JP2015200644A - センサー素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の感知物を感知することのできるセンサー素子を提供する。
【解決手段】垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板110、120、130、140と、選択された少なくとも1枚の基板130の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ210、220、230、240と、前記複数のヒータが形成された基板の上側の選択された少なくとも1枚の基板140の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極310、320、330、340と、前記複数の感知電極に各々接触され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質と、を備えるセンサー素子である。
【選択図】図2
【解決手段】垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板110、120、130、140と、選択された少なくとも1枚の基板130の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ210、220、230、240と、前記複数のヒータが形成された基板の上側の選択された少なくとも1枚の基板140の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極310、320、330、340と、前記複数の感知電極に各々接触され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質と、を備えるセンサー素子である。
【選択図】図2
Description
本発明は、センサー素子に係り、特に、複数の感知物を感知することのできるセンサー素子に関する。
最近の生活環境汚染および健康への関心の増加には目を見張るものがあり、これに伴い、各種の環境有害ガスの感知への必要性が大幅に増大している。毒性ガスと爆発性ガスの検知の需要に応えて右肩上がりで発展を続けてきた有害性ガスセンサーは、今日、健康管理、生活環境モニターリング、産業安全、家電とスマートホーム、国防とテラーなどに対する人間の生活の質の向上などの要求により多くの需要が発生している。この理由から、ガスセンサーは災害のない社会を実現するための手段となり、これに伴い、環境有害ガスのより正確な測定および制御が求められている。
ガスセンサーは、形態、構造および材料により、半導体式ガスセンサー、固体電解質式ガスセンサー、接触燃焼式ガスセンサーなどに分けられる。中でも、半導体式ガスセンサーは、低濃度における出力の変化が大きいため感度が良好であり、しかも、耐久性に優れているというメリットがある。半導体式ガスセンサーは、約100℃〜500℃で動作するため、抵抗の変化を感知するための感知電極と、感知電極の上に塗布された感知物質と、感知物質の温度を高めるためのヒータ(発熱体)と、を備える。このような半導体式ガスセンサーは、ヒータを用いて加熱するときに感知物質にガスが吸着されれば、吸着されたガスにより感知電極と感知物質との間において発生する電気的な特性の変化を測定する。このような ガスセンサーの例が、例えば、下記の特許文献1に開示されている。
ところが、通常の半導体式ガスセンサーは、各々一つのヒータと、感知電極および感知物質からなるため、特定の一つのガスしか感知することができない。このため、一つのガスセンサーを用いて複数のガスを感知することができず、複数のガスを感知するためには、複数のガスを各々別々に感知する複数のガスセンサーが必要である。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、複数の感知物を同時に感知することのできるセンサー素子を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、複数のガスを各々別々に感知する複数の単位ガスセンサーを同じ基板の上に実現したセンサー素子を提供することにある。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、異なる温度で駆動される複数の単位ガスセンサーを同時に駆動することのできるセンサー素子を提供することにある。
本発明の一態様によるセンサー素子は、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板と、選択された少なくとも1枚の基板の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータと、前記複数のヒータが形成された基板の上側の選択された少なくとも1枚の基板の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極と、前記複数の感知電極に各々接触され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質と、を備えることを特徴とする。
好ましくは、前記ヒータの下部に設けられたベースヒータをさらに備える。
また、好ましくは、前記複数のヒータは、少なくとも2以上の温度で各々発熱する。
さらに、好ましくは、前記複数の感知電極には、各々少なくとも一つ以上の切欠部が形成される。
さらに、好ましくは、前記複数の感知物質は、少なくとも2以上の材料により形成される。
さらに、好ましくは、前記複数枚の基板の上の所定の領域に外部に露出されるように形成され、前記複数のヒータおよび複数の感知電極に各々電源を供給するための第1および第2の露出電極をさらに備える。
さらに、好ましくは、前記第1および第2の露出電極のうちの少なくともいずれか一方は、導電性物質が埋め込まれた孔を介して垂直方向に接続される。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサー素子は、前記第1および第2の露出電極のうちの少なくともいずれか一方から水平方向に形成された複数本の水平接続配線と、前記水平接続配線から垂直方向に形成されて前記複数のヒータに各々接続される複数本の垂直接続配線と、をさらに備える。
さらに、好ましくは、前記垂直接続配線は、前記基板に形成された導電性物質が埋め込まれた孔により形成される。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサー素子は、前記複数の感知物質を覆うように前記基板の上部に設けられた上部カバーおよび前記基板の下部に設けられたヒートシンクのうちの少なくともいずれか一方をさらに備える。
さらに、好ましくは、前記上部カバーは、少なくとも2枚以上のセラミック板、金属板またはプラスチック板が積み重ねられ、少なくとも一つの開口および網目が形成される。
さらに、好ましくは、前記ヒートシンクは、少なくとも2枚以上のセラミック板が積み重ねられ、前記積み重ねられたセラミック板には開口が形成される。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサー素子は、前記ヒートシンクの下部に設けられた下部カバーをさらに備える。
本発明の他の態様によるセンサー素子は、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板の上に各々形成されたヒータと、感知電極および感知物質を備え、少なくとも1種のガスを感知する単位センサーを備え、前記ヒータと、感知電極および感知物質が各々水平方向に複数配置されて異なる複数の対象物を感知する複数の単位ガスセンサーを備えることを特徴とする。
好ましくは、本発明の他の態様によるセンサー素子は、前記基板の下部に設けられたベースヒータをさらに備える。
また、好ましくは、前記複数のヒータは、少なくとも2以上の温度で各々発熱する。
さらに、好ましくは、前記複数の感知電極には、各々少なくとも一つ以上の切欠部が形成される。
さらに、好ましくは、前記複数の感知物質は、少なくとも2以上の材料により形成される。
本発明の実施形態によるセンサー素子は、1枚の基板の上に異なる温度で発熱する複数のヒータが隔設され、その上部の他の基板の上に複数の感知電極が隔設され、複数の感知電極と各々接触されるように異なるガスを感知する複数の感知物質が各々隔設された複数の単位ガスセンサーを備える。すなわち、複数のガスを各々別々に感知することのできる複数の単位ガスセンサーが同じ基板の上に形成される。このため、異なる複数のガスを同時に感知することができてセンサー素子 の活用性を向上させることができる。
また、複数の単位ガスセンサーを各々加熱する複数のヒータに加えて、複数の単位センサーを同時に加熱するベースヒータをさらに配設することにより、ヒータの安定化時間を短縮することができてセンサー素子 の動作準備時間を短縮することができる。また、ヒータの安定化時間の短縮によりヒータの電力の消耗を低減することができ、複数のヒータおよびびベースヒータを各々別々に制御して駆動システムの小型化を図ることができる。
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態を詳述する。しかしながら、本発明は、後述する実施形態に何ら限定されるものではなく、異なる種々の形態で実現される。単に、これらの実施形態は、本発明の開示を完全たるものにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。
図1は、本発明の一実施形態によるセンサー素子の結合断面図であり、図2は、同分解斜視図である。
図1および図2を参照すると、本発明の一実施形態によるセンサー素子は、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板100(110〜140)と、少なくとも1枚の基板100の上に形成され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ200(210、220、230、240)と、複数のヒータ200と絶縁されて少なくとも1枚の基板100の上に形成され、所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極300(310、320、330、340)と、複数の感知電極300と接触されるように1枚の基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質400(410、420、430、440)と、を備える。また、本発明の一実施形態によるセンサー素子 は、複数枚の基板100の上の所定の領域に形成されてヒータ200および感知電極300に電源を供給するための各々複数の第1および第2の露出電極500、700と、少なくとも2枚の基板100の上に形成され、第1の露出電極500と複数のヒータ200を接続する複数の接続配線600と、をさらに備える。このため、本発明の一実施形態によるセンサー素子は、同じ基板の上に複数の単位ガスセンサーが設けられ、各ガスセンサーは異なるガスを感知する。一方、図1は、本発明の一実施形態によるセンサー素子ヒータ200、接続配線600などの形状に倣って断面で示すものである。すなわち、図1は、第1の露出電極500から接続配線600およびヒータ200の形状に倣って切断した断面を示すものである。
複数枚の基板100(110〜140)は、所定の厚さを有する、例えば、四角形に設けられる。このような複数枚の基板100には各々複数の領域が画定され、各領域の上に複数の単位ガスセンサーが形成される。例えば、複数枚の基板100の各々には、周縁の所定の幅と中央部の所定の幅を除く領域に4つの領域が画定され、各領域に複数のヒータ200と、複数の感知電極300および複数の感知物質400が各々形成されて複数の単位ガスセンサーが形成される。このため、複数枚の基板100は、単位ガスセンサーの数および配置形状に応じて様々な形状を有するが、正方形、矩形状をはじめとする多角形状に設けられる。また、複数枚の基板100の所定の領域には複数の孔が形成され、複数の孔には導電性物質が埋め込まれて上下方向に電気的に接続される。一方、複数枚の基板100には、例えば、所定の厚さのセラミックシートが使用可能である。このために、例えば、Al2O3、ガラスフリットなどを含む組成にB2O3−SiO2系ガラス、Al2O3−SiO2系ガラス、その他のセラミック物質を混合してアルコール類などの溶媒でボールミルを用いてミリングして原料粉末を準備した後、原料粉末と有機バインダーを添加剤としてトルエン/アルコール(toluene/alcohol)系ソルベント(solvent)に溶解して投入し、小型のボールミルでミリングおよび混合してスラリーを製造した後、スラリーをドクターブレードなどの方法を用いて所望の厚さの板に製造する。
複数のヒータ200(210、220、230、240)は、ガスセンサーが外部の温度の影響を受けないように感知物質400の温度を一定に維持する役割を果たす。複数のヒータ200は、水平方向に分離されて形成される。すなわち、複数のヒータ200の各々は、同じ基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設される。例えば、複数のヒータ200は、第3の基板130の単位ガスセンサーが形成されるべき領域に各々形成される。また、複数のヒータ200の各々は、所定の屈曲を有するように形成される。例えば、複数のヒータ200の各々はスパイラル状に形成されるが、円形のスパイラル状、四角形のスパイラル状などに形成される。ここで、複数のヒータ200は、各々異なる温度で発熱するが、感知しようとするガスに応じて異なる温度で発熱する。例えば、第1のヒータ210は200℃の温度で発熱し、第2のヒータ220は300℃の温度で発熱し、第3のヒータ230は400℃の温度で発熱し、第4のヒータ230は500℃の温度で発熱する。このように異なる温度で発熱するために、複数のヒータ200の各々には異なる電源が供給されてもよく、抵抗を異ならせるために面積を異ならせて形成してもよく、抵抗が異なる複数の物質により各々形成されてもよい。すなわち、複数のヒータ200は、各々異なる温度で発熱するように、電源、面積、形成物質を各々異ならせて形成する。このようなヒータ200は導電性物質により形成可能であるが、例えば、金(Au)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、TiN、タングステン(W)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)などの金属物質または金属物質の混合物により形成される。さらに、ヒータ200は、クロム(Cr)またはチタン(Ti)など金属物質の接着力を増大させる物質および金属物質を用いて二重層に形成してもよい。
複数の感知電極300(310、320、330、340)は、複数の感知物質400と各々接触して感知物質400の電気的な特性の変化を感知する役割を果たす。複数の感知電極300は、水平方向に分離されて形成される。すなわち、複数の感知電極300の各々は、同じ基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設される。例えば、複数の感知電極300は、基板140の単位ガスが形成されるべき領域に各々形成される。また、複数の感知電極300は、複数のヒータ200と各々重なり合うように形成される。さらに、複数の感知電極300の各々は、少なくとも一つの領域に切欠部が形成される。すなわち、感知電極300は、少なくとも2つの電極が所定間隔を隔てて隔設される。このとき、感知電極300の切欠部は、ヒータ200と重なり合うことが好ましい。一方、このような感知電極300は、導電性物質により形成可能である、例えば、金(Au)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、TiN、タングステン(W)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)などの金属物質または金属物質の混合物により形成される。また、感知電極300は、クロム(Cr)またはチタン(Ti)など金属物質の接着力を増大させる物質および金属物質を用いて二重層に形成してもよい。このとき、感知電極300は、ヒータ200と同じ物質により形成される。
複数の感知物質400(410、420、430、440)としては、感知しようとする物質の量に応じて電気的な特性が変化する物質を用いる。このような複数の感知物質400は、複数の感知電極300と接触されるようにその上部に形成される。また、複数の感知物質400は、互いに接触されないように形成される。ここで、複数の感知物質400は、絶縁体と導電体との混合物質により形成される。例えば、感知物質400は、SnO2、ZnO、Fe2O3、WO3、TiO2のうちから選択された少なくともいずれか一種の母物質にPt、Pd、Ag、Niなどの触媒を混合した物質を含む。このため、複数の感知物質400は、感知しようとするガスおよびそれにより異なる温度で発熱する複数のヒータ200に応じて異なる物質により形成される。
複数の第1の露出電極500(510、520、530、540)は、複数のヒータ200に電源を供給するために設けられる。このような複数の第1の露出電極500は、少なくとも1枚の基板100に形成されるが、少なくとも一辺に露設される。例えば、複数のヒータ200に電源を供給するための複数の第1の露出電極500は、複数枚の基板100の一辺に露出されるように所定間隔を隔てて隔設される。また、第1の露出電極500は、複数枚の基板100の一辺に全て形成され、導電性物質が埋め込まれた孔により上下に接続される。すなわち、複数の第1の露出電極500が形成される領域に上下に貫通する孔が各々形成され、孔に伝導性物質が埋め込まれて第1の露出電極500が上下に接続される。しかしながら、複数の第1の露出電極500は上下に接続されることなく、複数枚の基板100の一辺の側面に露出されて半田付けに際して互いに接続されてもよい。一方、複数の第1の露出電極500は、各々(+)電源に接続される電極と、(−)電源に接続される電極と、を備えるが、図2中の図面符号「a」にて示す露出電極500には(+)電源が接続され、図面符号「b」にて示す露出電極500には(−)電源が接続される電極である。
接続配線600は、複数の第1の露出電極500と複数のヒータ200を各々接続するために設けられる。このような接続配線600は、水平方向に形成された水平接続配線610、620、630、640と、垂直方向に形成された垂直接続配線650、660、670、680と、を備える。また、水平接続配線610、620、630、640は、(+)電源が接続される第1の露出電極500に接続された第1の水平接続配線と、(−)電源が接続される第1の露出電極500に接続される第2の水平接続配線と、を備える。第1の水平接続配線は、図2に図面符号「a」にて示し、第2の水平接続配線は、図2に図面符号「b」にて示す。このとき、第1の水平接続配線と第2の水平接続配線は、異なる層の上に形成される。例えば、第1の水平接続配線610a、620aと第2の水平接続配線630b、640bは、第1の基板110の上に形成され、第2の水平接続配線610b、620bと第1の水平接続配線630a、640aは、第2の基板120の上に形成される。また、垂直接続配線650、660、670、680は、第1、第2および第3の基板110、120、130を貫通して、導電性物質が埋め込まれた孔により形成される。すなわち、複数の孔が第1乃至第3の基板110、120、130の同じ領域に形成され、導電性物質が埋め込まれて垂直方向に接続されることにより垂直接続配線650、660、670、680が形成される。垂直接続配線650、660、670、680は、第1の水平接続配線610a、620a、630a、640aに接続される第1の垂直接続配線650a、660a、670a、680aと、第2の水平接続配線610b、620b、630b、640bに接続される第2の垂直接続配線650b、660b、670b、680bと、を備える。このとき、第1の垂直接続配線650a、660a、670a、680aは、第1、第2および第3の基板110、120、130の所定の領域に形成されて互いに接続され、第2の水平接続配線610b、620b、630b、640bは、第2および第1の基板120、110の所定の領域に形成されて互いに接続される。このため、第1の露出電極510a、520a、530a、540aから第1の水平接続配線610a、620a、630a、640a、第1の垂直接続配線650a、660a、670a、680a、複数のヒータ200、第2の水平接続配線610b、620b、630b、640b、第2の垂直接続配線650b、660b、670b、680bおよび第1の露出電極510b、520b、530b、540bが電気的に接続されて複数のヒータ200が所定の温度で発熱する。
複数の第2の露出電極700は、複数の感知電極300に電源を供給するために設けられる。複数の第2の露出電極700は、第1の露出電極500が露出されていない1枚の基板100の少なくとも2つの辺に露設される。例えば、複数の第2の露出電極700は、複数の感知電極300が形成される第4の基板140の第1の露出電極500が形成されていない相対向する2つの辺に形成される。もちろん、第2の露出電極700は、第1の露出電極500と同様に、複数枚の基板100の同じ領域に形成され、導電性物質が埋め込まれた孔を介して接続されてもよい。ここで、複数の第2の露出電極700は、各々(+)電源に接続される電極と、(−)電源に接続される電極と、を備えるが、図2中の図面符号「a」にて示す第2の露出電極700には(+)電源が接続され、図2中の図面符号「b」にて示す第2の露出電極700には(−)電源が接続される電極である。
このような本発明の一実施形態によるガスセンサーについて、図2の分解斜視図を用いてさらに詳細に説明する。
第1の基板110の上には、複数の第1の露出電極500および複数の接続配線600が形成される。第1の基板110は、例えば、正方形に設けられ、複数の単位ガスセンサーが形成されるべき領域、例えば、4個の単位ガスセンサーが形成されるべき領域が画定される。複数の第1の露出電極500は、第1の基板110の一辺に露設される。ここで、第1の露出電極500は、(+)電源が接続される複数の第1の露出電極510a、520aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極530b、540bとが所定間隔を隔てて隔設される。複数の接続配線600は、第1の露出電極510a、520a、530b、540bの各々に接続されてそこから複数の単位ガスセンサーが形成されるべき領域の所定の部分に延設された複数本の水平接続配線610a、620a、630b、640bを備える。複数のガスセンサーが形成されるべき領域には複数本の垂直接続配線650a、660a、670b、680bが形成され、複数本の水平接続配線610a、620a、630b、640bは複数本の垂直接続配線650a、660a、670b、680bに接続される。このとき、複数本の水平接続配線610a、620a、630b、640bは、互いに接触されて短絡されないように所定間隔を隔てて隔設されることが好ましい。
第2の基板120の上には、複数の第1の露出電極500および複数の接続配線600が形成される。第2の基板120は、第1の基板110と同じ形状に設けられ、例えば、4つの単位ガスセンサーが形成されるべき領域が画定される。複数の第1の露出電極500は、第2の基板120の一辺に露設される。ここで、第1の露出電極500は、(+)電源が接続される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第2の露出電極510b、520b、530b、540bとが所定間隔を隔てて隔設される。このとき、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが交互に配置される。もちろん、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが分離されて形成されてもよいが、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aが一辺に露設され、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bがこれと向かい合う他辺に露設されてもよい。また、(+)電源が供給される第1の露出電極510a、520aは、第1の基板110の上に形成されて(+)電源が供給される第1の露出電極510a、520aに接続される。また、(−)電源が供給される第1の露出電極530b、540bは、第1の基板110の上に形成されて(−)電源が供給される第1の露出電極530b、540bに接続される。すなわち、第2の基板120の第1の露出電極510a、520a、530b、540bの所定の領域に導電性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これを介して第1および第2の基板110、120の(+)電源が供給される第1の露出電極510a、520aと、(−)電源が供給される第1の露出電極530b、540bとが接続される。もちろん、第1の露出電極510a、520a、530b、540bが第2の基板120の一辺に露出されるため、後続する半田付けに際して第1および第2の基板110、120の第1の露出電極510a、520a、530b、540bが基板100の側面において接続されてもよい。一方、接続配線600は、(−)電源が供給される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bの各々に接続されてそこから複数の単位ガスセンサーが形成されるべき領域の所定の部分に延びた水平接続配線610b、620b、630b、640bを備える。複数の単位ガスセンサーの形成領域には複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bが各々形成され、複数本の水平接続配線610b、620b、630b、640bは、複数本の垂直接続配線650b、660b、670b、680bに接続される。このとき、複数本の水平接続配線610b、620b、630b、640bは、互いに接触されて短絡されないように所定間隔を隔てて隔設されることが好ましい。また、複数本の垂直接続配線650a、660aは、第1の基板110に形成された複数本の垂直接続配線650a、660aに接続される。また、複数本の垂直接続配線670b、680bは、第1の基板110に形成された複数本の垂直接続配線670b、680bに接続される。このために、第2の基板120に形成された複数本の垂直接続配線650a、660a、670b、680bの所定の領域に伝導性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これを介して第1および第2の基板110、120の複数本の垂直接続配線650a、660a、670b、680bが接続される。
第3の基板130の上には、複数の第1の露出電極500と、複数の接続配線600および複数のヒータ200が形成される。第3の基板130は、第1および第2の基板110、120と同じ形状に設けられ、これらと同様に、例えば、4つの単位ガスセンサーが形成されるべき領域が画定される。複数の第1の露出電極500は、第3の基板130の一辺に露設される。ここで、第1の露出電極500は、(+)電源が接続される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが所定間隔を隔てて隔設される。このとき、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが交互に配置される。もちろん、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが分離されて形成されてもよいが、(+)電源が供給される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aが一辺に露設され、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bがこれと向かい合う他辺に露設されてもよい。また、第3の基板130の上に形成された複数の第1の露出電極500は、第2の基板120の上に形成された複数の第1の露出電極500と各々接続される。すなわち、第3の基板130の複数の第1の露出電極500の所定の領域に導電性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これを介して第2および第3の基板120、130の第1の露出電極500が接続される。もちろん、複数の第1の露出電極500が第3の基板130の一辺に露出されるため、後続する半田付けに際して第1、第2および第3の基板110、120、130の第1の露出電極500が積み重ねられた複数枚の基板100の側面において接続されてもよい。一方、複数の単位ガスセンサーが形成されるべき領域には、複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bが形成され、これらは、第2の基板120の上に形成された複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bに接続される。このために、第3の基板130に形成された複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bの所定の領域に導電性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これを介して第2の基板120の複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bが接続される。また、第3の基板130の複数の単位ガスセンサーの形成領域の各々の所定の領域、好ましくは、各々の中央領域部に複数のヒータ210、220、230、240が形成される。ここで、複数のヒータ200は、少なくとも2以上の温度で発熱するが、好ましくは、異なる温度で発熱する。複数のヒータ200は所定のパターンで形成されるが、例えば、所定の長さを有する屈曲パターンで形成される。ここで、複数のヒータ200の各々は、同じパターンで形成されてもよく、異なるパターンで形成されてもよい。例えば、複数のヒータ200の各々に異なる電源が供給される場合、複数のヒータ200は同じパターンで形成されてもよく、複数のヒータ200の各々に同じ電源が供給される場合、複数のヒータ200は異なる長さに形成されてもよい。例えば、同じ電源が供給されるとき、ヒータ200の長さが長ければ長いほど抵抗が大きくなり、これにより、発熱量が増大されるため、ヒータ200の発熱温度に応じてヒータ200のパターンの長さを異ならせることができる。また、ヒータ200は、一方の端部および他方の端部が各々一方向および他方向に延びて複数本の垂直接続配線650a、650b、660a、660b、670a、670b、680a、680bに接続される。このため、第1の露出電極510a、520a、530a、540aから第1の水平接続配線610a、620a、630a、640a、第1の垂直接続配線650a、660a、670a、680a、複数のヒータ200、第2の垂直接続配線650b、660b、670b、680b、第2の水平接続配線610b、620b、630b、640bおよび第1の露出電極510b、520b、530b、540bが電気的に接続されて複数のヒータ200が所定の温度で発熱する。
第4の基板140の上には、複数の第1の露出電極500と、第2の露出電極700と、複数の感知電極300および複数の感知物質400が形成される。第4の基板140は、第1乃至第3の基板110、120、130と同じ形状に設けられ、例えば、4つの単位ガスセンサーが形成されるべき領域が画定される。複数の第1の露出電極500は、第4の基板140の一辺に露設されるが、第1乃至第3の基板110、120、130に各々形成された複数の第1の露出電極500と同じ個所に形成される。ここで、第1の露出電極500は、(+)電源が接続される複数の第1の露出電極510a、520a、530a、540aと、(−)電源が接続される複数の第1の露出電極510b、520b、530b、540bとが交互に配置される。また、(+)電源が供給される第1の露出電極510a、520a、530a、540aは、第3の基板130の上に形成されて(+)電源が供給される第1の露出電極510a、520a、530a、540aに接続され、(−)電源が供給される第1の露出電極510b、520b、530b、540bは、第3の基板130の上に形成されて(−)電源が供給される第1の露出電極510b、520b、530b、540bに接続される。すなわち、第4の基板140の第1の露出電極500の所定の領域に導電性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これを介して第3の基板130の第1の露出電極500に接続される。もちろん、第1の露出電極500が第4の基板140の一辺に露出されるため、後続する半田付けに際して第1乃至第4の基板110、120、130、140の第1の露出電極500が基板100の側面において接続されてもよい。また、第4の基板140の複数のガスセンサーの形成領域の所定の領域、好ましくは、中央部に複数の感知電極310、320、330、340が各々形成される。このとき、複数の感知電極300は、その下側の複数のヒータ200と各々少なくとも一部重なり合うように形成される。このような感知電極300は、ヒータ200と重なり合う領域から所定間隔を隔てて形成される。一方、第1の露出電極500が形成されていない第4の基板140の相対向する2辺には、感知電極300に各々接続される第2の露出電極700が形成される。すなわち、ヒータ200に接続される第1の露出電極500が第4の基板140の一辺に露設され、感知電極300に接続される第2の露出電極700は第1の露出電極500が形成されていない少なくとも2辺に形成される。ここで、複数の第2の露出電極700には、(+)電源が供給される第2の露出電極710a、720a、730a、740aと、(−)電源が供給される第2の露出電極710b、720b、730b、740bとが各々形成され、これらが交互に配置される。また、複数の感知電極300の各々は、2つの方向に各々延びて複数の第2の露出電極500に各々接続される。一方、感知電極300の各々の上部には、複数の感知物質400が各々形成される。複数の感知物質400は、異なる物質からなる。
上述したように、本発明の一実施形態によるガスセンサーは、複数枚の基板100が積み重ねられ、内部の所定の領域に異なる温度で発熱する複数のヒータ200が形成され、ヒータ200の上部に複数の感知電極300および複数の感知物質400が各々形成される。また、複数枚の基板100の側面に露出されるように複数の第1の露出電極500および第2の露出電極700が各々形成され、第1の露出電極500と複数のヒータ200が接続されるように複数枚の基板100の内部に水平および垂直の接続配線600が形成されて外部から電源を複数のヒータ200および感知電極300に供給する。このため、本発明の一実施形態においては、一つのガスセンサーに複数の単位ガスセンサーを実現し、複数の単位ガスセンサーが異なるガスを感知する。すなわち、本発明は、一つのガスセンサーを用いて異なる複数のガスを感知する。
一方、本発明の一実施形態においては、複数のヒータ200が異なる温度で発熱するため、複数のヒータ200が設定された温度で発熱するまで所定の時間がかかる。すなわち、複数のヒータ200が安定化するのに時間がかかる。例えば、複数のヒータ200が200℃、300℃、400℃および500℃で発熱するために所定の時間がかかり、発熱温度が高ければ高いほど安定化時間が長くなる。すなわち、第1のヒータ210が200℃で発熱して安定化しても、第4のヒータ240が500℃で発熱してから安定化するまでさらなる時間がかかる。これらの複数のヒータ200の発熱時間を短縮するために、図3および図4に示すように、ベースヒータ800がさらに配設されてもよい。すなわち、ベースヒータ800が、例えば、約100℃で発熱すれば、複数のヒータ200が前記設定された温度で発熱するために、例えば、100℃、200℃、300℃および400℃で発熱して発熱時間が短縮される。このような本発明の他の実施形態によるガスセンサーについて図3および図4を用いて説明すれば、下記の通りである。
図3は、本発明の他の実施形態によるガスセンサーの結合断面図であり、図4は、同分解斜視図である。
図3および図4を参照すると、本発明の他の実施形態によるガスセンサーは、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板100(110〜150)と、少なくとも1枚の基板100の上に形成され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ200(210、220、230、240)と、複数のヒータ200と絶縁されて少なくとも1枚の基板100の上に形成され、所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極300(310、320、330、340)と、複数の感知電極300と接触されるように1枚の基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質400(410、420、430、440)と、基板110の下側の1枚の基板150の上に形成されたベースヒータ800と、を備える。また、本発明の他の実施形態によるガスセンサーは、複数枚の基板100の上の所定の領域に形成されてヒータ200および感知電極300に電源を供給するための各々複数の第1および第2の露出電極500、700と、少なくとも2枚の基板100の上に形成され、第1の露出電極500と複数のヒータ200を接続する複数の接続配線600と、複数枚の基板100の上の所定の領域に形成されてベースヒータ800に電源を供給するための第3の露出電極900と、をさらに備える。
すなわち、本発明の他の実施形態によるガスセンサーは、最下側の第5の基板150の上の全面にベースヒータ800が形成され、その上部に複数のヒータ200と、複数の感知電極300および複数の感知物質400が各々形成された複数の単位ガスセンサーが形成される。また、ベースヒータ800を発熱させるための第3の露出電極900が、第5の基板150だけではなく、第1乃至第4の基板110〜140の上の所定の領域に形成される。このとき、第3の露出電極900は、第1および第2の露出電極500、700が形成されていない領域に露設されるが、例えば、第1の露出電極500が形成された一辺と向かい合う他辺に露設される。また、第3の露出電極900は、上下に接続されるように形成されるが、これは、第1乃至第4の基板110〜140の第3の露出電極900が形成された領域と重なり合うように導電性物質が埋め込まれた所定の孔が形成され、これらを介して上下に接続される。
一方、本発明の実施形態による複数の単位ガスセンサーを有するガスセンサーを次のように様々に変形することができる。すなわち、図5および図6に示すように上部カバー1000をさらに配設してもよく、図7に示すようにヒートシンク1100をさらに配設してもよく、図8に示すように上部カバー1000およびヒートシンク1100をさらに配設してもよい。
図5は、本発明の実施形態の第1の変形例によるガスセンサーの結合断面図であり、図6は、同部分分解斜視図である。
図5および図6を参照すると、本発明の第1の変形例によるガスセンサーは、上部カバー1000をさらに備える。すなわち、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板100(110〜140)と、少なくとも1枚の基板100の上に形成され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ200(210、220、230、240)と、複数のヒータ200と絶縁されて少なくとも1枚の基板100の上に形成され、所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極300(310、320、330、340)と、複数の感知電極300と接触されるように1枚の基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質400(410、420、430、440)と、基板140の上に形成され、複数の感知物質400を覆うように形成された上部カバー1000と、を備える。また、図示はしないが、図3および図4を用いて説明した基板110の下側の1枚の基板150の上に形成されたベースヒータ800をさらに備えてもよい。
上部カバー1000は、複数の感知物質400が外部に露出されることを防ぐために設けられる。このような上部カバー1000は、所定の厚さを有する複数枚の板1010〜1050を用いて形成する。複数枚の板1010〜1050は、複数のセンサー素子が実現される複数枚の基板110〜140と同じ材質を用いてこれらと同じ厚さに製作する。しかしながら、複数枚の板1010〜1050は、複数枚の基板110〜140よりも薄くまたは厚く製作してもよい。もちろん、上部カバー1000は、金属、プラスチックなどを用いて製作してもよく、これを基板100と貼り合わせてもよい。また、選択された2枚以上の板、例えば、第1乃至第4の板1010〜1040には、例えば、感知物質400の数に見合う分だけ複数の開口1011、1021、1031、1041が各々形成される。すなわち、第1乃至第4の板1010〜1040には各々4個の開口が形成される。開口1011、1021、1031、1041は、板1010〜1040に応じて異なる大きさに形成されるが、第1の板1010の開口1011から第2の板1040の開口1041に進むにつれてその大きさが増大する。このとき、第1の板1010の複数の開口1011は、感知物質400の幅に等しいかあるいはそれよりも広い。すなわち、開口1011、1021、1031、1041は、例えば、感知物質400の露出される領域よりも大きく形成される。もちろん、開口1011、1021、1031、1041は、同じ大きさおよび形状に形成される。さらに、最上部に配設される板1050には網目1051が形成される。網目1051は、ガスが移動可能であるが、外部から異物が浸透しないほどの大きさに形成される。このとき、網目1051が形成された領域の直径は、その下側に形成された開口1041に等しいかあるいはそれよりも小さい。このように複数枚の板1010〜1040に各々開口1011、1021、1031、1041が形成されることにより、上部カバー1000内には所定の空間が設けられ、これにより、網目1051を介して上部カバー1000内にガスが自由に流入することができ、しかも、感知物質400の表面汚染が防がれて反応性および敏感度を向上させることができる。
図7は、本発明の実施形態の第2の変形例によるガスセンサーの結合断面図である。
図7を参照すると、本発明の第2の変形例によるガスセンサーは、下部に設けられたヒートシンク1100をさらに備える。すなわち、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板100(110〜140)と、少なくとも1枚の基板100の上に形成され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ200(210、220、230、240)と、複数のヒータ200と絶縁されて少なくとも1枚の基板100の上に形成され、所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極300(310、320、330、340)と、複数の感知電極300と接触されるように1枚の基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質400(410、420、430、440)と、基板110の下部に設けられたヒートシンク1100と、を備える。また、図示はしないが、図3および図4を用いて説明した基板110の下側の1枚の基板150の上に形成されたベースヒータ800をさらに備えてもよい。
ヒートシンク1100は、ヒータ200などから発せられた熱を放出するために基板110の下部に設けられる。このようなヒートシンク1100は、所定の厚さを有する複数枚の板(図示せず)を用いて形成する。複数枚の板は、複数枚の基板100と同じ材質を用いてこれらと同じ厚さに製作する。しかしながら、複数枚の板は、複数枚の基板100よりも薄くまたは厚く製作してもよい。また、ヒートシンク1100には、熱の放出のための少なくとも一つ以上の開口1110が形成される。開口1110は、単位ガスセンサーごとに1つずつ形成される。もちろん、開口1110は、ヒートシンク1100の所定の領域、例えば、中央部に一つ形成されてもよい。また、ヒートシンク1100を構成する複数枚の板の各々の周縁を含む所定の領域には、外部電極パターン1120が形成される。外部電極パターン1120は外側に露設されることにより、第1および第3の露出電極500、900とともに半田付けされる。
一方、図示はしないが、本発明の実施形態の第2の変形例によるセンサー素子 は、ヒートシンク1100の下部に設けられてヒートシンク1100の開口1110を覆う下部カバーをさらに備ええてもよい。すなわち、ヒートシンク1100を用いてヒータ200などから発せられた熱を放出すると、ガスセンサーを加熱するためにさらに多くの電源および時間を必要とする。このため、ヒートシンク1100を用いてガスセンサーの熱を放出するが、下部カバーを用いてヒートシンク1100内に熱を閉じ込めることにより、熱の損失を極力抑えることができる。
図8は、本発明の実施形態の第3の変形例にセンサー素子の結合断面図である。
図8を参照すると、本発明の第3の変形例によるセンサー素子は、上部に設けられた上部カバー1000と、下部に設けられたヒートシンク1100と、をさらに備える。すなわち、垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板100(110〜140)と、少なくとも1枚の基板100の上に形成され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータ200(210、220、230、240)と、複数のヒータ200と絶縁されて少なくとも1枚の基板100の上に形成され、所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極300(310、320、330、340)と、複数の感知電極300と接触されるように1枚の基板100の上に互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質400(410、420、430、440)と、基板140の上に感知物質400を覆うように形成された上部カバー1000と、基板110の下部に設けられたヒートシンク1100と、を備える。すなわち、本発明の第3の変形例は、図5および図6を用いて説明した本発明の第1の実施形態および図7を用いて説明した本発明の第2の変形例を組み合わせて実現する。このため、上部カバー1000が形成されることにより、上部カバー1000内にガスが自由に流入することができ、しかも、感知物質400の表面汚染が防がれて反応性および敏感度を向上させることができ、ヒートシンク1000が形成されることにより、ガスセンサーから発せられる熱を放出することができる。
また、図示はしないが、本発明の第3の変形例によるセンサー素子 は、基板110とヒートシンク1100との間に、図3および図4を用いて説明したベースヒータ800が形成された1枚の基板150をさらに備えてもよい。
一方、本発明の実施形態および変形例においては、平面の上に4つの単位ガスセンサーが設けられる場合を例にとって説明した。すなわち、横方向および縦方向に2×2、すなわち、4つの単位ガスセンサーが設けられた場合を例にとって説明した。しかしながら、本発明のガスセンサーは、単位ガスセンサーが少なくとも2以上の複数に実現されてもよい。例えば、2×1、2×2、2×3、3×3、3×4、4×4、5×5など複数の単位ガスセンサーが1つの平面の上に形成されてもよい。
一方、本発明の技術的思想は前記実施形態を挙げて具体的に記述されたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということはいうまでもない。なお、本発明の技術分野における当業者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が採用可能であるということが理解できるであろう。
100:基板
200:ヒータ
300:感知電極
400:感知物質
500:第1の露出電極
600:接続配線
700:第2の露出電極
200:ヒータ
300:感知電極
400:感知物質
500:第1の露出電極
600:接続配線
700:第2の露出電極
Claims (18)
- 垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板と、
選択された少なくとも1枚の基板の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数のヒータと、
前記複数のヒータが形成された基板の上側の選択された少なくとも1枚の基板の上に形成され、水平方向に所定間隔を隔てて隔設された複数の感知電極と、
前記複数の感知電極に各々接触され、互いに所定間隔を隔てて隔設された複数の感知物質と、
を備えるセンサー素子。 - 前記ヒータの下部に設けられたベースヒータをさらに備える請求項1に記載のセンサー素子。
- 前記複数のヒータは、少なくとも2以上の温度で各々発熱する請求項1または請求項2に記載のセンサー素子。
- 前記複数の感知電極には、各々少なくとも一つ以上の切欠部が形成された請求項3に記載のセンサー素子。
- 前記複数の感知物質は、少なくとも2以上の材料により形成された請求項4に記載のセンサー素子。
- 前記複数枚の基板の上の所定の領域に外部に露出されるように形成され、前記複数のヒータおよび複数の感知電極に各々電源を供給するための第1および第2の露出電極をさらに備える請求項5に記載のセンサー素子。
- 前記第1および第2の露出電極のうちの少なくともいずれか一方は、導電性物質が埋め込まれた孔を介して垂直方向に接続された請求項6に記載のセンサー素子。
- 前記第1および第2の露出電極のうちの少なくともいずれか一方から水平方向に形成された複数本の水平接続配線と、前記水平接続配線から垂直方向に形成されて前記複数のヒータに各々接続される複数本の垂直接続配線と、をさらに備える請求項6に記載のセンサー素子。
- 前記垂直接続配線は、前記基板に形成された導電性物質が埋め込まれた孔により形成された請求項8に記載のセンサー素子。
- 前記複数の感知物質を覆うように前記基板の上部に設けられた上部カバーおよび前記基板の下部に設けられたヒートシンクのうちの少なくともいずれか一方をさらに備える請求項1または請求項2に記載のセンサー素子。
- 前記上部カバーは、少なくとも2枚以上のセラミック板、金属板またはプラスチック板が積み重ねられ、少なくとも一つの開口および網目が形成された請求項10に記載のセンサー素子。
- 前記ヒートシンクは、少なくとも2枚以上のセラミック板が積み重ねられ、前記積み重ねられたセラミック板には開口が形成された請求項10に記載のセンサー素子。
- 前記ヒートシンクの下部に設けられた下部カバーをさらに備える請求項12に記載のセンサー素子。
- 垂直方向に積み重ねられた複数枚の基板の上に各々形成されたヒータと、感知電極および感知物質を備え、少なくとも1種のガスを感知する単位センサーを備え、前記ヒータと、感知電極および感知物質が各々水平方向に複数配置されて異なる複数の対象物を感知する複数の単位ガスセンサーを備えるセンサー素子。
- 前記基板の下部に設けられたベースヒータをさらに備える請求項14に記載のセンサー素子。
- 前記複数のヒータは、少なくとも2以上の温度で各々発熱する請求項14または請求項15に記載のセンサー素子。
- 前記複数の感知電極には、各々少なくとも一つ以上の切欠部が形成された請求項16に記載のセンサー素子。
- 前記複数の感知物質は、少なくとも2以上の材料により形成された請求項17に記載のセンサー素子。
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