JP2015034718A - 可燃性ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム構造部を有する熱伝導式の可燃性ガス検出装置の検出精度を向上させた可燃性ガス検出装置を提供する。
【解決手段】表面と底面との間を貫通する空洞部３０１を有する基板５上に、空洞部の表面側を閉塞するとともに、被検出雰囲気に晒されるダイヤフラム構造部３９Ｄが形成され、当該ダイヤフラム構造部に、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体８を備えたガス検出素子３と、ガス検出素子を搭載する配線基板２と、を備えた可燃性ガス検出装置１０であって、基板における空洞部の周囲に位置するリム部５の底面５Ｒと配線基板の表面２５Ｒとの間のうち、その一部に、ガラスを含む接着層６１が介装され、該接着層が介装されない部位を介して空洞部が外部と連通している。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダイヤフラム構造部を有するガス検出素子を配線基板に搭載した可燃性ガス検出装置に関する。

近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率で、クリーンなエネルギー源として燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、家庭用、車載用などのエネルギー源として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関が期待されている。これらのシステムでは、例えば、可燃性ガスである水素を燃料としているため、ガス漏れの検知が重要な課題の一つとして挙げられている。

この種の被検出雰囲気中に存在する可燃性ガスのガス濃度を検出するガス検出装置として、被検出雰囲気内にガス検出素子を配置し、このガス検出素子に、自身の温度変化（発熱）により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えた熱伝導式のガス検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このガス検出装置では、発熱抵抗体に通電されて発熱抵抗体が発熱した際に可燃性ガスへの熱伝導（気体熱伝導）が生じる。そのため、ガス検出素子の温度を一定の温度に制御する場合、熱伝導によって発熱抵抗体の温度が変化するとともに抵抗値が変化するため、その変化量に基づき、被検出ガスを検出することができる。
そして、上記ガス検出素子はＭＥＭＳの技術を用いて作製されており、基板上にダイヤフラムを形成する絶縁層を設け、この絶縁層に発熱抵抗体を配置させる構成を採っている。これにより、発熱抵抗体から基板への熱逃げがダイヤフラム部分で少なくなるので、発熱抵抗体の熱が被検出ガスへ伝わり易くなる。

又、ダイヤフラム構造部を有するガス検出素子を配線基板内に接着剤により固定、保持することが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特許第4960136号公報 特開2005-189238号公報

ところで、ガス検出素子を配線基板に固定するための接着剤としては、一般にエポキシ樹脂や銀ペースト等が用いられている。
しかしながら、これらの接着剤は、高湿度環境等に晒されると経年劣化して変質し、熱伝導率が初期の値から変化する。このため、ダイヤフラム構造部近傍でガス検出素子から配線基板へ接着剤を介して逃げる熱量も変化してしまい、ガス検出素子の測定精度が低下するおそれがある。特に、上記した熱伝導式のガス検出素子の場合、可燃性ガスへの熱伝導を用いてガスを検出しているため、ガス検出素子から配線基板への熱逃げ量が変化すると、測定精度の低下が大きくなる。

そこで、本発明は、ダイヤフラム構造部を有する熱伝導式の可燃性ガス検出装置の検出精度を向上させた可燃性ガス検出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の可燃性ガス検出装置は、表面と底面との間を貫通する空洞部を有する基板上に、前記空洞部の表面側を閉塞するとともに、被検出雰囲気に晒されるダイヤフラム構造部が形成され、当該ダイヤフラム構造部に、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えたガス検出素子と、前記ガス検出素子を搭載する配線基板と、を備えた可燃性ガス検出装置であって、前記基板における前記空洞部の周囲に位置するリム部の底面と前記配線基板の表面との間のうち、その一部に、ガラスを含む接着層が介装され、該接着層が介装されない部位を介して前記空洞部が外部と連通している。
この可燃性ガス検出装置によれば、ガス検出素子を配線基板に固定する接着層はガラスを含むので、エポキシ樹脂や粘着テープ等の樹脂からなる接着層のように高湿度環境等に晒されて劣化、変質することが少なく、熱伝導率が初期の値からほとんど変化しない。このため、ダイヤフラム構造部近傍でガス検出素子から配線基板へ接着層を介して逃げる熱量も変化せず、ガス検出素子の測定精度の低下を抑制することができる。
又、ダイヤフラム構造部の下側の空洞部が外部と連通しているので、空洞部が密閉されず、可燃性ガス検出装置が加熱又は冷却された場合に、空洞部の気圧が高くなりすぎ、あるいは低くなりすぎて、ダイヤフラム構造部が破損する不具合が防止される。

前記リム部の前記底面の内側縁よりも外側に前記接着層が付着していることが好ましい。換言すれば、前記リム部の内側縁に前記接着層が付着していないことが好ましい。
ガス検出素子と配線基板との隙間の毛管現象により、接着層となる接着剤が周囲へ広がってゆく。この場合、接着剤がリム部の底面の内側縁に付着していると、毛管現象によって接着剤がダイヤフラム構造部（リム部）の内壁面にも付着し、ダイヤフラム構造部の開口容積が小さくなる。すると、ダイヤフラム構造部近傍でガス検出素子から配線基板へ逃げる熱量も変化し、ガス検出素子の測定精度が低下するが、本実施形態によれば接着剤がダイヤフラム構造部（リム部）の内壁面に付着しないので、かかる不具合を抑制することができる。

前記接着層は軟化点が６００℃以下の低融点ガラスからなることが好ましい。
この可燃性ガス検出装置によれば、接着時にガス検出素子や配線基板への熱影響を少なくすることができる。

この発明によれば、ダイヤフラム構造部を有する熱伝導式の可燃性ガス検出装置の検出精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置の分解斜視図である。 保護キャップを外した可燃性ガス検出装置本体の平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 可燃性ガス検出装置の主要部となるガス検出素子の構成を示す平面図である。 図４におけるＢ−Ｂ線に沿ったガス検出素子の断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置１０の分解斜視図、図２は保護キャップを外した可燃性ガス検出装置本体１の平面図である。
図１において、可燃性ガス検出装置１０は、ガス検出素子３を搭載（実装）した配線基板（支持体）２からなる可燃性ガス検出装置本体１と、この可燃性ガス検出装置本体１（配線基板２）の被保護面２Ｓ及びこれに囲まれたキャビティ２１（凹部）を覆う保護カバー９とを備える。

配線基板２は、略直方体形状を有しており、略四角枠状の被保護面２Ｓに囲まれ、内部にガス検出素子３を搭載する空間をなすキャビティ２１が凹設されている。配線基板２の対向する短辺の側壁は内側に凹んだ案内凹部２Ａ，２Ｂを構成している。また、この案内凹部２Ａ，２Ｂは、被保護面２Ｓの裏面２Ｅ側（図３参照）でさらに一段内側に凹み、係合凹部２Ｃ，２Ｄが形成されている。
又、配線基板２はセラミック絶縁層、具体的には４層のアルミナ質のセラミック絶縁層２４，２５，２６，２７を積層してなる多層基板である。そして、配線基板２の対向する長辺の側壁には、略半円筒、あるいは１／４円筒状に凹設されたいわゆるキャステレーションが複数形成されている。配線基板２の内部配線は、このキャステレーション部分に引き出され、さらにこのキャステレーションを通じて、図示しないこの配線基板２の裏面２Ｅまで引き回され、プリント配線基板などにハンダ付け接続可能となっている。

図３に示すように、配線基板２は、最下層に位置する略矩形平板状のセラミック絶縁層２４上に、セラミック絶縁層２５が積層され、さらに、略矩形枠状のセラミック絶縁層２６が積層されている。さらに、この上には、セラミック絶縁層２６より幅細で略矩形枠状のセラミック絶縁層２７が積層されている。これにより、セラミック絶縁層２５がキャビティ２１の底面（表面）２５Ｒを構成し、セラミック絶縁層２６がキャビティ２１内の段部２２を構成している。段部２２は被保護面２Ｓより段状に下がりつつ、表面２５Ｒを矩形枠状に囲んでいる。
底面２５Ｒは特許請求の範囲の「配線基板の表面」に相当する。
そして、段部２２のうち、一辺（図１、図２の下側の辺）に相当するパッド形成辺部２２Ｐ（図２参照）には、３つの基板側パッド２３が一列に並んで形成されている。具体的には図２に示すように、図２の左から、第１パッド２３Ａ，第２パッド２３Ｂ，グランドパッド２３Ｃがこの順に一列に並んでいる。

なお、これらの基板側パッド２３は、公知の構造によって外部と接続可能となっている。具体的には、基板側パッド２３は、それぞれ図示しない内部配線を通じて、配線基板２の側面に形成されたキャステレーションに引き出され、このキャステレーションに形成された導電層を通じて、その裏面２Ｅの接続パッド（図示しない）に接続している。これにより、プリント配線基板などの支持基板に、この可燃性ガス検出装置１０を搭載することができる。

次に、ガス検出素子３の構成について説明する。図４はガス検出素子３の平面図を示し、図５は図４のＢ−Ｂ矢視断面図を示す。
図４に示すように、ガス検出素子３は、平面視矩形状（平面視四角形状）をなしており、表裏面を貫通する空洞部３０１（図５参照）を有するシリコン基板５と、空洞部３０１の表面側を閉塞する（覆う）ようにシリコン基板５上に形成された絶縁層６とを備えたダイヤフラム構造部３９Ｄを有している。そして、このダイヤフラム構造部３９Ｄ（詳細には絶縁層６）内に、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体８が埋設されている。なお、シリコン基板５は、自身の底面側からダイヤフラム構造部３９Ｄに向かってピラミッド形状（四角錐形状）に除去されており、シリコン基板５は空洞部３０１の周囲を囲むリム部（枠部、周縁部）となっている。従って、シリコン基板５が特許請求の範囲の「基板」に相当すると共に、「リム部」に相当する。又、シリコン基板（リム部）５の底面５Ｒは、平面から見てロ字状（四角形枠状）をなしている。

発熱抵抗体８は、被検出ガスの温度（詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導）に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体である。発熱抵抗体８は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体８から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗体８における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
そして、絶縁層６のうち、空洞部３０１に対応するダイヤフラム構造部３９Ｄの内部に発熱抵抗体８を設けることにより、発熱抵抗体８が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、ガス検出素子３の熱容量を小さくすることができる。
絶縁層６は、単一の材料で形成されてもよいし、異なる材料を用いて複数層を成すように形成されてもよい。絶縁層６としては、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等を例示することができる。

測温抵抗体７は、可燃性ガス検出装置１０の検出空間内に存在する被検出ガスの温度を検出するためのものであり、ガス検出素子３の上辺（一辺）に沿って、絶縁層６に埋設されている。測温抵抗体７は、抵抗値が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。
そして、ガス検出素子３の一辺３Ｐ（図３の下側の辺、以下、「電極取出し辺」という）上には、図４の左側から４個の電極パッド３Ａ〜３Ｄが、この順に一列に並んでおり、これらのパッドはワイヤボンディング可能になっている。ここで、発熱抵抗体８の左端は所定の配線を介して電極パッド３Ｂに接続され、発熱抵抗体８の右端は所定の配線を介して電極パッド３Ｃに接続されている。測温抵抗体７は、所定の配線を介して電極パッド３Ａ及び電極パッド３Ｄに接続されている。
電極パッド３Ａ〜３Ｄは、コンタクトホール３Ｈ（図５）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。

ガス検出素子３は、縦横ともに数ｍｍ（例えば３ｍｍ×３ｍｍ）程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術（マイクロマシニング加工）により製造される。

そして、図１、図２に示すように、配線基板２のキャビティ２１内には、パッド形成辺部２２Ｐにガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐが対向するようにしてガス検出素子３が収容され、後述する接着層を介して両者が固定（接着）される。
さらに、図２に示すように、ガス検出素子３の電極パッド３Ａは配線基板２の第１パッド２３Ａに、電極パッド３Ｂは第２パッド２３Ｂに、電極パッド３Ｃ及び電極パッド３Ｄはグランドパッド２３Ｃに、それぞれボンディングワイヤ５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄを介して接続される。

そして、後述する接着層によりガス検出素子３が配線基板２に実装されて可燃性ガス検出装置本体１が構成され、この可燃性ガス検出装置本体１を保護すべく保護カバー９が取り付けられる。
図１に示すように、保護カバー９は、略平板状で配線基板２の被保護面２Ｓ及びキャビティ２１を覆う大きさの保護プレート面９１を有している。このうち、保護プレート面９１には、複数の所定位置に通気孔９１Ａが穿孔され、この通気孔９１Ａを通じて、被測定ガスがガス検出素子３に導かれる。また、保護プレート面９１には、この保護カバー９の取り付け方向を示す方向指示切り欠き９１Ｂがその周縁に形成されて、１８０度回転した状態で誤って可燃性ガス検出装置本体１（配線基板２）に取り付けられるのを防止している。
そして、接着剤又は粘着テープ等を介して配線基板２の被保護面２Ｓと保護カバー９とを接着（固定）する。
なお、配線基板としては、セラミック製の配線基板に限られず、樹脂製またはグレーズ製の配線基板であっても良い。また、配線基板とガス検出素子との接続は、両者のパッド同士をボンディングワイヤで接続するほか、ＴＡＢリードを用いることもできる。

次に、図２、図３を参照し、接着層６１によりガス検出素子３を配線基板２に固定（実装）する態様について説明する。まず、配線基板２のセラミック絶縁層２５の表面２５Ｒの所定位置に接着層６１となる接着剤を供給（塗着）した後、キャビティ２１内にガス検出素子３を収容する。
ここで、本実施形態では接着層６１（接着剤）はガラスからなるので、エポキシ樹脂や粘着テープ等の樹脂からなる接着層のように高湿度環境等に晒されて劣化、変質することが少なく、熱伝導率が初期の値からほとんど変化しない。このため、ダイヤフラム構造部３９Ｄ近傍でガス検出素子３から配線基板２へ接着層６１を介して逃げる熱量も変化せず、ガス検出素子３の測定精度の低下を抑制することができる。特に、上記した熱伝導式のガス検出素子の場合、可燃性ガスへの熱伝導を用いてガスを検出しているため、ガス検出素子３から配線基板２への熱逃げ量が変化すると、測定精度の低下が大きくなるので、接着層６１にガラスを用いることが有効である。
接着層６１に用いるガラスは特に制限されず、例えばケイ酸塩を主成分とするガラスを用いてもよいが、接着時にガス検出素子３や配線基板２への熱影響を少なくするため、軟化点が６００℃以下の低融点ガラスを用いることが好ましい。上記低融点ガラスとしては、バナジウム(V-P-O)系、ビスマス(Bi-B-O)系、鉛(Pb-B-O)系のものが挙げられる。ここで、V-P-Oとは、バナジウム酸化物とリン酸化物とを所定の配合比で含むガラス組成を表す。
又、本実施形態では、接着層６１（接着剤）がガラスからなるが、これに限られず、本発明の効果を発揮できる範囲で接着層６１がガラスと、ガラス以外の成分とを含んでもよい。例えば、接着層６１（接着剤）がガラスを主体（５０質量％以上）とし、金属等のガラス以外の成分を含有してもよい。

又、本実施形態では、キャビティ２１内の四隅にそれぞれ接着剤を供給する。これにより、ガス検出素子３のシリコン基板（リム部）５の底面５Ｒと、配線基板２の表面２５Ｒとの間の一部（底面５Ｒの四隅に相当）に接着層６１が介装される。そして、底面５Ｒと表面２５Ｒとの間のうち接着層６１が介装されなかった部分では、底面５Ｒと表面２５Ｒとに隙間Ｇが生じ、この隙間Ｇを介して空洞部３０１が外部と連通している。これにより、空洞部３０１が密閉されないので、例えば可燃性ガス検出装置本体１が加熱又は冷却された場合に、空洞部３０１の気圧が高くなりすぎ、あるいは低くなりすぎて、空洞部３０１の表面側のダイヤフラム構造部３９Ｄが破損する不具合が防止される。
これに対し、例えば底面５Ｒの四周に切れ目なく接着層６１を介装した場合、空洞部３０１が密閉されるので、可燃性ガス検出装置本体１の温度変化等に伴い、ダイヤフラム構造部３９Ｄが破損するおそれがある。
なお、リム部５の底面５Ｒとは、実装時にガス検出素子３が配線基板２に対向する面であり、配線基板の表面２５Ｒとは、実装時に配線基板２がガス検出素子３に対向する面である。

接着層６１となる接着剤は、例えば、ノズルで点状（ドット状）に表面２５Ｒの所定位置（図２の例では４箇所）に供給することができる。又、図２、図３の例では、接着層６１は底面５Ｒの外縁から配線基板２の段部２２寄りにはみ出し、全体として１つの円（ドット状）になっている。接着層６が底面５Ｒの外縁からはみ出していると、接着層６１が適切に塗着されたか否かを目視で容易に検査することができる。
又、ガス検出素子３の底面５Ｒが、少なくとも対向する２箇所で配線基板２に固定（接着）されていると、ガス検出素子３のダイヤフラム構造部３９Ｄが片持ち式でなく２点以上で固定される。その結果として、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子３が振れてダイヤフラム構造部３９Ｄが破損することが抑制される。

さらに、図３に示すように、本実施形態では、シリコン基板（リム部）５の底面５Ｒの内側縁よりも外側に接着層６１が付着している。換言すれば、シリコン基板（リム部）５の内側縁５ｅに接着層６１が付着しておらず、内側縁５ｅより外側の底面５Ｒに接着層６１が介装されている。配線基板２の表面２５Ｒに接着剤を供給（塗着）した後、ガス検出素子３（の底面５Ｒ）を押し付けると、ガス検出素子３とセラミック絶縁層２５との隙間の毛管現象により、接着剤が周囲へ広がってゆく。この場合、接着剤がリム部５の内側縁５ｅに付着していると、毛管現象によって接着剤がダイヤフラム構造部３９Ｄ（リム部５）の内壁面３９Ａにも付着し、空洞部３０１の開口容積が小さくなる。すると、ダイヤフラム構造部３９Ｄ近傍でガス検出素子３から配線基板２へ逃げる熱量も変化し、ガス検出素子３の測定精度が低下する場合がある。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では１個のガス検出素子を配線基板に実装したが、２個以上のガス検出素子を１つの配線基板に実装してもよい。
又、ガス検出素子３の平面形状は四角形状に限らず、多角形状であればよく、その大きさ、厚み、各部材の配置も限定されるものではない。

２ 配線基板
３ ガス検出素子
５ リム部（基板）
５Ｒ リム部の底面
５ｅ リム部の内側縁
８ 発熱抵抗体
１０ 可燃性ガス検出装置
２５Ｒ 配線基板の表面
３９Ｄ ダイヤフラム構造部
６１ 接着層
３０１ 空洞部

Claims (3)

1. 表面と底面との間を貫通する空洞部を有する基板上に、前記空洞部の表面側を閉塞するとともに、被検出雰囲気に晒されるダイヤフラム構造部が形成され、
   当該ダイヤフラム構造部に、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えたガス検出素子と、
   前記ガス検出素子を搭載する配線基板と、を備えた可燃性ガス検出装置であって、
   前記基板における前記空洞部の周囲に位置するリム部の底面と前記配線基板の表面との間のうち、その一部に、ガラスを含む接着層が介装され、該接着層が介装されない部位を介して前記空洞部が外部と連通している可燃性ガス検出装置。
2. 前記リム部の前記底面の内側縁よりも外側に前記接着層が付着している請求項１に記載の可燃性ガス検出装置。
3. 前記接着層は軟化点が６００℃以下の低融点ガラスからなる請求項１又は２に記載の可燃性ガス検出装置。

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