JP2015127642A - Memsガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【効果】簡単な構造で、MEMSガスセンサのフィルタを再生できる。
【選択図】図1
Description
特許文献2は、フィルタをアクチュエータで回転させるため大がかりで、MEMSガスセンサに適用することは難しい。
この発明の課題は、MEMSガスセンサに適したフィルタの再生機構を提供することにある。
前記ハウジングに収容されているフィルタと、
前記フィルタを再生するための再生手段とを有する。再生手段は、例えばフィルタを加熱するフィルタ用ヒータである。
図1,図2に、第1の実施例のMEMSガスセンサ2を示す。4はMEMSチップで、例えばSi基板の空洞上に設けた架橋部、あるいはダイアフラムに、膜状のヒータと、厚膜のSnO2膜とを設け、これらに各々電極を接続する。空洞を設けるには、架橋部側からアンダーカットエッチングしても、ダイアフラムの反対側からエッチングしても良い。金属酸化物半導体の種類は、SnO2に限らず任意である。
・ フィルタの材質に繊維状活性炭が好ましい点、
・ 100〜250℃、好ましくは150〜200℃で、1分〜1時間程度、フィルタを加熱して再生することが好ましい点、
・ 再生を定期的に行う場合、1日1回〜1月に1回程度が好ましい点、
・ 電池の電力で再生する場合、1分〜10分の加熱が好ましく、再生は1週間に1回〜1月に1回とし、ガスセンサ2を温度変化させる際の出力波形から、雑ガスの有無、あるいはフィルタ18の調湿能力が飽和したことを検出し、再生を行うことが好ましい。この点は、各実施例に共通である。実施例毎の相違は、MEMSガスセンサのハウジングと、フィルタ用ヒータの配置、及びヒータに代えてLED光でも再生できる点で、他の点は共通である。
図3,図4の実施例のMEMSガスセンサ40では、ベース42上にMEMSチップ4を取り付ける。蓋42と壁43とにより、MEMSチップ4の収容スペースとフィルタ18の収容スペースを設け、孔44,45により、周囲雰囲気をMEMSチップ4へ導入する。フィルタ18を加熱するためのフィルタ用ヒータ46を、印刷等により例えばベース46に配線し、端面配線47,48等により、MEMSチップ4とヒータ46とを図示しないプリント基板側へ接続する。
図5のMEMSガスセンサ50では、フィルタ18’として光触媒を用い、LED55からの光でフィルタ18’の再生(活性化)を行う。即ち、ベース52上にMEMSチップ4とLED55とを実装し、フィルタ18’を収容した筒状のカバー53をベース52に固定し、開口54から周囲の雰囲気を導入し、LED光によりフィルタ18’を再生する。
図6〜図8のMEMSガスセンサ60では、テープ状ヒータ70を例えば金属のカバー54に貼り付けて、フィルタ用のヒータとする。61はベースで、MEMSチップ4が例えばダイボンドされて、ステム62にワイヤ7で接続され、金属の筒状カバー64はベース61に例えばカシメられている。カバー64の上部に収容したフィルタ18を、押さえリング65で固定する。なおフィルタ18として、フェルト状の繊維状活性炭をカバー64の内部の形状に合わせて成型したものを用いると、押さえリング65は不要である。66はガス導入用の開口である。
図9,図10のMEMSガスセンサ90では、ベース91にMEMSチップ4を例えばダイボンドし、ステム62に配線する。伝熱性と比熱とを低くするため、合成樹脂あるいは多孔質のセラミック等の筒状カバー93をベース91に取り付け、カバー93の内部にフィルタ94を収容する。そしてコイル状のフィルタ用ヒータ92により、フィルタ94を再生する。なおステム62を、MEMSチップ4に4本、ヒータ92に2本で、例えば合計6本設ける。
図11〜図13のMEMSガスセンサ110では、MEMSチップ4上に、MEMS技術により製造したフィルタチップ112をマウントする。フィルタチップ112は、Si基板を貫通する貫通孔115上にダイアフラム114を備え、ダイアフラム114には開口120が有る。ダイアフラム114上に、フィルタ用ヒータ118とフィルタ116とが有り、フィルタ116は繊維状の活性炭等でも良いが、好ましくは貴金属を担持しかつ高い酸化活性を有する空気浄化触媒とし、厚膜状である。このような空気浄化触媒には例えばホプカライト等があり、失活しやすいので、ヒータ118により再生する。またヒータ118は、例えばワイヤ7’、あるいは端面配線等により、MEMSチップ4側へ配線する。122はセラミックのベース、124はセラミックのカバーで、125は開口である。
図14〜図16に、実施例のMEMSガスセンサに適したガス検出装置を示す。図14において、μ1はマイクロコンピュータで、T1〜T3はトランジスタ等のスイッチ、E1はリチウムイオン電池等の電池で、1次電池でも2次電池でも良い。ガス検出装置を携帯用とする場合、好ましくは2次電池を用い、不使用時に充電器E2から充電する。RHはMEMSチップ内のヒータで、金属酸化物半導体の加熱用であり、RSはガス検出用の金属酸化物半導体である。RLは負荷抵抗、RFはフィルタ用のヒータである。
図17に、接触燃焼式MEMSガスセンサのMEMSチップ160を示す。チップ160の空洞162上に一対の架橋部164が設けられ、例えば4本あるいは2本等の脚163により支持されている。架橋部164にはPt膜等のヒータパターン166が設けられている。また架橋部164は開口168を備えて、ガスが架橋部164の裏面まで拡散しやすくしているが、開口168は設けなくても良い。そして一対の架橋部164の一方を、γ-Al2O3-Pd等の酸化触媒のビーズあるいは厚膜で被覆して検出片とし、他方をγ-Al2O3等の触媒活性の低いビーズあるいは厚膜で被覆して参照片とする。MEMSチップ160は図1〜図13の金属酸化物半導体ガスセンサと同様のハウジングに実装し、ヒータ付きのフィルタを備えるMEMS接触燃焼式ガスセンサとする。フィルタは繊維状活性炭が好ましく、フィルタとそのヒートクリーニングとに関する、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサでの記載は、そのままMEMS接触燃焼式ガスセンサにも当てはまる。
4 MEMSチップ
6 ベース
7 ワイヤ
8 壁
10 蓋
12,16 開口
14 カバー
18 フィルタ
20 フィルタ用ヒータ
22 配線
24 端面配線
26 プリント基板
28 バンプ
30 配線
40 MEMSガスセンサ
41 ベース
42 蓋
43 壁
44,45 孔
46 フィルタ用ヒータ
47,48 端面配線
50 MEMSガスセンサ
52 ベース
53 カバー
54 開口
55 LED
60 MEMSガスセンサ
61 ベース
62 ステム
64 カバー
65 押さえリング
66 開口
70 テープ状ヒータ
72 ヒータ線
73 粘着層
74 絶縁層
75 金属層
90 MEMSガスセンサ
91 ベース
93 カバー
92 フィルタ用ヒータ
94 フィルタ
110 MEMSガスセンサ
112 フィルタチップ
114 ダイアフラム
115 貫通孔
116 フィルタ
118 フィルタ用ヒータ
120 開口
151 ヒータドライブ
152 VCドライブ
153 ADコンバータ
154 ガス検出部
155 フィルタ劣化検出部
156 ヒートクリーニング部
157 外部出力
158 管理部
160 MEMSチップ
162 空洞
163 脚
164 架橋部
166 ヒータパターン
168 開口
μ1 マイクロコンピュータ
E1 電池
E2 充電器
T1〜T3 スイッチ
RH ヒータ
RS 金属酸化物半導体
RL 負荷抵抗
RF フィルタ用ヒータ
Claims (7)
- Si基板の空洞部上に設けた架橋部もしくはダイアフラムに、ガス検出材料とヒータとが設けられているMEMSチップと、
前記MEMSチップが固定されているハウジングと、
前記ハウジングに収容されているフィルタと、
前記フィルタを再生するための再生手段、とを有するMEMSガスセンサ。 - 前記フィルタが繊維状活性炭から成ることを特徴とする、請求項1のMEMSガスセンサ。
- 前記ハウジングはセラミックハウジングで、
セラミックハウジングに、前記MEMSチップと前記フィルタと、フィルタ用ヒータを構成する膜状の配線とが設けられていることを特徴とする、請求項1または2のMEMSガスセンサ。 - 前記フィルタ用ヒータはテープ状のヒータで、ヒータ線と、ヒータ線を収容する絶縁層と、絶縁層の一面に設けれられて前記ハウジングに固定されている粘着層とを有する、ことを特徴とする、請求項1または2のMEMSガスセンサ。
- 前記ハウジングは、前記MEMSチップが取り付けられているベースと、ベースに固定されている筒状のカバーとから成り、カバーの内部に前記フィルタが収容され、前記カバーの外周に前記テープ状のヒータが取り付けられていることを特徴とする、請求項4のMEMSガスセンサ。
- 貫通孔を有するフィルタチップを備え、
前記フィルタチップの前記貫通孔上に、前記フィルタと前記フィルタ用ヒータとが取り付けられ、
前記貫通孔がMEMSチップの架橋部もしくはダイアフラムに面するように、前記フィルタチップが前記MEMSチップ上に取り付けられていることを特徴とする、請求項1のMEMSガスセンサ。 - 前記ガス検出材料が膜状の金属酸化物半導体であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかのMEMSガスセンサ。
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