JP2015200647A - センサー - Google Patents

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Abstract

【課題】耐衝撃性および敏感度を向上させることのできるセンサーを提供する。【解決手段】絶縁層１００と、絶縁層１００内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上のヒータパターン２００と、ヒータパターン２００と絶縁されて絶縁層１００内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上の感知電極パターン３００と、絶縁層１００内に少なくとも一部が埋め込まれて感知電極パターン３００と接触される感知物質４００と、を備えるガスセンサーである。【選択図】図１

Description

本発明は、センサーに係り、特に、耐衝撃性および敏感度を向上させることのできるセンサーに関する。
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。
半導体式ガスセンサーは、感知物質と感知電極との間の接着が不安定であるか、あるいは、接着不良がある場合、正常に動作できなくなる。すなわち、半導体式ガスセンサーは、平らな基板の上に感知電極を形成し、その上に感知物質を塗布した構造を有するため、外部の衝撃に対して感知電極と感知物質との間の接着性が非常に弱い。また、半導体式ガスセンサーは、例えば、金属酸化物半導体を感知物質として用いる場合に動作温度が２５０℃〜４００℃と比較的に高いため、繰り返し動作による熱衝撃によって感知物質が脱離してしまうという現象が発生する。
また、従来の通常のガスセンサーは、感知電極および印刷回路基板（ＰＣＢ）の実装のための外部電極をワイヤボンディング（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）を用いて接続する。このような従来の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、ワイヤボンディングは外部の衝撃に弱く、しかも、量産し難いという欠点がある。
大韓民国公開特許第２００４−００１６６０５号公報
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、耐衝撃性を向上させることができ、これにより、感知電極および感知物質の脱離を防ぐことのできるセンサー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、反応性（ｒｅｓｐｏｎｓｅ）および敏感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を向上させることができ、しかも、量産し易いセンサー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、ヒータの熱損失を改善して熱効率性を向上させることのできるセンサーを提供することにある。
本発明の一態様によるセンサーは、絶縁層と、前記絶縁層内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上のヒータパターンと、前記ヒータパターンと絶縁されて前記絶縁層内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上の感知電極パターンと、前記絶縁層内に少なくとも一部が埋め込まれて前記感知電極パターンと接触される感知物質と、を備えることを特徴とする。
好ましくは、前記絶縁層は、複数のセラミック板が積み重ねられてなる。
また、好ましくは、本発明の一態様によるセンサーは、前記絶縁層内の所定の領域に外部に露出されるように形成され、前記ヒータパターンおよび感知電極パターン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、前記少なくとも２以上のヒータパターンは少なくとも２枚以上のセラミック板の上部に各々形成され、導電性物質が埋め込まれた孔を介して接続される。
さらに、好ましくは、前記少なくとも２以上の感知電極パターンは少なくとも２枚以上のセラミック板に各々形成され、導電性物質が埋め込まれた孔を介して接続される。
さらに、好ましくは、前記少なくとも２以上の感知電極パターンは、（＋）電源が供給される感知電極パターンと、（−）電源が供給される感知電極パターンとが分離される。
さらに、好ましくは、前記感知電極パターンには、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、前記ヒータパターンおよび前記感知電極パターンは、異なるセラミック板に形成されて前記セラミック板の積層方向に交互に配置される。
さらに、好ましくは、前記感知電極パターンは、下側から上側に進むにつれてその直径が拡径される。
さらに、好ましくは、前記少なくとも２枚以上のセラミック板における前記ヒータパターンおよび感知電極パターンの内側に開口が形成され、前記感知物質が前記開口に埋め込まれる。
さらに、好ましくは、前記開口は、その下側の前記感知電極パターンが露出されるように形成される。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサーは、前記感知物質を覆うように前記絶縁層の上部に設けられた上部カバーをさらに備える。
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、前記上部カバーの開口は、前記絶縁層の開口よりも大きく形成される。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサーは、前記絶縁層の下部に設けられたヒートシンクをさらに備える。
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は、前記第１および第２の露出電極と対応する前記ヒートシンクの所定の領域に形成された第３の露出電極をさらに備える。
さらに、好ましくは、本発明の一態様によるセンサーは、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は、絶縁層内に垂直方向に形成されたヒータと、感知電極および感知物質を備えて少なくとも一つ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センサーを備え、前記ヒータは、前記絶縁層内に垂直方向に分離されて形成されて電気的に互いに接続され、前記感知電極は、前記ヒータと絶縁されて前記絶縁層内に上下方向に分離されて形成されて電気的に互いに接続され、前記感知電極は、前記絶縁層内に少なくとも一部が埋め込まれて前記感知電極と接触される。
好ましくは、水平方向に配列された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。
また、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、本発明の他の態様によるセンサーは、前記感知物質を覆うように前記絶縁層の上部に設けられた上部カバーと、前記絶縁層の下部に設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンクの下部に設けられた下部カバーと、をさらに備える。
本発明の実施形態によるセンサーは、複数の絶縁層内に垂直方向に複数のヒータパターンが電気的に接続されたヒータと、複数の感知電極パターンが電気的に接続された感知電極とが各々絶縁されて形成され、複数の絶縁層内に感知電極パターンと接触されるように感知物質が埋め込まれる。このため、ヒータと感知電極が垂直方向に形成され、感知物質が埋め込まれた３次元構造のセンサーが実現される。また、絶縁層の上部に複数の開口および網目が形成された上部カバーがさらに配設され、絶縁層の下部にヒートシンクがさらに配設される。
本発明によれば、感知物質が絶縁層内に埋め込まれて形成されることにより、感知物質の脱離を防ぐことができ、これにより、センサーの耐衝撃性を向上させることができる。
また、感知電極が複数の感知電極パターンと接触されるように形成されることにより、感知物質と感知電極との接触面積を増大させてセンサーの反応性および敏感度を向上させることができる。
さらに、平らな複数の絶縁層に外部に露出されるように露出電極が形成され、露出電極が半田付けされることにより、ワイヤボンディングなしに表面実装を行うことができ、しかも、量産し易い。
加えて、ヒートシンクがさらに配設されることにより、熱効率性を向上させることができる。
本発明の第１の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。 本発明の第１の実施形態によるガスセンサーの分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。 本発明の第２の実施形態によるガスセンサーの分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。 本発明の第３の実施形態によるガスセンサーの分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。 本発明の第５の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。 本発明の第６の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。
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、本発明の第１の実施形態によるガスセンサー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、本発明の第１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の絶縁層１００（１１０〜１６０）と、選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成されたヒータパターン２１０、２２０、２３０を有するヒータ２００と、ヒータパターン２１０、２２０、２３０が形成されていない選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成された感知電極パターン３１０、３２０、３３０を有する感知電極３００と、少なくとも一つの絶縁層１００内に設けられて感知電極３００と接触される感知物質４００と、を備える。すなわち、本発明のガスセンサーは、複数の絶縁層１００内にヒータパターン２１０、２２０、２３０が垂直方向に分離されて形成され、ヒータパターン２１０、２２０、２３０が形成されていない絶縁層１００内に感知電極パターン３１０、３２０、３２０が垂直方向に分離されて形成され、複数の絶縁層１００の所定の領域に形成された開口１３１、１４１、１５１、１６１を埋め込んで感知電極パターン３１０、３２０、３３０と接触されるように感知物質４００が形成される。このため、本発明のガスセンサーは、垂直方向に複数のヒータパターン２１０、２２０、２３０および感知電極パターン３１０、３２０、３３０が形成され、所定の絶縁層１００内に感知物質４００が埋め込まれて形成される３次元構造を有する。また、ヒータ２００は、複数のヒータパターンが形成されることに何ら限定されるものではなく、一つのヒータパターンのみが形成されてもよい。すなわち、ヒータ２００は、ヒータパターン２１０のみを有してもよい。一方、本発明のガスセンサーは、外部からヒータ２００および感知電極３００に各々電源を供給するために、少なくとも２以上の絶縁層１００の所定の領域において外部に露出された第１および第２の露出電極５１０、５２０と、第１の露出電極５１０とヒータ２００を接続するための接続配線６００と、をさらに備える。
複数の絶縁層１１０〜１６０（１００）には、例えば、所定の厚さのセラミック板が使用可能である。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。これらの複数の絶縁層１００の少なくとも２以上の領域、例えば、中央部には、所定の大きさの開口１３１、１４１、１５１、１６１が形成される。また、開口１３１、１４１、１５１、１６１に加えて、少なくとも２以上の絶縁層１００には、少なくとも２以上の孔が形成される。開口１３１、１４１、１５１、１６１には感知物質４００が充填されて形成され、少なくとも２以上の孔には導電性物質が形成される。
ヒータ２００は、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。ヒータ２００は上下方向に分離されて形成され、互いに電気的に接続された複数のヒータパターン２１０、２２０、２３０を備える。例えば、ヒータ２００は、第１、第３および第５の絶縁層１１０、１３０、１５０に各々形成された第１、第２および第３のヒータパターン２１０、２２０、２３０を備える。また、第１乃至第３のヒータパターン２１０、２２０、２３０は、第２、第３、第４および第５の絶縁層１２０、１３０、１４０、１５０の所定の領域に形成された第１の孔１２０ａ、１３０ａ、１４０ａ、１５０ａおよび第２の孔１２０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂを介して互いに接続される。すなわち、本発明のヒータ２００は、平面、すなわち、絶縁層１００の上面から垂直方向に複数形成されて電気的に接続される。さらに、第１乃至第３のヒータパターン２１０、２２０、２３０を有するヒータ２００は、第１の絶縁層１１０の上に第１のヒータパターン２１０に接続されるように形成されたヒータ接続配線６１０を介して第１の露出電極５１０に接続される。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。加えて、ヒータ２００および感知電極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。
感知電極３００は、感知物質４００と接触して感知物質４００の電気的な特性の変化を感知する役割を果たす。感知電極３００は上下方向に分離されて形成され、互いに電気的に接続された複数の感知電極パターン３１０、３２０、３３０を有する。 例えば、感知電極３００は、ヒータパターン２１０、２２０、２３０が形成されていない絶縁層、すなわち、第２、第４および第６の絶縁層１２０、１４０、１６０に各々形成された第１、第２および第３の感知電極パターン３１０、３２０、３３０を有する。また、第１乃至第３の感知電極パターン３１０、３２０、３３０は、第３、第４、第５および第６の絶縁層１３０、１４０、１５０、１６０に各々形成された第３の孔１３０ｃ、１４０ｃ、１５０ｃ、１６０ｃおよび第４の孔１３０ｄ、１４０ｄ、１５０ｄ、１６０ｄを介して接続される。第３の孔１３０ｃ、１４０ｃ、１５０ｃ、１６０ｃおよび第４の孔１３０ｄ、１４０ｄ、１５０ｄ、１６０ｄは互いに所定間隔を隔てて隔設され、第１の孔１２０ａ、１３０ａ、１４０ａ、１５０ａおよび第２の孔１２０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂとも所定間隔を隔てて隔設される。すなわち、本発明の感知電極３００は、平面、すなわち、絶縁層１００の上面から垂直方向に複数形成され、ヒータ２００と異なる絶縁層１００の上に形成される。さらに、感知電極３００は、第１の感知電極パターン３１０が延びて第２の露出電極５２０に接続される。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。加えて、ヒータ２００および感知電極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てもよい。
感知物質４００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。このような感知物質４００は、絶縁体と導電体との混合物質を含む。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。ここで、感知物質４００は、第３、第４、第５および第６の絶縁層１３０、１４０、１５０、１６０の所定の領域、例えば、これらの中央部に形成された開口１３１、１４１、１５１、１６１を埋め込むように形成される。このとき、感知物質４００は、開口１３１、１４１、１５１、１６１により露出された第１乃至第３の感知電極パターン３１０、３２０、３３０と接触されるように形成される。
以下、このような本発明の第１の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の絶縁層１１０の上には、第１のヒータパターン２１０と、第１のヒータパターン２１０を有するヒータ２００に外部電源を供給するための第１の露出電極５１０ａ、５１０ｂ（５１０）と、感知電極３００に外部電源を供給するための第２の露出電極５２０ａ、５２０ｂ（５２０）と、第１のヒータパターン２１０を有するヒータ２００と第１の露出電極５１０を接続する接続配線６００（６１０、６２０）が各々形成される。第１のヒータパターン２１０は、導電性物質を用いて、例えば、第１の絶縁層１１０の中央部に形成する。また、第１のヒータパターン２１０は、例えば、所定の幅および間隔を有するスパイラル状に形成されるが、第１のヒータパターン２１０の幅および間隔は等しい。第１の露出電極５１０ａ、５１０ｂ（５１０）は、例えば、四角形の第１の絶縁層１１０の一方向に隣り合う第１および第２の周縁を有する所定の領域において外部に露出されるように形成される。また、第２の露出電極５２０ａ、５２０ｂ（５２０）は、第１の露出電極５１０が形成されていない第１の絶縁層１１０の第３および第４の周縁を有する所定の領域において外部に露出されるように形成される。すなわち、第１の絶縁層１１０の一方向に隣り合う第１および第２の周縁を有する所定の領域に第１の露出電極５１０が各々形成され、第１の露出電極５１０が形成された第１および第２の周縁と他方向に隣り合う第３および第４の周縁を有する所定の領域に第２の露出電極５２０が各々形成される。第１の接続配線６１０は、第１のヒータパターン２１０の一方の端部に接続されて、例えば、第１の絶縁層１１０の対角線方向に延びて第１の露出電極５１０ａに接続される。もちろん、第１の接続配線６１０は「Ｌ」字状または逆「Ｌ」字状など様々な形状に形成されてもよい。さらに、第２の接続配線６２０は、第１のヒータパターン２１０と所定間を隔てて形成され、第１の露出電極５１０ｂから一方向に延設される。
第２の絶縁層１２０の上には、第１の感知電極パターン３１０と、ヒータ２００に外部から電源を供給するための第１の露出電極５１０ｃ、５１０ｄ（５１０）と、第１の感知電極パターン３１０に接続され、外部から感知電極３００に電源を供給するための第２の露出電極５２０ｃ、５２０ｄ（５２０）と、ヒータ２００に接続され、導電性物質が埋め込まれた第１および第２の孔１２０ａ、１２０ｂと、が形成される。第１の感知電極パターン３１０は、第１の絶縁層１１０の上に形成された第１のヒータパターン２１０と少なくとも一部重なり合うように第２の絶縁層１２０の所定の領域に形成される。例えば、第１の感知電極パターン３１０は、少なくとも一部分が第２の絶縁層１２０の中央部に形成される。また、第１の感知電極パターン３１０は、第２の絶縁層１２０の中央部において所定の幅を有する２つの電極が所定の間隔を隔てて隔設される。さらに、所定の間隔を隔てて隔設された２つの電極は、第２の絶縁層１２０の対角線方向に各々延びて第２の露出電極５２０に各々接続される。すなわち、第１の感知電極パターン３１０は、第２の絶縁層１２０の中央部において所定の幅を有し、所定の間隔を隔てて隔設され、そこから各々対角線方向に延設される。加えて、第２の絶縁層１２０の上に形成された第２の露出電極５２０は、第１の絶縁層１１０の上に形成された第２の露出電極５２０と同じ領域に形成される。このため、第１および第２の絶縁層１２０に各々形成された第２の露出電極５２０は重なり合うように形成される。一方、第２の露出電極５２０が形成されていない第２の絶縁層１２０の２つの周縁部分に第１の露出電極５１０が形成される。第２の絶縁層１２０に形成された第１の露出電極５１０は、第１の絶縁層１１０の上に形成された第１の露出電極５１０と重なり合うように形成される。また、第１の孔１２０ａは、第１の絶縁層１１０の上に形成された第１のヒータパターン２１０の一領域と対応する領域に形成される。例えば、第２の孔１２０ｂは、第１のヒータパターン２１０の他方の端部、すなわち、第２の接続配線６２０に接続された一方の端部から所定間隔を隔てて隔設された第１のヒータパターン２１０の他方の端部に対応する領域に形成される。さらに、第１の孔１２０ａは、第１の絶縁層１１０の上に形成された第２の接続配線６２０の端部に対応する領域に形成される。すなわち、第２の接続配線６２０は、一方の端部が第１の露出電極５１０に接続され、他方の端部に対応する領域に第１の孔１２０ａが形成される。
第３の絶縁層１３０の中央部には開口１３１が形成され、開口１３１の周りに開口１３１を取り囲むように第２のヒータパターン２２０が形成される。開口１３１は、第３の絶縁層１３０の所定の領域、例えば、中央部に、所定の形状、例えば、円形に形成され、感知物質４００が充填される。また、第２のヒータパターン２２０は開口１３１と所定間隔を隔てて開口１３１を取り囲むように、例えば、円形に形成される。このとき、第２のヒータパターン２２０は、一方の端部と他方の端部が所定間隔を隔てて隔設される。もちろん、開口１３１は、四角形、三角形、楕円形など様々な形状に形成され、第２のヒータパターン２２０は、開口１３１と所定間隔を隔てて開口１３１の形状をはじめとする様々な形状に形成される。また、第２の絶縁層１２０に形成された第１および第２の孔１２０ａ、１２０ｂに対応する第３の絶縁層１３０の所定の領域に第１および第２の孔１３０ａ、１３０ｂが各々形成される。ここで、第２のヒータパターン２２０の一方の端部は、第２の孔１３０ｂまで延設される。一方、第３の絶縁層１３０の所定の領域には、第３および第４の孔１３０ｃ、１３０ｄが形成される。第３および第４の孔１３０ｃ、１３０ｄは、第２の絶縁層１２０に形成された第２の露出電極５２０に延びる第１の感知電極パターン３１０の所定の領域を露出させるように形成される。
第４の絶縁層１４０の中央部には開口１４１が形成され、開口１４１の周りに開口１４１を取り囲むように第２の感知電極パターン３２０が形成される。開口１４１は、第４の絶縁層１４０の所定の領域、例えば、中央部に円形に形成され、感知物質４００が充填される。また、開口１４１は、第３の絶縁層１３０に形成された開口１３１と同じ大きさおよび形状に形成される。しかしながら、開口１４１は、開口１３１と異なる形状に形成されてもよく、開口１３１よりも小さく形成されてもよく、開口１３１よりも大きく形成されてもよい。第２の感知電極パターン３２０は、開口１４１と所定間隔を隔てて開口１４１を取り囲むように、例えば、円形に形成される。このとき、第２の感知電極パターン３２０は、一方の端部と他方の端部が接触されるように形成される。もちろん、開口１４１は、四角形、三角形、楕円形など様々な形状に形成され、第２の感知電極パターン３２０は、開口１４１と所定間隔を隔てて開口１４１の形状をはじめとする様々な形状に形成される。また、第３の絶縁層１３０に形成された第１および第２の孔１３０ａ、１３０ｂに対応する第４の絶縁層１４０の所定の領域に第１および第２の孔１４０ａ、１４０ｂが各々形成される。一方、第４の絶縁層１４０の所定の領域には、第３および第４の孔１４０ｃ、１４ｄが形成される。第３および第４の孔１４０ｃ、１４ｄは、第３の絶縁層１３０に形成された第３および第４の孔１３０ｃ、１３０ｄと同じ領域に形成される。さらに、第２の感知電極パターン３２０は、所定の領域から第３および第４の孔１４０ｃ、１４０ｄまで延設される。すなわち、第２の感知電極パターン３２０は略円形に形成され、所定の領域から第３および第４の孔１４０ｃ、１４０ｄまで延びた延長領域をさらに備える。
第５の絶縁層１５０の中央部には開口１５１が形成され、開口１５１の周りに開口１５１を取り囲むように第３のヒータパターン２３０が形成される。開口１５１は、第５の絶縁層１５０の所定の領域、例えば、中央部に円形に形成され、感知物質４００が充填される。また、第３のヒータパターン２３０は、開口１５１と所定間隔を隔てて開口１５１を取り囲むように、例えば、円形に形成される。このとき、第３のヒータパターン２３０は、一方の端部と他方の端部が所定間隔を隔てて隔設される。もちろん、開口１５１は、四角形、三角形、楕円形など様々な形状に形成され、第３のヒータパターン２３０は、開口１５１と所定間隔を隔てて開口１５１の形状をはじめとする様々な形状に形成されてもよい。また、開口１５１は、第３および第４の絶縁層１３０、１４０に各々形成された開口１３１、１４１よりも大きく形成される。すなわち、開口１５１は、第４の絶縁層１４０に形成された第２の感知電極パターン３２０が少なくとも一部露出されるように形成される。一方、第２、第３および第４の絶縁層１２０、１３０、１４０に各々形成された第１の孔１２０ａ、１３０ａ、１４０ａおよび第２の孔１２０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂに対応する第５の絶縁層１５０の所定の領域に第１および第２の孔１５０ａ、１５０ａが各々形成される。また、第３のヒータパターン２３０の一方の端部は第１の孔１５０ａまで延設され、他方の端部は第２の孔１５０ａまで延設される。一方、第５の絶縁層１５０の所定の領域には、第３および第４の孔１５０ｃ、１５０ｄが形成される。第３および第４の孔１５０ｃ、１５０ｄは、第３および第４の絶縁層１３０、１４０に形成された第３の孔１３０ｃ、１４０ｃおよび第４の孔１３０ｄ、１４０ｄに対応する領域に各々形成される。
第６の絶縁層１６０の中央部には開口１６１が形成され、開口１６１の周りに開口１６１を取り囲むように第３の感知電極パターン３３０が形成される。開口１６１は、第６の絶縁層１６０の所定の領域、例えば、中央部に、所定の形状、例えば、円形に形成され、感知物質４００が充填される。また、開口１６１は、第５の絶縁層１５０に形成された開口１５１と同じ大きさおよび形状に形成される。しかしながら、開口１６１は、開口１５１とは異なる形状に形成されてもよく、開口１５１よりも小さく形成されてもよく、開口１５１よりも大きく形成されてもよい。しかしながら、開口１６１は、第５の絶縁層１５０の第３のヒータパターン２３０が露出されないような大きさに形成される。第３の感知電極パターン３３０は、開口１６１と所定間隔を隔てて開口１６１を取り囲むように所定の形状、例えば、円形に形成される。このとき、第３の感知電極パターン３３０は、一方の端部と他方の端部が接触されるように形成される。もちろん、開口１６１は、四角形、三角形、楕円形など様々な形状に形成されてもよく、第３の感知電極パターン３３０は、開口１６１と所定間隔を隔てて開口１６１の形状をはじめとする様々な形状に形成されてもよい。また、第６の絶縁層１６０の所定の領域には、第３および第４の孔１６０ｃ、１６０ｄが形成される。第３および第４の孔１６０ｃ、１６０ｄは、第５の絶縁層１５０に形成された第３および第４の孔１５０ｃ、１５０ｄと同じ領域に形成される。さらに、第３の感知電極パターン３３０は、所定の領域から第３および第４の孔１６０ｃ、１６０ｄまで延設される。すなわち、第３の感知電極パターン３３０は、所定の領域から第３および第４の孔１６０ｃ、１６０ｄまで延びた延長領域をさらに備える。
上述したように、本発明の第１の実施形態によるガスセンサーは、複数のセラミック絶縁層１１０〜１６０が積み重ねられ、絶縁層１００内に垂直方向に複数のヒータパターン２１０、２２０、２３０が電気的に接続されたヒータ２００が形成され、絶縁層１００内の垂直方向にヒータパターン２１０、２２０、２３０と絶縁されて複数の感知電極パターン３１０、３２０、３３０が電気的に接続された感知電極３００が形成される。すなわち、積み重ねられた複数の絶縁層１００内に複数のヒータパターン２１０、２２０、２３０および感知電極パターン３１０、３２０、３３０が絶縁されて形成され、感知電極パターン３１０、３２０、３３０の下部にヒータパターン２１０、２２０、２３０が設けられる。また、複数の絶縁層１００の所定の領域に感知電極パターン３１０、３２０、３３０を各々露出させる開口１３１、１４１、１５１、１６１が形成され、開口１３１、１４１、１５１、１６１が埋め込まれるように感知物質４００が形成される。このため、ヒータ２００と感知電極３００が垂直方向に形成され、感知物質４００が埋め込まれた３次元構造のガスセンサーが実現される。
本発明の第１の実施形態は感知物質４００が複数の積み重ねられた絶縁層１００内に埋め込まれて形成されるので、感知物質４００が脱離されることがなく、感知物質４００が複数の感知電極パターン３１０、３２０、３３０と接触されるので、感知電極３００と感知物質４００との接触面積を増大させてこれらの接着力を向上させることができ、反応性および敏感度を向上させることができる。また、平らな複数の絶縁層１１０、１２０に露出されるように露出電極が形成され、露出電極が半田付けされることにより、ワイヤボンディングを行うことなく表面実装を用いてガスセンサーを実装することができる。
図３は、本発明の第２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、同部分分解斜視図である。
図３および図４を参照すると、本発明の第２の実施形態によるガスセンサーは、上部カバー７００をさらに備える。すなわち、本発明の第２の実施形態によるガスセンサーは、複数の絶縁層１００（１１０〜１６０）と、選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成されたヒータ２００と、ヒータ２００が形成されていない選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成された感知電極３００と、少なくとも一つの絶縁層１００内に設けられて感知電極３００と接触される感知物質４００と、絶縁層１６０の上に感知物質４００を覆うように形成された上部カバー７００と、を備える。
上部カバー７００は、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７００は、所定の厚さを有する複数枚の板７１０〜７５０を用いて形成する。複数枚の板７１０〜７５０は、複数の絶縁層１１０〜１６０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７１０〜７５０は、複数の絶縁層１１０〜１６０よりも薄く製作してもよく、複数の絶縁層１１０〜１６０よりも厚く製作してもよい。もちろん、上部カバー７００は、金属、プラスチックなどを用いて製作してもよく、これを絶縁層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７１０〜７４０には、例えば、中央部に開口７１１、７２１、７３１、７４１が各々形成される。開口７１１、７２１、７３１、７４１は異なる大きさに形成されるが、下側の開口７１１から上側の開口７４１に進むにつれてその直径が拡径される。このとき、下側の開口７１１は、最上層の絶縁層１６０に形成された開口１６１よりも大きく形成される。すなわち、開口７１１、７２１、７３１、７４１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７１１、７２１、７３１、７４１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７５０には網目７５１が形成される。網目７５１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７５１が形成された領域の直径は、その下側に形成された開口７４１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７１０〜７４０に各々開口７１１、７２１、７３１、７４１が形成されることにより、上部カバー７００内には所定の空間が設けられ、これにより、網目７５１を介して上部カバー７００内に流入したガスが感知物質４００と接触する時間が長くなって反応性および敏感度を向上させることができる。
図５は、本発明の第３の実施形態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３の実施形態によるガスセンサーは、下部に配設されたヒートシンク８００をさらに備える。すなわち、本発明の第３の実施形態によるガスセンサーは、複数の絶縁層１００（１１０〜１６０）と、選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成されたヒータ２００と、ヒータ２００が形成されていない選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成された感知電極３００と、少なくとも一つの絶縁層１００内に設けられて感知電極３００と接触される感知物質４００と、絶縁層１１０の下部に設けられたヒートシンク８００と、を備える。
ヒートシンク８００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８００は、所定の厚さを有する複数枚の板８１０〜８５０を用いて形成する。複数枚の板８１０〜８５０は、複数の絶縁層１１０〜１６０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８１０〜８５０は、複数の絶縁層１１０〜１６０よりも薄くまたは厚く製作してもよい。また、複数枚の板８１０〜８５０には、例えば、中央部に開口８１１、８２１、８３１、８４１、８５１（８６０）が各々形成される。開口８１１、８２１、８３１、８４１、８５１は、同じ大きさおよび形状に形成され、例えば、第１のヒータパターン２１０よりも大きく形成される。また、複数枚の板８１０〜８５０の各々の周縁には、外部電極パターン５３０が形成される。外部電極パターン５３０は外側に露出されるように形成されることにより、第１および第２の露出電極５１０、５２０とともに半田付けされる。
図７は、本発明の第４の実施形態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４の実施形態によるガスセンサーは、下部に配設されたヒートシンク８００と、下部カバー９００と、をさらに備える。すなわち、本発明の第４の実施形態によるガスセンサーは、複数の絶縁層１００（１１０〜１６０）と、選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成されたヒータ２００と、ヒータ２００が形成されていない選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成された感知電極３００と、少なくとも一つの絶縁層１００内に設けられて感知電極３００と接触される感知物質４００と、絶縁層１１０の下部に設けられてヒータ２００などから発せられる熱を放出するヒートシンク８００と、ヒートシンク８００の下面に設けられてヒートシンク８００の開口８６０を覆う下部カバー９００と、を備える。すなわち、ヒートシンク８００を用いてヒータ２００などから発せられる熱を放出すると、ガスセンサーを加熱するためにさらに多くの電源が必要である。このため、ヒートシンク８００を用いてガスセンサーの熱を放出するが、下部カバー９００を用いてヒートシンク８００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、本発明の第５の実施形態によるガスセンサーの結合断面図である。
図８を参照すると、本発明の第５の実施形態によるガスセンサーは、上部に配設された上部カバー７００と、下部に配設されたヒートシンク８００と、をさらに備える。すなわち、本発明の第５の実施形態によるガスセンサーは、複数の絶縁層１００（１１０〜１６０）と、選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成されたヒータ２００と、ヒータ２００が形成されていない選択された少なくとも２以上の絶縁層１００の上に形成された感知電極３００と、少なくとも一つの絶縁層１００内に設けられて感知電極３００と接触される感知物質４００と、絶縁層１６０の上に感知物質４００を覆うように形成された上部カバー７００と、絶縁層１１０の下部に設けられたヒートシンク８００と、を備える。すなわち、本発明の第５の実施形態は、図３および図４を用いて説明した本発明の第２の実施形態および図５および図６を用いて説明した本発明の第３の実施形態を組み合わせて実現する。もちろん、図７を用いて説明した本発明の第４の実施形態の下部カバー９００をヒートシンク８００の下側にさらに設けてもよい。このため、上部カバー７００が形成されることにより、上部カバー７００内に流入したガスが感知物質４００と接触する時間が長くなっ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８００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。
一方、前記本発明の実施形態においては、ヒータ２００および感知電極３００がヒータパターン２１０、２２０、２２０および感知電極パターン３１０、３２０、３３０を各々３つ有する場合を例にとって説明したが、ヒータ２００および感知電極３００は、各々少なくとも２以上のヒータパターンおよび感知電極パターンを有してもよい。例えば、垂直方向に積み重ねられた６個のヒータパターンと６個の感知電極パターンを有する。また、ヒータパターンの数が感知電極パターンの数よりも少なくてもよい。例えば、ヒータ２００は、第１の絶縁層１１０の上に形成されたヒータパターン２１０のみを有してもよく、少なくとも２以上の感知電極パターンごとに１つのヒータパターンが設けられてもよい。さらに、感知電極３００は、異なる層に複数の感知電極パターンが形成され、各層に形成された感知電極パターンに（＋）および（−）電源が各々供給されてもよい。すなわち、感知電極パターンが４個の絶縁層の上に各々形成され、奇数番目の層の感知電極パターンに（＋）電源が供給され、偶数番目の層の感知電極パターンに（−）電源が供給される。加えて、複数の感知電極パターン３１０、３２０、３３０には、少なくとも一つ以上の切欠部が形成される。すなわち、第１の感知電極パターン３１０のように電極が所定間隔を隔ててガスを感知するが、第２および第３の感知電極パターン３２０、３３０にもまた少なくとも一つの切欠部が形成されて所定間隔を隔てた部分が少なくとも２以上設けられることにより、複数のガス感知領域が設けられてもよい。
また、前記本発明の実施形態においては、垂直方向に複数のヒータ２００および感知電極３００が隔設され、絶縁層１００内に感知物質４００が埋め込まれて一つの単位ガスセンサーを実現する。しかしながら、本発明のガスセンサーは、このような単位ガスセンサーが水平方向に複数設けられてもよい。すなわち、垂直方向にヒータ２００と、感知電極３００および感知物質４００が形成された単位ガスセンサーが、図９に示すように水平方向に複数配列されてガスセンサーが実現されてもよい。このとき、複数の単位ガスセンサーを加熱するヒータ２００は異なる温度に加熱され、複数の感知物質４００もまた異なる複数の物質により形成される。このため、複数の単位ガスセンサーが単一のパッケージ内に設けられることにより、異なる複数のガスを一つのガスセンサーを用いて感知することができる。このとき、本発明の実施形態に基づいて説明された上部カバーと、ヒートシンクおよび下部カバーなども複数の単位ガスセンサーを有するガスセンサーに適用可能である。
一方、図９に示す本発明の実施形態によるガスセンサーは、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のヒータが２００℃で発熱して安定化しても、第４のヒータが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、ベースヒータ（図示せず）がさらに配設されてもよい。ベースヒータは、第１の絶縁層１１０の下側に設けられる。すなわち、ベースヒータが、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。
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：絶縁層
２００：ヒータ
３００：感知電極
４００：感知物質

Claims (21)

  1. 絶縁層と、
    前記絶縁層内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上のヒータパターンと、
    前記ヒータパターンと絶縁されて前記絶縁層内に一方向に分離されて形成され、電気的に互いに接続された少なくとも２以上の感知電極パターンと、
    前記絶縁層内に少なくとも一部が埋め込まれて前記感知電極パターンと接触される感知物質と、
    を備えるセンサー。
  2. 前記絶縁層は、複数のセラミック板が積み重ねられてなる請求項１に記載のセンサー。
  3. 前記絶縁層内の所定の領域に外部に露出されるように形成され、前記ヒータパターンおよび感知電極パターン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２に記載のセンサー。
  4. 前記少なくとも２以上のヒータパターンは少なくとも２枚以上のセラミック板の上部に各々形成され、導電性物質が埋め込まれた孔を介して接続された請求項３に記載のセンサー。
  5. 前記少なくとも２以上の感知電極パターンは少なくとも２枚以上のセラミック板に各々形成され、導電性物質が埋め込まれた孔を介して接続された請求項４に記載のセンサー。
  6. 前記少なくとも２以上の感知電極パターンは、（＋）電源が供給される感知電極パターンと、（−）電源が供給される感知電極パターンとが分離された請求項５に記載のセンサー。
  7. 前記感知電極パターンには、少なくとも一つ以上の切欠部が形成された請求項５に記載のセンサー。
  8. 前記ヒータパターンおよび前記感知電極パターンは、異なるセラミック板に形成されて前記セラミック板の積層方向に交互に配置された請求項５に記載のセンサー。
  9. 前記感知電極パターンは、下側から上側に進むにつれてその直径が拡径された請求項８に記載のセンサー。
  10. 前記少なくとも２枚以上のセラミック板における前記ヒータパターンおよび感知電極パターンの内側に開口が形成され、前記感知物質が前記開口に埋め込まれる請求項９に記載のセンサー。
  11. 前記開口は、その下側の前記感知電極パターンが露出されるように形成された請求項１０に記載のセンサー。
  12. 前記感知物質を覆うように前記絶縁層の上部に設けられた上部カバーをさらに備え、
    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１に記載のセンサー。
  13. 前記上部カバーの開口は、前記絶縁層の開口よりも大きく形成された請求項１２に記載のセンサー。
  14. 前記絶縁層の下部に設けられたヒートシンクをさらに備え、
    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３または請求項１２に記載のセンサー。
  15. 前記第１および第２の露出電極と対応する前記ヒートシンクの所定の領域に形成された第３の露出電極をさらに備える請求項１４に記載のセンサー。
  16. 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１４に記載のセンサー。
  17. 絶縁層内に垂直方向に形成されたヒータと、感知電極および感知物質を備えて少なくとも一つ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センサーを備え、
    前記ヒータは、前記絶縁層内に垂直方向に分離されて形成されて電気的に互いに接続され、前記感知電極は、前記ヒータと絶縁されて前記絶縁層内に上下方向に分離されて形成されて電気的に互いに接続され、前記感知電極は、前記絶縁層内に少なくとも一部が埋め込まれて前記感知電極と接触されるセンサー。
  18. 水平方向に配列された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１７に記載のセンサー。
  19. 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１８に記載のセンサー。
  20. 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１９に記載のセンサー。
  21. 前記感知物質を覆うように前記絶縁層の上部に設けられた上部カバーと、
    前記絶縁層の下部に設けられたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの下部に設けられた下部カバーと、
    をさらに備える請求項１７に記載のセンサー。
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