JP2016151472A - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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SiO2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SiO2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。
Claims (4)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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