめ込むことによって減少させることにより、検知ガスの拡散の影響を軽減し、センサの応答性を向上させることができるものである。

そこで、リング１７の有無でのマイクロガスセンサ１の応答性の変化を図７と同様の測定環境で測定してみた。活性炭フィルタ１９は、選択性の度合いによって装着しても装着しなくても良いが、この実施の形態では、選択性向上のねらいで活性炭フィルタ１９を装着している。活性炭フィルタ１９を装着すると、雰囲気中の検知対象ガス以外の雑ガスが吸収され、検知対象ガスの選択性が向上する。

リング１７を未装着として従来と同じ構造とした場合のマイクロガスセンサ１の応答性は、図６の曲線Ｂに示すように、２．４秒という数値であった。

これに対して、リング１７をセンサパッケージ２に装着して内部空間の内容積を未装着時の４６．５％にした場合のマイクロガスセンサの応答性は、図４に示すように０．９秒となり、従来と同じ構造の場合に比して１．５秒短くなり性能が向上した。なお、リング１７を装着した場合のマイクロガスセンサ１では、活性炭フィルタ１９は従来通りであるため、従来の選択性の能力を維持したまま、ガスに対する応答性を向上させることができる。

このリング１７は、リング１７のない従来構造のマイクロガスセンサのセンサパッケージにはめ込むだけの作業になるため、簡単に装着でき、ワイヤボンディング等の作業効率を落とさず、応答性を向上させることができる。リング１７の大きさは、ガスセンサとして機能する性能を維持できる範囲内で大きくしたり小さくしたりすることができる。また、リング１７は、センサチップ４の触媒８および１０を除く部分を埋めるような形でも良く、センサの形状に合わせて丸型である必要もない。仮に、センサチップ４と同じ大きさまでセンサパッケージ内容積を減少させたい場合は、センサパッケージ２の構造を小さくして内容積を減少させるという方法があるが、センサパッケージ２にセンサチップ４を接合したり、ワイヤー１５および１６を電極１３および１４にボンディングしたりする作業は、センサパッケージ２を小さくした分非常に難しくなり作業効率が悪くなったりする。

そこで、ボンディング等の作業の効率化を図るため、センサパッケージを大きくした場合、一連のボンディング作業後、リング１７を装着することで、センサパッケージ２の内部空間の内容積を簡単に減少させることができる。

以上のように、本発明によれば、リング１７を装着することにより、ボンディング等の作業効率を落とさずセンサパッケージ２の内部空間の内容積を減少させることができ、選択性能力を落とさずに、応答性を向上させることができる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施の形態では、リング１７は絶縁性材料から作られているが、これに代えて金属製材料を用いることもできる。この場合は、電極１３および１４をショートさせることがないように、電極１３および１４とリング１７の間に絶縁板を配置する必要がある。

また、センサパッケージ２の筒部３の形状は、円筒状だけでなく、角筒や星型筒でも良く、リング１７の形状もそれに合わせて変形可能である。また、可燃性ガス検知の目的で、活性炭フィルタをつけない場合でも、同様の効果を得ることができる。

また、上述の実施の形態では、検知ガスが水素（Ｈ₂）の場合について説明したが、本発明は、他のガスについても同様に適用可能である。また、センサパッケージにリングを追加する構成であるため、接触燃焼式だけでなく、半導体式ガスセンサなどにも適用可能である。

さらに、上述の実施の形態では、本発明をマイクロガスセンサに適用した場合について説明したが、これに限らず、ガス検知空間の内容積の減少を図る一般的なガスセンサにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係るマイクロガスセンサの構造を示す断面図である。マイクロガスセンサの組み立て方法を説明する斜視図である。マイクロガスセンサの組み立て方法を説明する平面図である。マイクロガスセンサの応答性を表すセンサ出力特性図である。（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ、従来のマイクロガスセンサの平面図、背面図およびＡ−Ａ線断面図である。図５のマイクロガスセンサの応答性を表すセンサ出力特性図である。マイクロガスセンサの応答性測定治具を示す略図である。

符号の説明

１マイクロガスセンサ
２センサパッケージ
３筒部
４センサチップ
１７リング（部材）
１８有孔キャップ
１８ａ孔
１９活性炭フィルタ

Claims

センサパッケージに立設された筒部内にセンサチップを配置して固定し、前記筒部の上部に有孔キャップを被せて固定した構造を有するガスセンサにおいて、
前記筒部と前記有孔キャップで形成される内部空間に、該内部空間の内容積を減少させるための部材を配置したことを特徴とするガスセンサ。
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記部材は、前記筒部の内周側に装着されたリングであることを特徴とするガスセンサ。
請求項１または２記載のガスセンサにおいて、
前記有孔キャップの孔に活性炭フィルタが装着されていることを特徴とするガスセンサ。