JP2013096924A

JP2013096924A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2013096924A
Application number: JP2011241800A
Authority: JP
Inventors: Kuniyuki Izawa; 邦之井澤
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: JP5822348B2

Abstract

【構成】
ガスセンサのハウジングは、センサ本体を収容している第１の凹部と、周囲のガスから妨害ガスを除去するフィルタを収容している第２の凹部と、第１の凹部と第２の凹部との間のガスの流路とを備えている。第２の凹部は第１の凹部の側方でハウジングの同じ面に設けられている。
【効果】センサ本体のハウジングにフィルタも収容でき、かつガスセンサをコンパクトにできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、フィルタを備えたガスセンサに関し、特にセンサ本体を収容するパッケージに関する。なおこの明細書で、パッケージはハウジングとカバー、金網等の全体を言う。

シリコン基板の表面に設けた絶縁膜に感ガス部を設けたMEMSガスセンサが提案されている。ところでガスセンサには、被毒ガスあるいは誤報の原因となるガス等を除去するためのフィルタを設けることが多く、その材質は活性炭、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ等が多い。ここで発明者は、フィルタによってMEMSガスセンサのパッケージが大形化することに気付いた。例えば特許文献１（JP2008-241501A）では、MEMSガスセンサのパッケージの上部にフィルタを取り付けている。するとMEMSガスセンサとフィルタとを一体化するため、さらに別のパッケージが必要になり、ガスセンサが大形化する。なお特許文献１ではガスの検出ユニットのパッケージを用いて、MEMSガスセンサとフィルタとを一体化している。

JP2008-241501A

この発明の課題は、フィルタを備えかつコンパクトなガスセンサを提供することにある。

この発明は、ハウジング内にセンサ本体を収容しているガスセンサにおいて、ハウジングは、センサ本体を収容している第１の凹部と、周囲のガスから妨害ガスを除去するフィルタを収容している第２の凹部と、第１の凹部と第２の凹部との間のガスの流路とを備え、第１の凹部と第２の凹部はハウジングの同じ面に設けられ、さらに第２の凹部は第１の凹部の側方に設けられていることを特徴とする。センサ本体は、ガスの吸着による金属酸化物半導体の抵抗値の変化を検出するもの、ガスの燃焼による測温抵抗体の抵抗変化を検出するもの、ガスによる電気化学的な起電力あるいは電流を検出するものなどである。

第１の凹部と第２の凹部の上部を上、凹部の底面を下とすると、この発明ではハウジングの上面から底面へ向く２個の凹部が並行に設けられ、例えば横長のハウジングに並行にセンサ本体とフィルタとが配置される。そしてガスの流路により、フィルタで処理されたガスがセンサ本体へ供給される。またセンサ本体のハウジング上にフィルタを重ねて、さらに別のハウジングによりこれらを一体にするのではないので、横長で背が低く、全体としてコンパクトなガスセンサとなる。

好ましくは、第１の凹部と第２の凹部とを覆うリッドがハウジングに固定されている。このようにすると、リッドをハウジングに固定することにより、簡単に第１の凹部と第２の凹部に蓋をできる。

リッドはセラミック、合成樹脂膜等でも良いが、好ましくは金属板から成り、第２の凹部と向き合う位置で、フィルタへ周囲の雰囲気を導く孔がリッドに設けられている。金属板のリッドでは、所定のサイズの孔を容易に設けることができる。なお防爆用の金網を必要とする場合、リッドの上面もしくは底面等で、ガス導入用の孔を覆うように、防爆用の金網を溶接等でリッドに固定する。またセラミックのリッドの場合、リッドを多孔質として、第１の凹部側をメタライズ等により気密にすると、第２の凹部へのみガスを導入できる。リッドが合成樹脂膜でガス透過性が有る場合、第１の凹部側に金属の蒸着膜等を設けると、第２の凹部へのみガスを導入できる。リッドが合成樹脂膜でガス透過性が無い場合、第２の凹部側へ孔を設けるとガスを導入できる。なおリッドを介さず、ハウジングに第２の凹部と外部との間のガス流路となる孔、あるいは多孔質の部分等を設けても良い。

好ましくは、ハウジングはセラミック製で、第１の凹部内とハウジングの底面とを接続する配線がメタライズにより設けられ、前記配線にセンサ本体の電極が接続されている。配線へのセンサ本体の電極の接続はワイヤボンディングでもフリップチップ接続でも良い。このようにすると、プラスチックのハウジングに固定した金属端子にセンサ本体の電極を接続する場合に比べ、精密な配線ができるので、ハウジングを小さくできる。ハウジングは、ワイヤボンディングの場合は例えば３層、フリップチップ接続の場合は例えば２層である。

好ましくは、センサ本体はシリコンチップの表面に設けた絶縁膜上に感ガス部を設けたものである。このようにすると小さなセンサ本体をフィルタと共に小さなハウジングに収容できる。

リッドを外した状態の実施例のガスセンサの平面図実施例のガスセンサの平面図実施例のガスセンサの側面図実施例のガスセンサの底面図実施例でのハウジングの各層を示す平面図リッドを外した状態の実施例のガスセンサの要部拡大平面図実施例でのセンサ本体の拡大平面図変形例のガスセンサでのハウジングの上層の平面図第２の変形例のガスセンサでのハウジングの上層の平面図リッドを外した状態の第２の実施例のガスセンサの平面図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図１０に実施例のガスセンサ２とその変形とを示す。図１〜図７において、４はセラミック製のハウジングで、下層６，中層８，上層１０の３層からなり、３層のグリーンシートを積層して同時に焼結したものである。センサ本体２２を収容する凹部２０が中層８に設けられ、凹部２０の上部にはより広い孔３４が上層１０に設けられている。凹部２０の周囲の中層８の上面にメタライズによる配線２１が設けられ、センサ本体２２からのリード２４が接続され、センサ本体２２は例えばダイボンド層２３により下層６に固定されている。上層１０と中層８には、フィルタ１４を収容する凹部１２が同じサイズで設けられている。１６は凹部１２と凹部２０との仕切りで、１個あるいは複数個の溝１８が上層１０に設けられて、凹部１２と凹部２０間のガス流路となる。なお溝１８は中層８に設けても良い。

フィルタ１４は例えば繊維状活性炭のシートで、繊維状のため活性炭微粒子のこぼれ出しがない。活性炭に代えて、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ等を用いても良く、Pt等の触媒をフィルタ１４に担持させても良い。フィルタ１４の材料が破砕活性炭等の粉体である場合、不織布あるいは通気性のある合成樹脂膜で粉体を包む、あるいは合成樹脂等のバインダー等で粉体粒子を互いに固定して成形する等により、フィルタ材料のこぼれ出しを防止する。

配線２１はメタライズにより設け、溝２５，２６に設けた配線２７を介して下層６の裏面の配線２８へ接続し、図示しないプリント基板等に固定する。２９は下層６の反対側でもガスセンサ２をプリント基板等に固定するためのダミーの配線で、設けなくても良い。

３０はリッドで金属板から成り、１個〜複数個の孔３２が凹部１２に、従ってフィルタ１４に面した位置に打ち抜き等により設けられ、凹部１２へガスを導入する。孔３２の位置とサイズとを一定にすることにより、ガスセンサ２の内部へ拡散するガスの量を一定にする。リッド３０は図示しない熱硬化性樹脂、あるいは上層１０の上面に設けた金属層との溶接等により上層１０に固定され、孔３２以外の個所からのガスの出入りを防止すると共に、フィルタ１４とセンサ本体２２を保護する。

図５は下層６，中層８，上層１０のグリーンシートを示し、下層６の裏面には配線２８，２９が設けられている。中層８では配線２１が設けられ、凹部１２、凹部２０になる打ち抜き孔が設けられている。上層１０では凹部１２，凹部３４となる打ち抜き孔が設けられている。そして凹部２０，１２は左右に並行に配置され、凹部２０，１２はいずれも上層１０側で開口している。

図７はセンサ本体２２を示し、シリコン基板に設けられた凹部３６上に、感ガス膜３８を備えた絶縁膜３７が設けられ、例えば４本の脚３９で固定され、脚３９はパッド４０，４１に接続されている。なおガスの燃焼熱を測温抵抗体で測定するセンサの場合、例えば２個の凹部を設けて、酸化触媒を支持した絶縁膜と、酸化触媒活性が低いセラミックを支持した絶縁膜とを収容し、各絶縁膜にPt薄膜配線を設ける。実施例ではセンサ本体２２をリード２４によりワイヤボンディングするが、パッド４０，４１を下層６に設けた配線にフリップチップ接続しても良く、その場合、中層８は不要である。

以上のようにすると、フィルタ１４をハウジング４内にセンサ本体２２と並べて収容でき、フィルタ１４をセンサ本体２２の上部に重なるように配置する場合に比べ、ガスセンサ２がコンパクトになる。センサ本体２２へ導入するガスの量は孔３２で制御でき、センサ本体２２とフィルタ１４はリッド３０で保護される。繊維状の活性炭あるいはバインダーで固めた破砕活性炭等を用いると、フィルタ１４の材料のこぼれ出しがない。またフィルタ１４の位置は仕切り１６で規定できる。

図８は変形例の上層１０'を示し、上層１０'に切欠部４２を設け、不織布、多孔質のセラミック板等の通気性のある仕切り４４によりフィルタ１４を固定する。他の点では図１〜図７の実施例と同様である。

図９は第２の変形例の上層１０''を示し、リッド３０ではなく、上層10''に外部と凹部１２とを接続する溝４６を設けて、外部のガスをフィルタ１４側へ導入する。なお溝４６に代えて、下層６に孔３８を設けても良い。しかしながら金属板のリッド３０に孔３２を設けると作業が簡単で、かつ正確なサイズの孔を設けることができる。

図１０は第２の実施例を示し、ハウジング５０は熱硬化性樹脂のプラスチックハウジングで、金属板５６，５８を埋設するように成型されている。フィルタ１４を収容する凹部５４とセンサ本体２２を収容する凹部５２とがハウジング５０に設けられ、凹部５２，５４は溝１８で連通している。なお金属板５８はプリント基板へのガスセンサの取付を強固にするためのもので、設けなくても良い。図１０の実施例では、メタライズド配線２１ではなく、金属板５６を用いるので、ハウジング５０はハウジング４に比べ大形化する。他の点では、図１〜図７の実施例と同様である。

２ガスセンサ
４ハウジング
６下層
８中層
１０上層
１２凹部
１４フィルタ
１６仕切り
１８溝
２０凹部
２１配線
２２センサ本体
２３ダイボンド層
２４リード
２５，２６溝
２７配線
２８，２９配線
３０リッド
３２孔
３４孔
３６凹部
３７絶縁膜
３８感ガス膜
３９脚
４０，４１パッド
４２切欠部
４４仕切り
４６溝
４８孔
５０プラスチックハウジング
５２，５４凹部
５６，５８金属板

Claims

ハウジング内にセンサ本体を収容しているガスセンサにおいて、
ハウジングは、センサ本体を収容している第１の凹部と、周囲のガスから妨害ガスを除去するフィルタを収容している第２の凹部と、第１の凹部と第２の凹部との間のガスの流路とを備え、第１の凹部と第２の凹部はハウジングの同じ面に設けられ、さらに第２の凹部は第１の凹部の側方に設けられていることを特徴とする、ガスセンサ。
第１の凹部と第２の凹部とを覆うリッドがハウジングに固定されていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
リッドは金属板から成り、第２の凹部と向き合う位置で、フィルタへ周囲の雰囲気を導く孔がリッドに設けられていることを特徴とする、請求項２のガスセンサ。
ハウジングはセラミック製で、第１の凹部内とハウジングの底面とを接続するメタライズド配線が設けられ、前記配線にセンサ本体の電極が接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかのガスセンサ。
センサ本体が、シリコンチップの表面に設けた絶縁膜上に感ガス部を設けたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのガスセンサ。