JP2016151472A - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】可燃性ガスを検出するガスセンサの検出感度をより高くするとともに、省電力化を図る技術を提供する。
【解決手段】
可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサ100は、断熱部121および非断熱部と、断熱部121上に形成された反応膜ヒータ132と、断熱部121上において反応膜ヒータ132の上に形成され、可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜191と、断熱部121上においてガス反応膜191の近傍に形成された測温素子と、を有するガス検出部とを有している。この接触燃焼式ガスセンサ100において、反応膜ヒータ132と、非断熱部上から反応膜ヒータ132に延びて反応膜ヒータ132に通電するための反応膜ヒータ配線176,177の断熱部121上の領域との少なくとも一部は、シリコン系の導電材料で形成されている。
【選択図】図3

Description

この発明は、可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサにおいて、可燃性ガスの検出感度をより高くするとともに、省電力化を図る技術に関する。
従来より、水素等の可燃性ガスを検出するガスセンサとして、触媒を用いて可燃性ガスを燃焼させ、燃焼熱による触媒温度の上昇を電気的に検出する接触燃焼式ガスセンサが使用されてきている。このような接触燃焼式ガスセンサにおいても、種々のセンサと同様に、検出感度をより高くすることが常に求められており、様々な方法により高感度化が図られている。例えば、特許文献1では、低濃度の可燃性ガスや感度の低い可燃性ガスに対してガス検出感度を高めるため、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層の近傍に可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータを形成することが提案されている。
特開2001−99801号公報
しかしながら、触媒層の近傍に可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータを形成し、ガスの検出感度を高めるためには、ヒータに比較的大きな電力を供給する必要がある。そのため、接触燃焼式のガスセンサにおいて、可燃性ガスの検出感度を高くするとともに、省電力化を図ることは、必ずしも容易ではなかった。
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサにおいて、可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサにおいて、可燃性ガスの検出感度をより高くするとともに、省電力化を図る技術を提供することを目的とする。
上記課題の少なくとも一部を達成するために、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、前記可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサであって、断熱部および非断熱部と、前記断熱部上に形成された反応膜ヒータと、前記断熱部上において前記反応膜ヒータの上に形成され、前記可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜と、前記断熱部上において前記ガス反応膜の近傍に形成された測温素子と、を有するガス検出部と、を備え、前記反応膜ヒータと、前記非断熱部上から前記反応膜ヒータに延びて前記反応膜ヒータに通電するための反応膜ヒータ配線の前記断熱部上の領域と、の少なくとも一部は、シリコン系の導電材料で形成されていることを特徴とする。
一般的にシリコン系の導電材料は、金属と比較して電気伝導度および熱伝導度が低い。そのため、反応膜ヒータと、反応膜ヒータ配線の断熱部上の領域との少なくとも一部をシリコン系の導電材料で形成することにより、反応膜ヒータによりガス反応膜を加熱してガスの検出感度を高める際において、反応膜ヒータの加熱のための電力をより有効にガス反応膜の加熱に使用し、あるいは、反応膜ヒータで発生した熱が反応膜ヒータ配線を介して非断熱部に伝達されるのを抑制することができるので、ガスセンサの高感度化と省電力化を図ることがより容易となる。
前記反応膜ヒータは、前記シリコン系の導電材料により平板状に形成されているものとしても良い。反応膜ヒータをシリコン系の導電材料により形成することにより、反応膜ヒータの抵抗を反応膜ヒータ配線よりも大きくし、反応膜ヒータでの発熱量を十分に大きくするとともに、反応膜ヒータ配線における発熱を抑制することができる。そのため、反応膜ヒータの加熱のための電力をより有効にガス反応膜の加熱に使用することができる。また、反応膜ヒータを平板状とすることにより、電流方向の長さに対して幅を広くすることができるので、反応膜ヒータの抵抗が過度に大きくなり、ヒータ電圧が過度に高くなることを抑制することができる。さらに、ヒータを平板状にすることにより、ガス反応膜を均一にむらなく加熱できるため、可燃性ガスの検出感度および測定再現性をより高くすることができる。
前記反応膜ヒータは、金属により形成されており、前記反応膜ヒータ配線は、前記シリコン系の導電材料で形成されているものとしても良い。反応膜ヒータ配線をシリコン系の導電材料で形成することにより、反応膜ヒータで発生した熱が反応膜ヒータ配線を介して非断熱部に伝達されるのを抑制することができる。
前記測温素子は、前記シリコン系の導電材料で形成された第1の熱電素子と、前記第1の熱電素子とは異なる導電材料で形成された第2の熱電素子とを接続することにより構成されたサーモパイルの温接点であるものとしても良い。シリコン系の導電材料で第1の熱電素子を形成することにより、反応膜ヒータと反応膜ヒータ配線とのうちシリコン系の導電材料で形成される部分を第1の熱電素子と同時に形成することができるので、ガスセンサの製造工程を短縮することが可能となる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、ガスセンサ、そのガスセンサを利用したセンサモジュール、そのセンサモジュールを使用した可燃ガス検出装置および可燃ガス検出システム、それらのガスセンサ、センサモジュールおよび可燃ガス検出装置を用いたリークテスト装置やリークテストシステム等の態様で実現することができる。
本発明の第1実施形態におけるセンサモジュールの構成を示す説明図。 第1実施形態におけるガスセンサの構成を示す説明図。 第1実施形態におけるガスセンサの機能的な構成を示す説明図。 第2実施形態におけるガスセンサの構成を示す説明図。 第2実施形態におけるガスセンサの機能的な構成を示す説明図。
A.第1実施形態:
A1.センサモジュール:
図1は、本発明の第1実施形態における接触燃焼式ガスセンサモジュール10(以下、単に「センサモジュール10」とも呼ぶ)の構成を示す説明図である。図1(a)は、センサモジュール10の断面を示している。第1実施形態のセンサモジュール10では、センサチップ100が、ケース11とキャップ12とからなるパッケージ19内に実装されている。キャップ12は、例えば、ステンレス鋼や真鍮等の焼結金属、ステンレス鋼等からなる金網、あるいは、多孔質セラミックスで形成されている。これにより、パッケージ19内外の通気性が確保されるとともに、センサチップ100の汚染が抑制され、また、センサモジュール10自体の防爆化が図られている。センサチップ100は、空洞部119が設けられた基板110がダイボンド材15によりケース11に接着されることにより、ケース11に固定されている。
図1(b)は、ケース11に固定されたセンサチップ100を上面から見た様子を示している。図1(b)における一点鎖線Aは、図1(a)で示した断面の位置を示す切断線である。また、一点鎖線C1,C2は、センサチップ100の中心位置を示す中心線である。図1(b)に示すように、センサチップ100の上面には、導電膜が露出したボンディングパッドP11〜P15が形成されている。このボンディングパッドP11〜P15と、ケース11の外部電極13に接続された端子14とをワイヤ16で接続することにより、センサチップ100と外部回路との接続が可能となっている。
センサチップ100の上面には、可燃性ガスを触媒燃焼させるためのガス反応膜191と、比較のための参照膜192とが設けられている。可燃性ガスがキャップ12を透過してセンサチップ100に到達すると、ガス反応膜191では、可燃性ガスが触媒燃焼し、可燃性ガスの濃度に応じた量の熱が発生する。そのため、ガス反応膜191は、可燃性ガスの濃度に応じて温度が上昇する。一方、参照膜192は、触媒燃焼による温度上昇が発生しない。詳細については後述するが、センサチップ100は、ガス反応膜191と参照膜192とのそれぞれの温度を表す信号を出力する。これらの出力信号に基づいて、可燃性ガスの触媒燃焼により温度上昇するガス反応膜191と、可燃性ガスによる温度上昇がない参照膜192との温度差を求めることにより、雰囲気中の可燃性ガスの濃度を測定することができる。なお、このように、センサチップ100は、センサモジュール10において、ガスを検出する機能を担っているので、ガスセンサそのものであると謂える。そのため、以下では、センサチップ100を単に「ガスセンサ100」と呼ぶ。
A2.ガスセンサ:
図2は、第1実施形態におけるガスセンサ100の構成を示す説明図である。図2(a)は、ガスセンサ100を上面から見た様子を示しており、図2(b)は、図2(a)の切断線Aにおけるガスセンサ100の断面を示している。
ガスセンサ100は、空洞部119が設けられた基板110と、基板110の上面に形成された絶縁膜120と、基板110の下面に形成され開口部109が設けられたマスク膜101とを有している。絶縁膜120上には、ガスの検出機能を実現するための構造(後述する)を形成する複数の膜(機能膜)が積層されている。具体的には、絶縁膜120上には、n型半導体膜130と、第1の層間絶縁膜140と、p型半導体膜150と、第2の層間絶縁膜160と、導電膜170と、保護膜180と、ガス反応膜191もしくは参照膜192とがこの順で積層されている。これらの機能膜のうち、n型およびp型半導体膜130,150と、第1および第2の層間絶縁膜140,160と、導電膜170と、保護膜180とは、半導体デバイスの製造方法として周知の技術を用いて形成することができる。なお、絶縁膜120、マスク膜101、および、絶縁膜120上に積層される各機能膜は、製造工程の内容によって、適宜追加あるいは省略される。
ガスセンサ100の作製工程では、まず、空洞部119を有さないシリコン(Si)基板を準備する。次いで、準備したSi基板の上面に、酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(Si)およびSiOをこの順に成膜することにより、絶縁膜120を形成する。また、Si基板の下面には、絶縁膜120の形成に合わせて、SiOおよびSiをこの順に成膜することにより、開口部109を有しないマスク膜(図示しない)を形成する。なお、絶縁膜120およびマスク膜を、SiOとSiとの多層膜とせず、酸窒化ケイ素(SiON)の単層膜とすることも可能である。
絶縁膜120の形成の後、n型ポリシリコンの成膜・パターニングを行うことにより、n型半導体膜130を形成する。n型半導体膜130を形成する材料として、ポリシリコンに替えて、単結晶シリコン、鉄シリサイド(FeSi)、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)あるいはビスマス・アンチモン(BiSb)等の種々の半導体を用いても良い。n型半導体膜130の形成後、SiOの成膜を行うことにより、パターニングされていない第1の層間絶縁膜(図示しない)を形成する。次いで、p型ポリシリコンの成膜・パターニングを行うことにより、p型半導体膜150を形成する。p型半導体膜150もn型半導体膜130と同様に、ポリシリコン以外の種々の半導体を用いて形成することができる。また、これら2つの半導体膜130,150のドープ型を逆にすることも可能である。p型半導体膜150の形成の後、SiOを成膜し、成膜したSiO膜とパターニングされていない第1の層間絶縁膜とをパターニングすることにより、第1の層間絶縁膜140および第2の層間絶縁膜160を形成する。
第1と第2の層間絶縁膜140,160のパターニングの後、白金(Pt)の成膜・パターニングを行うことにより、導電膜170を形成する。導電膜170を形成する材料として、Ptに替えて、タングステン(W)、タンタル(Ta)、金(Au)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)あるいはAl合金等、種々の金属を用いても良い。また、導電膜170の少なくとも一方の面に、チタン(Ti)やクロム(Cr)からなる密着層を形成しても良い。なお、導電膜170の材料として、AlやAl合金を用いた場合、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、あるいは、ウェットエッチングを用いたフォトリソグラフィによってパターニングを行うことができるため、高精度かつ高歩留まりでの微細加工が容易であり、ガスセンサをより容易に製造することができる。しかしながら、後述するように、AlやAl合金からなる導電膜によりヒータを形成した場合等、電流密度が高くなる場合には、エレクトロマイグレーション等により耐久性や信頼性が低下する可能性がある。これに対し、PtやCuを用いると、エレクトロマイグレーションが抑制されるので、耐久性や信頼性が向上する。但し、Ptを用いた場合、Pt自体が高価であり、高精度かつ高歩留まりの微細加工がより難しいイオンミリングやリフトオフによりパターニングが行われるため、ガスセンサの製造コストが高くなる可能性がある。また、Cuを用いる場合も、パターニングには高コストで複雑なプロセスであるダマシン法が用いられるため、ガスセンサの製造コストが高くなる可能性がある。導電膜170の材料は、このような特性を考慮して、適宜選択される。
導電膜170の形成の後、SiOの成膜・パターニングを行うことにより、保護膜180を形成する。なお、図2に示すように、保護膜180には、パターニングにより5つの開口部181〜185が形成されており、これらの開口部181〜185においては、導電膜170が露出している。
保護膜180の形成の後、基板110に設けられる空洞部119を形成する。空洞部119の形成に際しては、まず、基板の下面側に形成されたマスク膜に開口部109を形成する。次いで、開口部109が設けられたマスク膜101をマスクとして基板をエッチングすることにより、空洞部119が形成される。エッチングは、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)や水酸化カリウム(KOH)の水溶液を用いた結晶異方性エッチングにより行うことができる。また、このようなウェットエッチングの他、いわゆるボッシュプロセス等のドライエッチングにより空洞部119を形成するものとしても良い。基板をエッチングして空洞部119を形成することにより、絶縁膜120が裏面側において露出したメンブレン121が形成される。
なお、図2の例では、基板を下面側からエッチングすることにより空洞部119を形成しているが、空洞部は、基板を上面側からエッチングして形成することも可能である。この場合、絶縁膜120と、第1および第2の層間絶縁膜140,160と、保護膜180とに貫通穴を設け、当該貫通穴を通して基板をエッチングすることにより空洞部を形成することができる。このように基板を上面側からエッチングした場合、基板の上面側からの加工のみでガスセンサを製造でき、また、基板の残存部を下面側からエッチングした場合よりも多くすることができる。そのため、ガスセンサの製造工程を簡略化して歩留まりをより高くすることができるとともに、エッチング後の基板の強度をより高くすることができる点で、基板を上面側からエッチングするのが好ましい。一方、基板の下面側からエッチングする方が、絶縁膜120に貫通穴を設けることなく空洞部が形成できるので、メンブレンに貫通穴が形成されて強度が低下することを抑制し、メンブレンの破損を抑制できる点で、好ましい。
また、空洞部は、必ずしも基板に設ける必要はない。例えば、基板と絶縁膜との間、もしくは、絶縁膜120とn型半導体膜および第1の層間絶縁膜との間に、空洞部を形成することも可能である。このような基板上の空洞部は、基板もしくは絶縁膜120上の空洞部を形成する領域に犠牲膜を形成した後、上述のように保護膜までの各機能膜を形成し、次いで保護膜上面から犠牲膜に到達する貫通穴を設け、当該貫通穴を通して犠牲膜を除去することにより、形成することができる。犠牲膜を形成する材料としては、ポリイミド等の樹脂やポリシリコン等の半導体を用いることができる。樹脂からなる犠牲膜は、アッシングにより除去することができ、半導体からなる犠牲膜は、エッチングにより除去することができる。但し、犠牲膜として半導体を用いる場合には、基板もしくはn型半導体膜のエッチングを阻止するため、基板、もしくは、絶縁膜120および犠牲膜の上に、SiOやSi等からなる阻止膜が形成される。このように、基板上に空洞部を形成した場合、基板をエッチングした場合よりも、基板の強度をより高くすることができる。一方、ガスセンサの製造工程をより簡略化できる点においては、基板をエッチングするのが好ましい。
空洞部119の形成後、保護膜180上にガス反応膜191および参照膜192を形成する。具体的には、ガス反応膜191および参照膜192を形成する領域に、それぞれ、燃焼触媒としてのPt微粒子を担持させたアルミナ粒子を含むペーストと、触媒を担持させていないアルミナ粒子を含むペーストとを塗布する。ペーストの塗布は、ディスペンサによる塗布技術やスクリーン印刷技術を用いて行うことができる。ペーストを塗布した後、焼成することにより、ガス反応膜191および参照膜192が形成される。このように、保護膜180上にガス反応膜191と参照膜192とを形成することにより、ガスセンサ100が得られる。なお、ガス反応膜191に使用する燃焼触媒として、Pt微粒子に替えて、パラジウム(Pd)微粒子を用いることも可能である。また、参照膜192の比熱をガス反応膜191に近づけるため、参照膜192を形成するためのペーストに酸化銅(CuO)等の金属酸化物を混ぜても良い。さらに、参照膜192に含まれる担体に、特定のガスについて選択的に触媒として作用する燃焼触媒(例えば、Auの超微粒子)を担持するものとしても良い。この場合においても、当該特定のガス以外の可燃性ガスに関しては、参照膜192の担体には燃焼触媒が担持されていないと謂うことができる。
図3は、第1実施形態におけるガスセンサ100の機能的な構成を示す説明図である。図3(a)は、図2(a)と同様に、ガスセンサ100を上面から見た様子を示している。図3(b)は、図3(a)において二点鎖線で囲んだ領域R1の拡大図である。なお、図3においては、図示の便宜上、保護膜180、ガス反応膜191および参照膜192のハッチングを省略するとともに、導電膜170(図2)の全体が表面に現れているように図示している。
図3(a)に示すように、ガスセンサ100は、図3(a)において左右方向(以下、「横方向」と謂う)に伸びる中心線C1に対して対称に、上下方向(以下、「縦方向」と謂う)に伸びる中心線C2に対してほぼ対称に形成されている。そのため、以下では、対称性を有する部分については、必要がない限り、その1つについてのみ説明する。なお、後述するように、ガスセンサ100のうち、図3(a)における中心線C1の上側の部分は、雰囲気中の可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜191の温度を測定する機能を有し、中心線C1の下側の部分は、外的要因によるガス反応膜191の温度変化を補償するための参照膜192の温度を測定する機能を有している。そのため、中心線C1の上側の部分は、ガスを検出するガス検出部とも謂うことができ、中心線C1の下側の部分は外的要因による出力変動を補償する補償部とも謂うことができる。
ガスセンサ100は、ガスの検出機能を実現するための構造として、n型半導体膜130(図2)として形成されたn型熱電素子131および2つのヒータ132,133と、p型半導体膜150(図2)として形成されたp型熱電素子151と、導電膜170(図2)として形成された温接点接続線171、冷接点接続線172、信号出力電極173、サーモパイル接続線174、ヒータ通電電極175、ヒータ配線176,177およびグランド配線178とを有している。また、保護膜180(図2)に開口部181〜185を設けることにより、信号出力電極173が露出したボンディングパッド(信号出力パッド)P11,P13と、ヒータ通電電極175が露出したボンディングパッド(ヒータ通電パッド)P12,P14と、グランド配線178が露出したボンディングパッド(グランドパッド)P15とが形成されている。なお、図3の例では、ヒータ132,133をn型半導体膜130として形成しているが、p型半導体膜150として形成されたヒータを用いることも可能である。また、電磁ノイズからのシールド性を向上させ、冷接点の温度均一性を向上させるため、絶縁膜120と、第1および第2の層間絶縁膜140,160とに開口部を設け、グランド配線178と基板110とを接続しても良い。
第1実施形態のガスセンサ100においては、横方向に伸びる複数のn型熱電素子131が縦方向に配列され、n型熱電素子131の第1の層間絶縁膜140(図2)を挟んで上の位置に、n型熱電素子131よりも短いp型熱電素子151が形成されている。第1および第2の層間絶縁膜140,160(図2)には、上部にp型熱電素子151が形成されていないn型熱電素子131の両端部の位置に、第1および第2の層間絶縁膜140,160を貫通するコンタクトホールH11,H12が設けられている。また、第2の層間絶縁膜160には、p型熱電素子151の両端部の位置に、第2の層間絶縁膜160を貫通するコンタクトホールH13,H14が設けられている。
温接点接続線171は、コンタクトホールH11,H13を介して、第1の層間絶縁膜140を挟んで上下に積層されたn型熱電素子131とp型熱電素子151とを接続している。一方、冷接点接続線172は、コンタクトホールH12,H14を介して、隣接したn型熱電素子131とp型熱電素子151とを接続している。これにより、n型熱電素子131、p型熱電素子151、温接点接続線171および冷接点接続線172は、温接点と冷接点とを有する複数の熱電対を直列接続したサーモパイルT11を構成する。サーモパイルT12〜T14もサーモパイルT11と同様に構成されている。
サーモパイル接続線174は、熱電対を直列接続したサーモパイルT11,T12をさらに直列接続する。信号出力電極173は、コンタクトホールH14を介して、直列接続されたサーモパイルT11,T12の一端のp型熱電素子151に接続されている。一方、直列接続されたサーモパイルT11,T12の他端にあるn型熱電素子131は、コンタクトホールH12を介して、グランド配線178に接続されている。また、サーモパイルT13,T14についても、サーモパイルT11,T12と同様に接続されている。これにより、ガス検出部の信号出力パッドP11には、グランドパッドP15に対して、サーモパイルT11,T12の温接点と冷接点との温度差に対応した電圧が発生し、補償部の信号出力パッドP13には、グランドパッドP15に対して、サーモパイルT13,T14において温接点接続線171により構成される温接点と、冷接点接続線172により構成される冷接点との温度差に対応した電圧が発生する。
図3に示すように、温接点を構成する温接点接続線171は、ガス反応膜191あるいは参照膜192の下に配置されている。また、冷接点を構成する冷接点接続線172は、基板110の上に配置されている。そのため、基板110あるいは基板110とほぼ同温度のケース11(図1)を基準とした、ガス反応膜191や参照膜192の温度を測定することが可能となる。このように、サーモパイルT11〜T14の温接点は、ガス反応膜191や参照膜192の温度を測定することが可能であるので、測温素子とも謂うことができる。なお、図3の例では、温接点は、それぞれ、ガス反応膜191あるいは参照膜192の下に形成されているが、一般に、温接点は、それぞれ、ガス反応膜191および参照膜192の近傍に形成されていれば良い。このようにしても、サーモパイルT11〜T14により、ガス反応膜191および参照膜192の温度を測定することができる。同様に、サーモパイルT11〜T14の冷接点は、基板110の近傍に形成されていれば良い。また、図3と、以上の説明とから分かるように、ガス反応膜191および参照膜192は、それぞれ、測温素子(すなわち、サーモパイルT11〜T14の温接点)の近傍を含む領域に形成されていれば良い。
ガス検出部に設けられた平板状のヒータ132は、それぞれ、横方向に並んで配置されたサーモパイルT11,T12の間に配置されている。第1および第2の層間絶縁膜140,160(図2)には、ヒータ132の横方向の両端部の上において、第1および第2の層間絶縁膜140,160を貫通するコンタクトホールH15が設けられている。このコンタクトホールH15を介してヒータ132に接続されたヒータ配線176,177は、それぞれ、ヒータ通電電極175とグランド配線178とに接続されている。そのため、ヒータ通電パッドP12とグランドパッドP15との間に電圧を印加することにより、ヒータ132に通電することができる。また、補償部に設けられた平板状のヒータ133にも、ヒータ通電パッドP14とグランドパッドP15との間に電圧を印加することにより通電することが可能となっている。
ヒータ132を発熱させると、ガス反応膜191の温度が上昇する。これにより、ガス反応膜191が有する触媒の活性が高くなり、ガス反応膜191における可燃性ガスの触媒燃焼が促進されるので、ガスセンサ100における可燃性ガスの検出感度が高くなる。また、可燃性ガスとして水素ガス(H)を検出する場合、ガス反応膜191における触媒燃焼により水(HO)が生成される。このとき、ガス反応膜191の温度が低いと、生成されたHOが凝結してガス反応膜191が濡れ、検出感度が低下する虞がある。一方、第1実施形態のガスセンサ100では、ヒータ132によりガス反応膜191を加熱することにより、生成されたHOによる検出感度の低下を抑制することが可能となる。また、参照膜192は、ガス反応膜191と同様にヒータ133により加熱することができ、ヒータ132とは独立に加熱温度を制御できるので、雰囲気に可燃性ガスが含まれない場合に、ガス反応膜191と参照膜192とをほぼ同温度とし、出力信号のオフセットをほぼ0とすることが可能となる。
このように、ガス検出部のヒータ132は、ガス反応膜191を加熱する機能を有しているので、反応膜ヒータとも謂うことができる。また、ガス検出部におけるヒータ配線176,177は、反応膜ヒータであるヒータ132に通電するための配線であるので、反応膜ヒータ配線とも謂うことができる。同様に、補償部のヒータ133は、参照膜ヒータとも謂うことができ、補償部におけるヒータ配線176,177は、参照膜ヒータ配線とも謂うことができる。また、図3から明らかなように、ヒータ配線176,177は、基板110上から、ガス検出部のヒータ132(反応膜ヒータ)および補償部のヒータ133(参照膜ヒータ)に延びている。
また、図3に示すように、サーモパイルT11〜T14の温接点を構成する温接点接続線171、ヒータ132,133、ガス反応膜191および参照膜192は、メンブレン121上に形成されている。メンブレン121は、一般に薄く(約1〜5μm)形成されるので、メンブレン121自体の熱容量が小さくなるとともに、熱伝導度が低い絶縁膜(SiO、Si)を主体に構成されているので、メンブレン121に沿った方向への熱の伝達が抑制される。そして、薄いメンブレン121の下面には、熱を伝達しない空洞部119が形成されている。そのため、ガス反応膜191における可燃性ガスの触媒燃焼で発生する熱量が少ない場合においても、ガス反応膜191の温度を十分に上昇させることができるので、ガスセンサ100における可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。なお、メンブレン121の下面に形成された空洞部119は、熱を伝達しないので、断熱部とも謂うことができる。一方、基板110は、ケース11(図1)等のガスセンサ100の外部に熱を伝達するので、非断熱部とも謂うことができる。
第1実施形態のガスセンサ100では、ヒータ132,133をn型半導体膜130(図2)として形成しているので、導電膜170として形成されたヒータ配線176,177よりも抵抗を大きくすることができる。そのため、ヒータ132,133での発熱量を十分に大きくするとともに、ヒータ配線176,177における発熱を抑制することができる。このようにヒータ配線176,177における発熱を抑制することにより、ヒータ132,133の加熱のための電力をより有効にガス反応膜191および参照膜192の加熱に使用することができるので、ガスセンサ100の省電力化を図ることが可能となる。
なお、第1実施形態のガスセンサ100では、ヒータ132,133を平板状としているが、ヒータは、必ずしも平板状でなくても良い。但し、ヒータ132,133を平板状とすることにより、電流方向の長さに対して、幅を広くすることができる。そのため、ヒータ132,133の抵抗が過度に大きくなり、ヒータ通電パッドP12,P14に印加する電圧(ヒータ電圧)が過度に高くなることを抑制することができる。また、平板状のヒータ132,133に通電した場合、ヒータ132,133の全体が発熱するため、ガス反応膜191や参照膜192に温度むらが発生することを抑制することができる。そのため、ガス反応膜191や参照膜192の温度むらに起因して、メンブレン121における温度分布の対称性が崩れ、可燃性ガスがない場合の2つの信号出力パッドP11,P13の電圧の差(オフセット)が増大したり、環境温度やガス流量等によるオフセットの変化(ドリフト)が増大することを抑制することができる。このように、オフセットやドリフトの増大を抑制することにより、ガスの検出感度および測定再現性をより高くすることが可能となる。さらに、温度むらによりガス反応膜191に低温の領域が発生し、ガスの検出感度が低下すること、あるいは、特定のガスについて選択的に触媒として作用する燃焼触媒を使用した場合において、温度むらにより温度が高い領域が発生し、触媒の温度が過度に上昇して当該特定のガス以外の可燃性ガスに対しても燃焼触媒として作用することにより検出ガスの選択性が低下することを抑制することができる。なお、温度むらをさらに抑制するため、ガス反応膜191や参照膜192の下部に、n型半導体膜130(図2)あるいはp型半導体膜150(図2)として形成された均熱部を設けるものとしても良い。
また、第1実施形態では、ポリシリコンからなるn型半導体膜130としてヒータ132,133を形成しているので、導電膜170として形成された配線176,177,178の幅を広く取り、電流密度の増大を抑制することができる。そのため、導電膜170の材料としてAlあるいはAl合金を用いて、ガスセンサ100の製造コスト低減、微細化による小型化、および、精度や歩留まりの向上を図ることが可能となる。さらに、ヒータ130をメンブレン121に熱膨張係数が近いn型半導体膜130として形成しているので、ヒータ132,133に間歇的に電流を流すパルス駆動を行っても、ヒータ132,133とメンブレン121との間で発生する膜応力の変動によりメンブレン121がひび割れ、あるいは、ヒータ132,133がメンブレン121から剥がれる膜剥がれが抑制される。そのため、パルス駆動を行って、省電力化を図ることがより容易となる。
B.第2実施形態:
図4は、第2実施形態におけるガスセンサ200の構成を示す説明図である。図4(a)は、ガスセンサ200を上面から見た様子を示しており、図4(b)は、図4(a)の切断線Bにおけるガスセンサ200の断面を示している。第2実施形態のガスセンサ200は、第1実施形態のガスセンサ100と同様に作製されるが、後述する機能的な構成の変更に伴い、p型半導体膜150(図2)およびn型半導体膜130とp型半導体膜150との間の層間絶縁膜140を省略し、空洞部219をいわゆるボッシュプロセスで形成している。他の作製工程は、第1実施形態のガスセンサ100と同様である。なお、n型半導体膜230に替えて、p型半導体膜を用いるものとしても良い。
図5は、第2実施形態におけるガスセンサ200の機能的な構成を示す説明図である。図5(a)は、図4(a)と同様に、ガスセンサ200を上面から見た様子を示している。図5(b)は、図5(a)において二点鎖線で囲んだ領域R2の拡大図である。なお、図5においても、図示の便宜上、保護膜280、ガス反応膜291および参照膜292のハッチングを省略するとともに、導電膜270(図4)の全体が表面に現れているように図示している。
第2実施形態におけるガスセンサ200は、p型半導体膜150(図2)として形成されたp型熱電素子151(図3)に替えて導電膜270(図4)として形成された金属熱電素子279を用いている点と、n型半導体膜130として形成されたヒータ132,133に替えて導電膜270として形成されたヒータMH1,MH2を用いている点と、導電膜170として形成されたヒータ配線176,177に替えてn型半導体膜230として形成されたヒータ配線234,235とを用いている点と、これらの変更に合わせて各部の形状を変更している点とで、第1実施形態におけるガスセンサ100と異なっている。他の点は、第1実施形態におけるガスセンサ100と同様である。
第2実施形態において、サーモパイルT21〜T24は、n型熱電素子231と、n型熱電素子231の上部に形成された金属熱電素子279とにより構成されている。上下に積層された金属熱電素子279とn型熱電素子231とは、層間絶縁膜260(図4)に形成されたコンタクトホールH21を介して接続されている。また、金属熱電素子279と隣接するn型熱電素子231とは、コンタクトホールH22を介して接続されている。これにより、コンタクトホールH21における金属熱電素子279とn型熱電素子231との接続部が温接点として機能し、コンタクトホールH22における金属熱電素子279とn型熱電素子231との接続部が冷接点として機能する。
ヒータMH1,MH2は、幅の狭い葛折の線状に形成されており、その端部の位置において、層間絶縁膜260には、コンタクトホールH26が設けられている。このようにヒータMH1,MH2を葛折の線状に形成することにより、ヒータMH1,MH2と、メンブレン221との間で発生する膜応力を低減し、メンブレン221の反りやひび割れが抑制されるとともに、ヒータMH1,MH2の膜剥がれが抑制される。また、葛折の線状に形成することにより、ヒータMH1,MH2の抵抗値を高精度で制御することが容易となる。ヒータMH1,MH2のそれぞれは、コンタクトホールH26を介して、ヒータ配線234,235と接続されている。これらのヒータ配線234,235のうちの一方のヒータ配線234は、ヒータ通電電極275の上部において層間絶縁膜260に設けられたコンタクトホールH27を介して、ヒータ通電電極275に接続されている。また、他方のヒータ配線235は、中心軸C2に対してヒータ通電電極275とほぼ対称な位置まで延びるグランド配線278と、中心軸C2に対してコンタクトホールH27とほぼ対称に形成されたコンタクトホールH28を介して接続されている。
図5に示すように、ヒータ配線234,235とヒータMH1,MH2とを接続するためのコンタクトホールH26は、メンブレン221上に配置されており、ヒータ配線234,235と、ヒータ通電電極275あるいはグランド配線278とを接続するためのコンタクトホールH27,H28は、基板210(図4)上に配置されている。そのため、ヒータ配線234,235は、基板210とメンブレン221とを跨ぐように配置されている。
このように、第2実施形態のガスセンサ200においては、基板210とメンブレン221とを跨ぐヒータ配線234,235が導電膜270よりも熱伝導度が低いn型半導体膜230として形成されているので、ガス反応膜191において可燃性ガスが触媒燃焼することにより発生する熱がヒータ配線234,235を介して基板210に伝達されるのが抑制される。そのため、可燃性ガスの触媒燃焼に伴う温度の上昇量をより大きくし、可燃性ガスの検出感度をより高くすることが可能である。このように、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができるので、ヒータMH1,MH2に供給電力を最小限に抑え、ガスセンサ200の省電力化を図ることができる。また、ヒータMH1,MH2に通電することにより発生した熱についても、ヒータ配線234,235を介して基板210に伝達されるのが抑制される。そのため、ヒータMH1,MH2に通電する電流を低減し、ガスセンサ200の省電力化を図ることが可能となる。
上述のように、第2実施形態におけるガスセンサ200では、n型熱電素子231と金属熱電素子279とを接続することにより構成されたサーモパイルT21〜T24を用いることにより、p型半導体膜150(図2)およびn型半導体膜130とp型半導体膜150との間の層間絶縁膜140を省略することができる。第2実施形態は、このようにガスセンサ200の製造工程を短縮することができる点で、第1実施形態よりも好ましい。一方、第1実施形態は、サーモパイルT11〜T14における熱起電力が高くなり、ガスの検出感度をより高くすることが容易となる点で、第2実施形態よりも好ましい。
C.変形例:
本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
C1.変形例1:
上記第1実施形態では、ヒータ132,133をn型ポリシリコンにより形成し、ヒータ132,133に通電するためのヒータ配線176,177を金属により形成している。また、上記第2実施形態では、ヒータMH1,MH2を金属により形成し、ヒータ配線234,235をn形ポリシリコンにより形成している。しかしながら、ヒータおよびヒータ配線の全体をポリシリコンにより形成し、あるいは、ヒータの一部もしくはヒータ配線の一部をポリシリコンにより形成し、他の部分を金属により形成するものとしても良い。一般的には、ヒータと、ヒータに通電するためのヒータ配線の断熱部(メンブレン)上の領域との少なくとも一部が、シリコン系の導電材料で形成されていれば良い。このようにしても、シリコン系の導電材料は、一般的に電気伝導度および熱伝導度が金属より低いため、ヒータの加熱のための電力をより有効にガス反応膜および参照膜の加熱に使用し、あるいは、ヒータで発生した熱がヒータ配線を介して基板に伝達されるのを抑制することができるので、ガスセンサの省電力化を図ることができる。また、シリコン系の導電材料は、メンブレンと熱膨張係数が近いので、パルス駆動によりガスセンサの省電力化を図ることもできる。なお、シリコン系の導電材料としては、サーモパイルを構成する熱電素子の一方と同一の材料を用いても良く、熱電素子とは異なる材料を用いても良い。但し、ヒータとヒータ配線のうちのシリコン系の導電材料で形成される部分を、サーモパイルを構成する熱電素子の一方と同時に形成し、ガスセンサの製造工程を短縮することが可能となる点で、シリコン系の導電材料として、サーモパイルを構成する熱電素子の一方と同一の材料を用いるのが好ましい。
C2.変形例2:
上記各実施形態では、ガス検出部のヒータに通電するためのヒータ通電パッドと、補償部のヒータに通電するためのヒータ通電パッドとを別個に形成し、ガス検出部のヒータと補償部のヒータとに別個に通電できるようにしているが、例えば、これらのヒータ通電パッドを1つの端子に接続し、2つのヒータに同時に通電することも可能である。但し、雰囲気中に可燃性ガスがない状態において各ヒータの通電電流を調整して、ガス濃度に対応する出力信号のオフセットを0に調整することにより、より低濃度のガスを検出することが可能となる点で、ガス検出部のヒータと補償部のヒータとに別個に通電できるようにするのが好ましい。
C3.変形例3:
上記第1実施形態では、n型およびp型熱電素子131,151を温接点接続線171および冷接点接続線172で接続することにより構成されたサーモパイルT11〜T14を用い、第2実施形態では、n型熱電素子231および金属熱電素子279と接続することにより構成されたサーモパイルT21〜T24を用いているが、材質の異なる2つの金属熱電素子を接続してサーモパイルを構成することも可能である。但し、熱起電力を高くし、ガスセンサの感度をより高くすることができる点で、サーモパイルを構成する2つの熱電素子の少なくとも一方を半導体により形成するのが好ましい。
C4.変形例4:
上記各実施形態では、ガス検出部と補償部とのそれぞれにおいて、2つのサーモパイルを設けているが、サーモパイルの数は、任意の数とすることができる。例えば、ガス検出部と補償部とのそれぞれにおいて、単一のサーモパイルを設けるものとしても良く、また、さらにサーモパイルを増やすものとしても良い。また、上記各実施形態では、ガス反応膜と参照膜との温度を測定するために、熱電対を直列接続したサーモパイルを用いているが、ガス検出部と補償部とのそれぞれにおいて、単一の熱電対、あるいは、測温抵抗体やサーミスタ等の他の測温素子を設け、それによりガス反応膜と参照膜との温度を測定するものとしても良い。但し、ガス反応膜と参照膜との温度を表す十分に高い電圧信号が直接出力され、可燃性ガスの検出感度をより高くすることが容易となる点で、サーモパイルによりガス反応膜と参照膜との温度を測定するのが好ましい。
C5.変形例5:
上記実施形態では、燃焼触媒を担持していない担体を含む参照膜を形成しているが、製造工程を簡略化するために参照膜の形成を省略することも可能である。この場合、補償部の測温素子は、温度がガス反応膜に近くなるヒータの温度を測定するように、ヒータの近傍に形成されていれば良い。なお、このとき、補償部のヒータは、補償部の測温素子の近傍を含む領域に形成されているといえる。但し、参照膜およびガス反応膜のそれぞれが形成している領域の熱容量をより近くし、気流等の影響による可燃性ガスの検出精度の低下を抑制することができる点で、参照膜を形成するのが好ましい。
C6.変形例6:
上記各実施形態では、ガス反応膜および参照膜のそれぞれの下にヒータを形成しているが、参照膜の下のヒータを省略することも可能である。この場合においても、空洞部を渡る薄いメンブレン上にガス反応膜および参照膜が形成されているので、雰囲気が可燃性ガスを含まない場合におけるガス反応膜と参照膜と温度差は、主としてメンブレン上の構造により決定される。そして、基板の温度が変動しても、ガス反応膜と参照膜との温度差の変動は抑制されるので、可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜の温度上昇量をより正確に求めることが可能となる。但し、雰囲気が可燃性ガスを含まない場合においてガス反応膜と参照膜とをほぼ同温度とし、ガス濃度に対応する出力信号のオフセットをほぼ0とすることにより、低濃度のガスをより容易に検出することが可能となる点で、ガス反応膜および参照膜のそれぞれの下にヒータを形成するのが好ましい。
C7.変形例7:
上記各実施形態では、ガスセンサに、ガス検出部と補償部とを設けているが、補償部を省略することも可能である。この場合、ガス反応膜を加熱するヒータに通電を開始してから十分に時間が経過した後、演算増幅器等を用いて出力電圧が0となるようにオフセットを調整することにより、可燃性ガスの検出を行うことができる。
C8.変形例8:
上記各実施形態では、断熱部として、基板自体に設けられた空洞部、もしくは、基板上に形成された空洞部を用いているが、断熱部は必ずしも空洞である必要はない。断熱部は、例えば、基板自体に設けられた空洞部に、多孔質材や樹脂等の断熱材を埋め込むことにより形成することができる。多孔質材としてSiOを用いる場合には、周知の低比誘電率(Low-k)絶縁膜やシリカエアロゲルの形成技術により空洞部に多孔質SiOを埋め込むことができる。多孔質材として樹脂を用いる場合には、当該樹脂のモノマやプレポリマを空洞部に充填し、その後、熱や紫外線によりモノマやプレポリマを重合させれば良い。また、断熱部として、基板上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成するものとしても良い。この場合、上述した基板上に空洞部を形成する工程と同様に、基板もしくは絶縁膜上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成し、形成した断熱膜を残存させることにより断熱部を形成することができる。また、基板上に断熱膜を形成するためのポリシリコン膜を形成し、当該ポリシリコン膜を陽極酸化により多孔質化しても良い。さらに、断熱部として、基板自体に多孔質部を形成するものとしても良い。多孔質部は、例えば、基板としてSi基板を用いている場合には、基板自体に空洞部を形成する工程と同様に、基板の下面側もしくは基板の上面側から、空洞部に相当する領域を陽極酸化により多孔質化することで形成することができる。なお、空洞でない断熱部を用いる場合において、断熱部の材料が導電性を有する場合には、断熱部と、半導体膜あるいは導電膜との間には絶縁膜が追加される。このように、空洞でない断熱部を用いることにより、断熱部上に形成された機能膜の破損が抑制される。
10…センサモジュール、11…ケース、12…キャップ、13…外部電極、14…端子、15…ダイボンド材、16…ワイヤ、19…パッケージ、100,200…ガスセンサ、101…マスク膜、109…開口部、110, 210…基板、119, 219…空洞部、120,220…絶縁膜、121,221…メンブレン、130,230…n型半導体膜、131,231…n型熱電素子、132,133,MH1,MH2…ヒータ、234,235…ヒータ配線、140,160,260…層間絶縁膜、150…p型半導体膜、151…p型熱電素子、170,270…導電膜、171…温接点接続線、172…冷接点接続線、173,273…信号出力電極、174,274…サーモパイル接続線、175,275…ヒータ通電電極、176,177…ヒータ配線、178,278…グランド配線、279…金属熱電素子、180,280…保護膜、181〜185,281〜285…開口部、191,291…ガス反応膜、192,292…参照膜、H11〜H15,H21,H22,H26〜H28…コンタクトホール、P11,P13,P21,P23…信号出力パッド、P12,P14,P22,P24…ヒータ通電パッド、P15,P25…グランドパッド、PD3,PD4…ボンディングパッド、T11〜T14,T21〜T24…サーモパイル

Claims (4)

  1. 可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサであって、
    断熱部および非断熱部と、
    前記断熱部上に形成された反応膜ヒータと、前記断熱部上において前記反応膜ヒータの上に形成され、前記可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜と、前記断熱部上において前記ガス反応膜の近傍に形成された測温素子と、を有するガス検出部と、
    を備え、
    前記反応膜ヒータと、前記非断熱部上から前記反応膜ヒータに延びて前記反応膜ヒータに通電するための反応膜ヒータ配線の前記断熱部上の領域と、の少なくとも一部は、シリコン系の導電材料で形成されている、
    接触燃焼式ガスセンサ。
  2. 前記反応膜ヒータは、前記シリコン系の導電材料により平板状に形成されている、請求項1記載の接触燃焼式ガスセンサ。
  3. 前記反応膜ヒータは、金属により形成されており、前記反応膜ヒータ配線は、前記シリコン系の導電材料で形成されている、請求項1記載の接触燃焼式ガスセンサ。
  4. 前記測温素子は、前記シリコン系の導電材料で形成された第1の熱電素子と、前記第1の熱電素子とは異なる導電材料で形成された第2の熱電素子とを接続することにより構成されたサーモパイルの温接点である、請求項1ないし3のいずれか記載の接触燃焼式ガスセンサ。
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