JP2018013355A - Gas sensor - Google Patents

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JP2018013355A
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大昌 加田
Hiromasa KADA
大昌 加田
剛 上山
Go Kamiyama
剛 上山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor which is improved in measurement precision for a gas to be measured which has been introduced into a sensor element in a casing.SOLUTION: The present invention relates to a gas sensor comprising: a wiring board 50; a sensor element 40; and a casing 10 accommodating the wiring board, the casing having an introduction port 10g for introducing a measured gas G and a discharge port 10h for discharging the measured gas formed such that one-end sides 10g1, 10h1 of the introduction port and discharge port communicate with a storage space. The one end of the introduction port is located horizontally outside the sensor element and also arranged at a higher or lower position than the wiring board, and the one end of the discharge port is located horizontally outside the sensor element, and also arranged at a different position from the introduction port across the sensor element. The casing has a gas flow passage 10c connecting the introduction port and storage space to each other, the gas flow passage including an inner wall 10w2 which faces the one end of the introduction port, and changes a progress path of the gas introduced from the introduction port toward the storage space.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、特定ガスの濃度を検知するガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor that detects the concentration of a specific gas.

従来から、金属酸化物センサとして、配線基板の開口部内にセンサ素子をワイヤボンディング等で宙吊り固定し、配線基板毎ケース(ハウジング)内に収容する構成が知られている(特許文献1)。
この技術では、センサ素子の周囲に配置されるケース(ケースキャップ)内のガス流路を迷路状にすることで、空気の流れを生じさせ、センサ素子を外部から断熱し、周囲温度が変化してもセンサ素子の動作温度を一定に保っている。又、センサ素子を宙吊り固定することで、センサ素子の熱容量や周囲の熱的影響を減らしてガスの検知精度や応答性を向上させることができる。
Conventionally, as a metal oxide sensor, a configuration is known in which a sensor element is suspended and fixed in an opening of a wiring board by wire bonding or the like and accommodated in a case (housing) for each wiring board (Patent Document 1).
In this technology, the gas flow path in the case (case cap) arranged around the sensor element is made into a labyrinth, thereby generating an air flow, insulating the sensor element from the outside, and changing the ambient temperature. However, the operating temperature of the sensor element is kept constant. In addition, by fixing the sensor element in the air, it is possible to improve the gas detection accuracy and responsiveness by reducing the heat capacity of the sensor element and the surrounding thermal influence.

特開平9-184817号公報(図1)JP-A-9-84817 (FIG. 1)

ところで、ケーシング内に導入される被測定ガスの流れによっては、配線基板に保持されたセンサ素子の表面のガスの流れが不均一になり、センサ素子の位置によってはガスがほとんど供給されず、測定精度が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、ケーシング内のセンサ素子に被測定ガスを導入するガスセンサにおいて、被測定ガスの測定精度を向上させたガスセンサを提供することを目的とする。
By the way, depending on the flow of the gas to be measured introduced into the casing, the gas flow on the surface of the sensor element held on the wiring board becomes non-uniform, and depending on the position of the sensor element, the gas is hardly supplied and measurement is performed. There is a problem that accuracy decreases.
Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor that improves the measurement accuracy of a gas to be measured in a gas sensor that introduces a gas to be measured into a sensor element in a casing.

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、板状をなし、板厚方向に貫通する開口部が形成された配線基板と、特定ガスを検出する検出部がベース基板上に設けられたセンサ素子であって、複数の通電部材によって前記開口部内に宙吊り固定されると共に、前記配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、前記配線基板を収容する収容空間を形成するケーシングであって、前記配線基板の外周縁を取り囲むケーシング側壁に、前記収容空間に被測定ガスを導入する導入口、及び、前記収容空間から前記被測定ガスを排出する排出口が形成され、前記導入口及び前記排出口の一端が前記収容空間に連通するケーシングと、を備えたガスセンサであって、
前記配線基板の板厚方向が鉛直方向と沿うように前記配線基板を前記ケーシング内に設置した状態において、前記導入口の前記一端は、前記センサ素子よりも水平方向外側に位置すると共に、前記配線基板よりも高位又は低位に配置される一方、前記排出口の前記一端は、前記センサ素子よりも水平方向外側に位置すると共に、前記センサ素子を隔てて前記導入口とは異なる位置に配置されており、
前記ケーシングは、前記導入口と前記収容空間とを繋ぐガス流路であって、前記導入口の前記一端と向かい合い、前記導入口から導入されたガスの進行経路を前記収容空間に向けて変換させる内壁を含むガス流路を有する。
In order to solve the above-mentioned problems, a gas sensor according to the present invention has a plate shape, a wiring board in which an opening penetrating in the thickness direction is formed, and a sensor in which a detection unit for detecting a specific gas is provided on a base substrate. A casing that is suspended in the opening by a plurality of current-carrying members and is electrically connected to the wiring board, and a casing that forms a housing space for housing the wiring board, An introduction port for introducing the gas to be measured into the accommodation space and an exhaust port for exhausting the gas to be measured from the accommodation space are formed in the casing side wall that surrounds the outer peripheral edge of the wiring substrate. A casing having one end of the outlet communicating with the accommodation space, and a gas sensor comprising:
In a state where the wiring board is installed in the casing so that the thickness direction of the wiring board is along the vertical direction, the one end of the introduction port is located on the outer side in the horizontal direction with respect to the sensor element, and the wiring While being arranged higher or lower than the substrate, the one end of the discharge port is located outside the sensor element in the horizontal direction, and is arranged at a position different from the introduction port across the sensor element. And
The casing is a gas flow path connecting the introduction port and the accommodation space, facing the one end of the introduction port, and converting a traveling path of the gas introduced from the introduction port toward the accommodation space. A gas flow path including an inner wall;

このガスセンサによれば、導入口の一端がガス流路に形成され、さらにガス流路内で導入口の一端と向かい合う内壁が形成されている。これにより、導入口から導入された被測定ガスは、まずガス流路を通って内壁に衝突し、その進行経路を収容空間に向けて変換させられる。
このとき、導入口の一端は配線基板よりも高位又は低位に配置されている、つまり、導入口の一端は配線基板(=センサ素子)と同一平面上に存在しないので、内壁で進行経路を変換させられた被測定ガスが、センサ素子の表面に衝突し、センサ素子の表面に沿って流れるようになる。そして、センサ素子の表面に沿って流れた被測定ガスは、導入口の一端と向かい合うガス流路とは異なる位置に配置される排出口から排出される。
これにより、センサ素子の表面に沿う被測定ガスの流れは層流となり、センサ素子の表面上の位置による流速の差が低減し、被測定ガスがセンサ素子全体に均一に供給される。このため、被測定ガスの測定精度を向上させることができる。
According to this gas sensor, one end of the inlet is formed in the gas flow path, and an inner wall facing the one end of the inlet is formed in the gas flow path. Thereby, the gas to be measured introduced from the introduction port first collides with the inner wall through the gas flow path, and the traveling path is converted toward the accommodation space.
At this time, one end of the introduction port is arranged higher or lower than the wiring board, that is, one end of the introduction port does not exist on the same plane as the wiring board (= sensor element). The gas to be measured collides with the surface of the sensor element and flows along the surface of the sensor element. And the to-be-measured gas which flowed along the surface of a sensor element is discharged | emitted from the discharge port arrange | positioned in the position different from the gas flow path facing one end of an inlet.
As a result, the flow of the gas to be measured along the surface of the sensor element becomes a laminar flow, and the difference in flow velocity due to the position on the surface of the sensor element is reduced, so that the gas to be measured is uniformly supplied to the entire sensor element. For this reason, the measurement accuracy of the gas to be measured can be improved.

本発明のガスセンサであって、前記配線基板の板厚方向が鉛直方向と沿うように前記配線基板を前記ケーシング内に設置した状態において、前記排出口の前記一端は、前記鉛直方向に前記配線基板よりも前記導入口の前記一端と同じ側に配置されていてよい。
このガスセンサによれば、内壁で進行経路を変換させられた被測定ガスは、センサ素子の表面に衝突した後、排出口へ流れるので、被測定ガスがスムースに排出口から排出され、被測定ガスの測定精度がさらに向上する。
In the gas sensor according to the present invention, in the state where the wiring board is installed in the casing so that the plate thickness direction of the wiring board is along the vertical direction, the one end of the discharge port extends in the vertical direction in the wiring board. It may be arranged on the same side as the one end of the inlet.
According to this gas sensor, the gas to be measured whose traveling path has been converted by the inner wall collides with the surface of the sensor element and then flows to the discharge port. Therefore, the gas to be measured is smoothly discharged from the discharge port, and the gas to be measured The measurement accuracy is further improved.

本発明のガスセンサであって、前記導入口の他端側、及び、前記排出口の他端側は、それぞれ、前記ケーシング側壁から外側に向かって突出する筒状部の内部空間によって構成されており、前記筒状部には、被測定ガスを流通させる流通管が接続されていてよい。
このガスセンサによれば、流通管から導入管の内孔(内部空間)をガイドとして被測定ガスが導入されるので、被測定ガスがガス流路に導入され易くなる。同様に、排出口から排出された被測定ガスが、排出管の内孔(内部空間)をガイドとして排出されるので、被測定ガスが排出され易くなる。このため、センサ素子の表面に沿う被測定ガスの流れがより均一になり、被測定ガスの測定精度がさらに向上する。
In the gas sensor of the present invention, the other end side of the introduction port and the other end side of the discharge port are each configured by an internal space of a cylindrical portion that protrudes outward from the casing side wall. The cylindrical portion may be connected to a flow pipe for flowing the gas to be measured.
According to this gas sensor, since the gas to be measured is introduced from the flow pipe using the inner hole (internal space) of the introduction pipe as a guide, the gas to be measured is easily introduced into the gas flow path. Similarly, the gas to be measured discharged from the discharge port is discharged using the inner hole (internal space) of the discharge pipe as a guide, so that the gas to be measured is easily discharged. For this reason, the flow of the gas to be measured along the surface of the sensor element becomes more uniform, and the measurement accuracy of the gas to be measured is further improved.

この発明によれば、ケーシング内のセンサ素子に被測定ガスを導入するガスセンサにおいて、被測定ガスの測定精度を向上させたガスセンサが得られる。   According to this invention, in the gas sensor that introduces the gas to be measured to the sensor element in the casing, a gas sensor with improved measurement accuracy of the gas to be measured can be obtained.

本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the gas sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスセンサの上面図である。It is a top view of the gas sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係ガスセンサの下面図である。It is a bottom view of the engagement gas sensor according to the embodiment of the present invention. ケーシング内に収容された配線基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the wiring board accommodated in the casing. ケーシングの斜視図である。It is a perspective view of a casing. 図5のA−A線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. ケーシングの別の斜視図である。It is another perspective view of a casing. ケーシングの上面図である。It is a top view of a casing. 比較例のケーシングの斜視図である。It is a perspective view of the casing of a comparative example. 本発明の実施形態に係るガスセンサにおけるセンサ素子表面のガス流の流体解析シミュレーションを示す図である。It is a figure which shows the fluid analysis simulation of the gas flow on the sensor element surface in the gas sensor which concerns on embodiment of this invention. 図9のケーシングを用いたガスセンサにおけるセンサ素子表面のガス流の流体解析シミュレーションを示す図である。It is a figure which shows the fluid analysis simulation of the gas flow on the sensor element surface in the gas sensor using the casing of FIG.

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態におけるガスセンサ1の分解斜視図、図2、図3はそれぞれガスセンサ1の上面図及び下面図、図4はケーシング10内に収容された配線基板50を示す斜視図、図5はケーシング10の斜視図、図6は図5のA−A線に沿う断面図、図7はケーシング10の別の斜視図、図8はケーシング10の上面図である。
図1において、ガスセンサ1は、略矩形箱状で上面(図1の上方に向く面)が開口する下ケース10と、下ケース10の開口を閉塞する蓋部20と、下ケース10に収容されるセラミック配線基板(以下、単に「配線基板」という)50と、矩形枠状のシール材(ガスケット)31、32と、配線基板50の開口部50h内に配置されるセンサ素子40と、センサ素子40を開口部50h内に宙吊り固定する通電部材61、63と、を備えている。なお、通電部材61は4本存在しているが、図1では、それらのうちの1本がシール材31の下に配置されている関係から図示していない。また、通電部材63は、2本存在している。
下ケース10と蓋部20が特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 is an exploded perspective view of a gas sensor 1 according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are a top view and a bottom view of the gas sensor 1, respectively, and FIG. 4 is a perspective view showing a wiring board 50 accommodated in a casing 10. 5 is a perspective view of the casing 10, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5, FIG. 7 is another perspective view of the casing 10, and FIG.
In FIG. 1, a gas sensor 1 is accommodated in a lower case 10 having a substantially rectangular box shape with an upper surface (a surface facing upward in FIG. 1) opened, a lid portion 20 that closes the opening of the lower case 10, and the lower case 10. Ceramic wiring board (hereinafter simply referred to as “wiring board”) 50, rectangular frame-shaped sealing materials (gaskets) 31, 32, sensor element 40 disposed in the opening 50 h of wiring board 50, and sensor element Current-carrying members 61, 63 for hanging and fixing 40 in the opening 50h. Although there are four energization members 61, in FIG. 1, one of them is not shown because it is disposed under the sealing material 31. In addition, there are two energizing members 63.
The lower case 10 and the lid 20 correspond to a “casing” in the claims.

下ケース10は、収容空間10rと、上端から下方に延びる矩形の切欠き10nと、配管の接続口となるパイプ状の導入管10a及び排出管10bとを備えている。導入管10a及び排出管10bは、下ケース10の一方の側面(図1の右側面)からそれぞれ右に突出すると共に、その内孔(図4の導入口10g及び排出口10h)が収容空間10rに連通している。
配線基板50は、矩形枠状の先端部50aと、先端部50aの一方の辺から先端部50aよりも狭幅とされて外側(図1の左側)へ延びる基端部50eとを備えている。
シール材31、32、及び配線基板50の先端部50aは、下ケース10の収容空間10rに丁度収容される寸法とされ、下ケース10側から順にシール材31、先端部50a及びシール材32が収容空間10rに収容されている。又、切欠き10nから配線基板50の基端部50eが下ケース10の外側に突出するようになっている。
The lower case 10 includes an accommodation space 10r, a rectangular notch 10n extending downward from the upper end, and pipe-like introduction pipes 10a and discharge pipes 10b that serve as connection ports for the pipes. The introduction pipe 10a and the discharge pipe 10b protrude to the right from one side surface (the right side surface in FIG. 1) of the lower case 10, and the inner holes (the introduction port 10g and the discharge port 10h in FIG. 4) have an accommodation space 10r. Communicating with
The wiring board 50 includes a rectangular frame-shaped distal end portion 50a and a base end portion 50e that is narrower than the distal end portion 50a from one side of the distal end portion 50a and extends outward (left side in FIG. 1). .
The sealing materials 31 and 32 and the front end portion 50a of the wiring board 50 have dimensions that are just accommodated in the accommodating space 10r of the lower case 10, and the sealing material 31, the front end portion 50a, and the sealing material 32 are arranged in order from the lower case 10 side. It is accommodated in the accommodating space 10r. Further, the base end portion 50e of the wiring board 50 protrudes from the notch 10n to the outside of the lower case 10.

そして、この状態で、シール材32の上から蓋部20をボルト25にて下ケース10にボルト締めすることで、下ケース10と蓋部20の間でシール材31、32が押圧されて下ケース10と配線基板50の隙間を気密にシールするようになっている。
これにより、導入管10aから収容空間10rに導入された被測定ガスGがセンサ素子40に接触して特定ガスの濃度が検出された後、排出管10bから外部に排出される。
In this state, the sealing member 31 and 32 are pressed between the lower case 10 and the lid part 20 by bolting the lid part 20 onto the lower case 10 with bolts 25 from above the sealing material 32. A gap between the case 10 and the wiring board 50 is hermetically sealed.
As a result, the gas G to be measured introduced from the introduction pipe 10a into the accommodation space 10r comes into contact with the sensor element 40 to detect the concentration of the specific gas, and is then discharged to the outside from the discharge pipe 10b.

なお、センサ素子40は略矩形板状をなし、ベース基板41の上面(図1の上方に向く面)側にヒータ部42が配置され、ベース基板41の下面側に検出部43が配置されており、検出部43とヒータ部42がベース基板41の上下に積層された一体構造となっている。
検出部43は特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化し、その変化した電気信号を検知することで特定ガス成分の濃度を検出する。又、ヒータ部42は通電加熱により、検出部43を動作温度に加熱する。そして、検出部43の出力端子、及びヒータ部42の通電端子は配線基板50に通電部材61、63にて宙吊り固定されると共に電気的に接続されている。
ベース基板41は例えばセラミック基板とすることができる。又、検出部43は例えば酸化物半導体にて形成することができる。ヒータ部42は例えばベース基板41の表面に形成されて発熱抵抗体となる回路とすることができる。
The sensor element 40 has a substantially rectangular plate shape, a heater portion 42 is disposed on the upper surface (surface facing upward in FIG. 1) of the base substrate 41, and a detection portion 43 is disposed on the lower surface side of the base substrate 41. In addition, the detection unit 43 and the heater unit 42 have an integrated structure in which the base substrate 41 is stacked above and below.
The detection unit 43 detects the concentration of the specific gas component by detecting an electric signal whose electrical characteristics change according to the concentration of the specific gas component and detecting the changed electric signal. The heater unit 42 heats the detection unit 43 to the operating temperature by energization heating. The output terminal of the detection unit 43 and the energization terminal of the heater unit 42 are suspended and fixed to the wiring board 50 by energization members 61 and 63 and electrically connected thereto.
The base substrate 41 can be a ceramic substrate, for example. Moreover, the detection part 43 can be formed, for example with an oxide semiconductor. The heater unit 42 may be a circuit that is formed on the surface of the base substrate 41 and serves as a heating resistor, for example.

ここで、配線基板50の基端部50eの表裏面には検出部43及びヒータ部42に上記通電部材61、63及びリード部50Lを介して電気的に接続された導電パッド部50pが複数配置されている。そして、検出部43から出力された電気信号は配線基板50の導電パッド部50pを介して外部に出力され、導電パッド部50pを介して外部から供給された電力によりヒータ部42が通電加熱する。   Here, a plurality of conductive pad portions 50p electrically connected to the detection portion 43 and the heater portion 42 via the current-carrying members 61 and 63 and the lead portions 50L are arranged on the front and back surfaces of the base end portion 50e of the wiring board 50. Has been. The electrical signal output from the detection unit 43 is output to the outside through the conductive pad unit 50p of the wiring board 50, and the heater unit 42 is energized and heated by the electric power supplied from the outside through the conductive pad unit 50p.

ここで、図2に示すように、センサ素子40は平面視四角形状に形成されており、そのうち第1辺40a(図2の左側の辺)を跨ぐようにして、2本の通電部材61a、61bがセンサ素子40の両端側と配線基板50とに接合されている。同様に、第1辺40aと対向する第2辺40b(図2の右側の辺)を跨ぐようにして、別の2本の通電部材61c、61dがセンサ素子40の両端側と配線基板50とに接合されている。   Here, as shown in FIG. 2, the sensor element 40 is formed in a square shape in plan view, and the two energization members 61 a, straddling the first side 40 a (the left side in FIG. 2), 61 b is bonded to both end sides of the sensor element 40 and the wiring board 50. Similarly, another two energizing members 61c and 61d are connected to both ends of the sensor element 40 and the wiring board 50 so as to straddle the second side 40b (the right side in FIG. 2) facing the first side 40a. It is joined to.

なお、配線基板50の表面には、開口部50hを囲むように複数(図2では4つ)の素子周辺パッド50sが形成されており、各素子周辺パッド50sはリード部50Lを介して導電パッド部50p(図2では3つ)に接続されている。
又、ヒータ部42をなす発熱抵抗体の両端にはそれぞれ通電用パッド42pが形成されており、各通電用パッド42pにそれぞれ対向するように2つの素子周辺パッド0sが配置されている。通電部材61a、61dは、それぞれ各素子周辺パッド50sと対向する各通電用パッド42pとを接続している。
さらに、ヒータ部42に沿って温度センサ44が配置されており、温度センサ44の両端にもそれぞれ通電用パッド44pが形成されている。各通電用パッド44pにそれぞれ対向するように2つの素子周辺パッド50sが配置されており、通電部材61b、61cは、それぞれ各素子周辺パッド50sと対向する各通電用パッド44pとを接続している。
なお、図2の右下の素子周辺パッド50sには、U字状の導電部材55が接続されており、この導電部材55は配線基板50の反対面の素子周辺パッド50sに接続している(図3参照)。
Note that a plurality of (four in FIG. 2) element peripheral pads 50s are formed on the surface of the wiring board 50 so as to surround the opening 50h, and each element peripheral pad 50s is a conductive pad via a lead 50L. It is connected to the part 50p (three in FIG. 2).
Further, energization pads 42p are respectively formed at both ends of the heating resistor forming the heater section 42, and two element peripheral pads 0s are arranged so as to face the respective energization pads 42p. The energizing members 61a and 61d connect the energizing pads 42p facing the element peripheral pads 50s, respectively.
Further, a temperature sensor 44 is disposed along the heater portion 42, and energization pads 44p are formed at both ends of the temperature sensor 44, respectively. Two element peripheral pads 50s are arranged so as to oppose each energizing pad 44p, and the energizing members 61b and 61c connect each energizing pad 44p opposed to each element peripheral pad 50s. .
Note that a U-shaped conductive member 55 is connected to the element peripheral pad 50 s in the lower right of FIG. 2, and this conductive member 55 is connected to the element peripheral pad 50 s on the opposite surface of the wiring board 50 ( (See FIG. 3).

一方、図3に示すように、センサ素子40の反対面においても、配線基板50の裏面には、開口部50hを囲むように複数(図3では3つ)のランド50sが形成されており、各ランド50sはリード部50Lを介して導電パッド部50p(図3では3つ)に接続されている。
そして、2本の通電部材63a、63bが、センサ素子40の検出部43に繋がる2つの通電用パッド43pと、対向する配線基板50のランド50sとの間に接合されている。
On the other hand, as shown in FIG. 3, a plurality of (three in FIG. 3) lands 50s are formed on the back surface of the wiring board 50 so as to surround the opening 50h on the opposite surface of the sensor element 40, Each land 50s is connected to a conductive pad portion 50p (three in FIG. 3) via a lead portion 50L.
The two energization members 63 a and 63 b are joined between the two energization pads 43 p connected to the detection unit 43 of the sensor element 40 and the land 50 s of the opposing wiring board 50.

通電部材61及び導電部材55は例えばPtで形成することができ、また、通電部材63は例えばAuで形成することができ、対応する通電用パッド及び素子周辺パッドに溶接等により電気的に接続することができる。又、各通電用パッドはPtペースト等をセンサ素子40のベース基板41に印刷後、焼成して形成することができる。素子周辺パッド50s、リード部50L及び導電パッド部50pは、Auペースト等を配線基板50に印刷後、焼成して形成することができる。   The energization member 61 and the conductive member 55 can be formed of, for example, Pt, and the energization member 63 can be formed of, for example, Au, and are electrically connected to corresponding energization pads and element peripheral pads by welding or the like. be able to. Each energizing pad can be formed by printing a Pt paste or the like on the base substrate 41 of the sensor element 40 and then baking it. The element peripheral pad 50s, the lead portion 50L, and the conductive pad portion 50p can be formed by printing Au paste or the like on the wiring substrate 50 and then baking it.

次に、図4〜図8を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
図4〜図7に示すように、ケーシング10のうち、配線基板50の外周縁を取り囲むケーシング側壁10s(図4、図5のケーシング10の上側の辺)に導入管10a及び排出管10bが取り付けられ、これらの内孔が導入口10g、排出口10hになっている。
又、ケーシング(下ケース)10の底壁の中央部には周囲より盛り上がった平面視矩形の隆起部10Lが形成され(図5)、隆起部10Lの両端寄り部位(図4における左右に位置する部位)には、隆起部10Lの表面からみてそれぞれ長円形に凹む導入側ガス流路10c、排出側ガス流路10dが形成されている。導入側ガス流路10cには導入口10cが臨む一方で排出口10hは臨んでおらず、導入側ガス流路10cは、導入口10gの延長線上に延びるように形成されている。また、排出側ガス流路10dには排出口10hが臨み、排出側ガス流路10dは、排出口10hの延長線上に延びるように形成されている。
なお、隆起部10Lの外周縁より外側の収容空間10r(図5のハッチング部分)はシール材31で閉塞されるので、導入側ガス流路10cおよび排出側ガス流路10dの直上部分、および、隆起部10Lのうち両ガス流路10c、10dの間の部位の直上部分が実質的な有効な収容空間10rとなる。導入側ガス流路10cは、収容空間10rに対して上流側に配置されるガス流路であり、特許請求の範囲の「ガス流路」に相当する。
Next, features of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 4 to 7, the introduction pipe 10 a and the discharge pipe 10 b are attached to the casing side wall 10 s (the upper side of the casing 10 in FIGS. 4 and 5) surrounding the outer peripheral edge of the wiring board 50 in the casing 10. These inner holes serve as an inlet 10g and an outlet 10h.
Further, a raised portion 10L having a rectangular shape in plan view that is raised from the periphery is formed at the center of the bottom wall of the casing (lower case) 10 (FIG. 5), and is located at both ends of the raised portion 10L (left and right in FIG. 4). A part) is formed with an introduction-side gas flow path 10c and a discharge-side gas flow path 10d that are recessed in an oval shape as viewed from the surface of the raised portion 10L. The introduction side gas flow path 10c faces the introduction port 10c but does not face the discharge port 10h, and the introduction side gas flow path 10c is formed to extend on the extension line of the introduction port 10g. Further, the discharge side gas flow path 10d faces the discharge port 10h, and the discharge side gas flow path 10d is formed to extend on an extension line of the discharge port 10h.
Since the accommodation space 10r outside the outer peripheral edge of the raised portion 10L (hatched portion in FIG. 5) is closed by the sealing material 31, the portion directly above the introduction-side gas passage 10c and the discharge-side gas passage 10d, and A portion directly above the portion between the gas flow paths 10c and 10d in the raised portion 10L is a substantially effective accommodation space 10r. The introduction-side gas passage 10c is a gas passage disposed on the upstream side with respect to the accommodation space 10r, and corresponds to a “gas passage” in the claims.

そして、導入側ガス流路10c、排出側ガス流路10dのうち、導入管10a及び排出管10b側の第1側壁10w1に、導入管10a及び排出管10bからそれぞれ延びる導入口10g、排出口10hが開口している。導入口10g、排出口10hのうち、第1側壁10w1に臨み、導入側ガス流路10cないしは排出側ガス流路10dのいずれかを介して収容空間10rに連通する部位を、それぞれ導入口10gの一端10g1、排出口10hの一端10h1とする。
一方、導入側ガス流路10c内には、導入口10gの一端10g1と向かい合う第2側壁10w2が形成されている(図7)。
導入管10a及び排出管10bが特許請求の範囲の「筒状部」に相当し、第2側壁10w2が特許請求の範囲の「内壁」に相当する。
Of the introduction-side gas flow path 10c and the discharge-side gas flow path 10d, an introduction port 10g and a discharge port 10h extending from the introduction tube 10a and the discharge tube 10b to the first side wall 10w1 on the introduction tube 10a and the discharge tube 10b side, respectively. Is open. Of the introduction port 10g and the discharge port 10h, the portion that faces the first side wall 10w1 and communicates with the accommodation space 10r through either the introduction side gas flow channel 10c or the discharge side gas flow channel 10d is respectively connected to the introduction port 10g. One end 10g1 and one end 10h1 of the discharge port 10h.
On the other hand, a second side wall 10w2 facing the one end 10g1 of the introduction port 10g is formed in the introduction side gas flow path 10c (FIG. 7).
The introduction pipe 10a and the discharge pipe 10b correspond to the “cylindrical portion” in the claims, and the second side wall 10w2 corresponds to the “inner wall” in the claims.

又、図4、図8に示すように、配線基板50の板厚方向Tが鉛直方向と沿うように配線基板50をケーシング(下ケース)10内に設置した状態において、導入口10gの一端10g1及び排出口10hの一端10h1は、センサ素子40よりも水平方向外側に位置する。又、排出口10hはセンサ素子40を隔てて導入口10gとは異なる位置に配置されている。
ここで、「センサ素子を隔てて異なる位置」とは、導入口10gの一端10g1と排出口10hの一端10h1を結んだ線LX(図8参照)がセンサ素子40を跨ぐ位置関係を満たすことをいい、線LX上にセンサ素子40が必ず存在する必要はなく、線LXとずれた位置にセンサ素子40が配置されていてもよい。なお、本実施形態では、センサ素子40は、線LXに対してわずかにずれている(図8では、センサ素子40の右側の辺が線LXに対して左側にわずかにずれている)。
又、図6に示すように、導入口10gの一端10g1及び排出口10hの一端10h1は、鉛直方向の配線基板50の位置LEよりも低位(下側)に配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 8, one end 10g1 of the inlet 10g in a state where the wiring board 50 is installed in the casing (lower case) 10 so that the thickness direction T of the wiring board 50 is along the vertical direction. The one end 10h1 of the discharge port 10h is located on the outer side in the horizontal direction than the sensor element 40. The discharge port 10h is arranged at a position different from the introduction port 10g with the sensor element 40 therebetween.
Here, “different positions across the sensor element” means that the line LX (see FIG. 8) connecting the one end 10g1 of the introduction port 10g and the one end 10h1 of the discharge port 10h satisfies the positional relationship across the sensor element 40. That is, the sensor element 40 does not necessarily exist on the line LX, and the sensor element 40 may be disposed at a position shifted from the line LX. In the present embodiment, the sensor element 40 is slightly displaced with respect to the line LX (in FIG. 8, the right side of the sensor element 40 is slightly displaced to the left with respect to the line LX).
Further, as shown in FIG. 6, one end 10g1 of the introduction port 10g and one end 10h1 of the discharge port 10h are disposed lower (lower side) than the position LE of the wiring board 50 in the vertical direction.

以上のように、導入口10gの一端10g1がガス流路10cの第1側壁10w1に形成され、さらに導入側ガス流路10c内で導入口10gの一端10g1と向かい合う第2側壁10w2が形成されている。これにより、図6に示すように、導入口10gから導入された被測定ガスGは、まず導入側ガス流路10cを通って導入口10gの一端10g1と向かい合う第2側壁10w2に衝突し、その進行経路を収容空間10rに向けて(つまり、図6の上方のセンサ素子40へ向けて)変換させられる。   As described above, the one end 10g1 of the introduction port 10g is formed on the first side wall 10w1 of the gas flow path 10c, and the second side wall 10w2 facing the one end 10g1 of the introduction port 10g is formed in the introduction side gas flow path 10c. Yes. As a result, as shown in FIG. 6, the measurement gas G introduced from the introduction port 10g first collides with the second side wall 10w2 facing the one end 10g1 of the introduction port 10g through the introduction side gas flow path 10c, The traveling path is converted toward the accommodation space 10r (that is, toward the upper sensor element 40 in FIG. 6).

このとき、導入口10gの一端10g1は配線基板50の位置LEよりも低位(下側)に配置されている、つまり、導入口10gの一端10g1は配線基板50(=センサ素子40)と同一平面上に存在しないので、導入側ガス流路10cの第2側壁10w2で進行経路を図6の上方に変換させられた被測定ガスGが、第2側壁10w2よりさらに上方にあるセンサ素子40の表面(本例ではベース基板41の下面側の検出部43)に衝突し、センサ素子40の表面に沿って流れるようになる。
これにより、図8に示すように、センサ素子40の表面に沿う被測定ガスGの流れは層流となり、センサ素子40の表面上の位置による流速の差が低減し、被測定ガスGがセンサ素子40全体に均一に供給される。このため、被測定ガスGの測定精度を向上させることができる。
At this time, one end 10g1 of the introduction port 10g is disposed lower (lower side) than the position LE of the wiring board 50. That is, the one end 10g1 of the introduction port 10g is flush with the wiring board 50 (= sensor element 40). Since the gas to be measured G whose traveling path is converted upward in FIG. 6 by the second side wall 10w2 of the introduction side gas flow path 10c is not present above, the surface of the sensor element 40 that is further above the second side wall 10w2. It collides with (detecting portion 43 on the lower surface side of the base substrate 41 in this example) and flows along the surface of the sensor element 40.
As a result, as shown in FIG. 8, the flow of the gas G to be measured along the surface of the sensor element 40 becomes a laminar flow, and the difference in flow velocity depending on the position on the surface of the sensor element 40 is reduced. The entire element 40 is supplied uniformly. For this reason, the measurement accuracy of the gas G to be measured can be improved.

又、上記実施形態においては、排出口10hの一端10h1は、配線基板50よりも導入口10gの一端10g1と鉛直方向の同じ側(低位)に配置されている。これにより、第2側壁10w2で進行経路を変換させられた被測定ガスGは、センサ素子40の表面に衝突した後、下側の排出口10hへ流れるので、被測定ガスGがスムースに排出口10hから排出され、被測定ガスGの測定精度がさらに向上する。   Further, in the above embodiment, the one end 10 h 1 of the discharge port 10 h is disposed on the same side (lower) in the vertical direction as the one end 10 g 1 of the introduction port 10 g than the wiring board 50. As a result, the gas to be measured G whose traveling path has been converted by the second side wall 10w2 collides with the surface of the sensor element 40 and then flows to the lower outlet 10h, so that the gas to be measured G smoothly flows into the outlet. The measurement accuracy of the gas G to be measured is further improved from 10h.

又、上記実施形態においては、導入口10g及び排出口10hの他端側は、それぞれ、ケーシング10側壁から外側に向かって突出する導入管10a及び排出管10bの内部空間によって構成されている。そして、図4に示すように、導入管10a及び排出管10bには、被測定ガスGを流通させるゴム管等の流通管70がそれぞれ接続されている。
このようにすると、流通管70から導入管10aの内孔(内部空間)をガイドとして被測定ガスGが導入されるので、被測定ガスGが導入側ガス流路10cに導入され易くなる。同様に、排出口10hから排出された被測定ガスGが、排出管10bの内孔(内部空間)をガイドとして排出されるので、被測定ガスGが排出され易くなる。このため、センサ素子40の表面に沿う被測定ガスGの流れがより均一になり、被測定ガスGの測定精度がさらに向上する。
Moreover, in the said embodiment, the other end side of the inlet 10g and the outlet 10h is each comprised by the internal space of the inlet pipe 10a and the outlet pipe 10b which protrude toward the outer side from the casing 10 side wall. As shown in FIG. 4, the introduction pipe 10 a and the discharge pipe 10 b are connected to a circulation pipe 70 such as a rubber pipe through which the gas G to be measured is circulated.
In this way, the measurement gas G is introduced from the flow pipe 70 using the inner hole (internal space) of the introduction pipe 10a as a guide, so that the measurement gas G is easily introduced into the introduction-side gas flow path 10c. Similarly, the gas to be measured G discharged from the discharge port 10h is discharged using the inner hole (internal space) of the discharge pipe 10b as a guide, so that the gas to be measured G is easily discharged. For this reason, the flow of the measurement gas G along the surface of the sensor element 40 becomes more uniform, and the measurement accuracy of the measurement gas G is further improved.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
ケーシング、導入口、排出口、ガス流路、センサ素子の形状等は上記実施形態に限定されない。ヒータ部及び検知部の構造、種類等も限定されない。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but extends to various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention.
The casing, the inlet, the outlet, the gas flow path, the shape of the sensor element, and the like are not limited to the above embodiment. The structure and type of the heater unit and the detection unit are not limited.

実施例:図4、図5に示すケーシング(下ケース)10に、図1〜図3に示すようにセンサ素子40を宙吊り固定した配線基板50を設置し、蓋部20で閉塞した構造のモデルにつき、導入口10gからガスGを導入したときのセンサ素子40下面(検知部43側)を流れるガス流につき、STAR−CCM+(CD−adapco社)で流体解析シミュレーションを実施した。なお、導入口10a、排出口10bの内径は1.5mmとし、導入口10aより空気を流量160cc/minにてケーシング10内に流入させるようにして、流体解析シミュレーションを実施した。
比較例:図9に示すケーシング(下ケース)100を用いたこと以外は、実施例と同様にして流体解析シミュレーションを実施した。下ケース100は、実施例の下ケース10の2つの導入側ガス流路10c、排出側ガス流路10dの間を削り取り、収容空間100rに対して上流側及び下流側にガス流路が配置されていない、大きな収容空間100rとしたものである。そして、隆起部100Lの外周縁より外側の収容空間100r(図9のハッチング部分)はシール材で閉塞される。これにより、下ケース100はガス流路を有さず、導入口100gから被測定ガスGが収容空間100rに直接導入され、排出口100hから外部に排出されるようになっている。
Example: A model of a structure in which a wiring board 50 in which a sensor element 40 is suspended and fixed as shown in FIGS. 1 to 3 is installed in a casing (lower case) 10 shown in FIGS. First, a fluid analysis simulation was performed with STAR-CCM + (CD-adapco) for the gas flow flowing on the lower surface of the sensor element 40 (detection unit 43 side) when the gas G was introduced from the introduction port 10g. In addition, the fluid analysis simulation was carried out by setting the inner diameters of the inlet 10a and the outlet 10b to 1.5 mm and allowing air to flow into the casing 10 from the inlet 10a at a flow rate of 160 cc / min.
Comparative Example: A fluid analysis simulation was performed in the same manner as in the example except that the casing (lower case) 100 shown in FIG. 9 was used. The lower case 100 scrapes between the two introduction-side gas passages 10c and the discharge-side gas passage 10d of the lower case 10 of the embodiment, and gas passages are arranged on the upstream side and the downstream side with respect to the accommodation space 100r. This is a large storage space 100r. And the accommodation space 100r (hatching part of FIG. 9) outside the outer peripheral edge of the raised portion 100L is closed with a sealing material. Accordingly, the lower case 100 does not have a gas flow path, and the measurement gas G is directly introduced into the accommodation space 100r from the introduction port 100g, and is discharged to the outside through the discharge port 100h.

得られた結果を図10、図11に示す。
実施例を示す図10の場合、センサ素子40の下面に、図10の左上から右下へ向かう層流が形成され、これによりセンサ素子40の表面上の位置による流速の差が低減し、ガスGがセンサ素子40全体に均一に供給されることがわかる。
一方、比較例を示す図11の場合、センサ素子40の左上隅部及び上方に強い流れが生じ、これによりセンサ素子40の表面上に渦流が発生し、センサ素子40の位置によってはガスGがほとんど供給されず、ガスの流れが不均一なことがわかる。
The obtained results are shown in FIGS.
In the case of FIG. 10 showing the embodiment, a laminar flow from the upper left to the lower right of FIG. 10 is formed on the lower surface of the sensor element 40, thereby reducing the difference in flow velocity depending on the position on the surface of the sensor element 40. It can be seen that G is uniformly supplied to the entire sensor element 40.
On the other hand, in the case of FIG. 11 showing the comparative example, a strong flow is generated in the upper left corner and above of the sensor element 40, thereby generating a vortex on the surface of the sensor element 40, and depending on the position of the sensor element 40, the gas G may be generated. It can be seen that almost no gas is supplied and the gas flow is uneven.

1 ガスセンサ
10、20 ケーシング
10a、10b 筒状部
10c 導入側ガス流路(ガス流路)
10d 排出側ガス流路
10w2 内壁
10r 収容空間
10g 導入口
10g1 導入口の一端
10h 排出口
10h1 排出口の一端
10s ケーシング側壁
40 センサ素子
41 ベース基板
43 検出部
50 配線基板
50h 開口部
61、63 通電部材
70 流通管
G 被測定ガス
T 板厚方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor 10, 20 Casing 10a, 10b Cylindrical part 10c Introduction side gas flow path (gas flow path)
10d discharge side gas flow path 10w2 inner wall 10r accommodation space 10g introduction port 10g1 one end of introduction port 10h discharge port 10h1 one end of discharge port 10s casing side wall 40 sensor element 41 base substrate 43 detection unit 50 wiring substrate 50h opening unit 61, 63 energization member 70 Flow pipe G Gas to be measured T Thickness direction

Claims (3)

板状をなし、板厚方向に貫通する開口部が形成された配線基板と、
特定ガスを検出する検出部がベース基板上に設けられたセンサ素子であって、複数の通電部材によって前記開口部内に宙吊り固定されると共に、前記配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、
前記配線基板を収容する収容空間を形成するケーシングであって、前記配線基板の外周縁を取り囲むケーシング側壁に、前記収容空間に被測定ガスを導入する導入口、及び、前記収容空間から前記被測定ガスを排出する排出口が形成され、前記導入口及び前記排出口の一端が前記収容空間に連通するケーシングと、を備えたガスセンサであって、
前記配線基板の板厚方向が鉛直方向と沿うように前記配線基板を前記ケーシング内に設置した状態において、前記導入口の前記一端は、前記センサ素子よりも水平方向外側に位置すると共に、前記配線基板よりも高位又は低位に配置される一方、前記排出口の前記一端は、前記センサ素子よりも水平方向外側に位置すると共に、前記センサ素子を隔てて前記導入口とは異なる位置に配置されており、
前記ケーシングは、前記導入口と前記収容空間とを繋ぐガス流路であって、前記導入口の前記一端と向かい合い、前記導入口から導入されたガスの進行経路を前記収容空間に向けて変換させる内壁を含むガス流路を有する
ことを特徴とするガスセンサ。
A wiring board having a plate shape and having an opening penetrating in the thickness direction;
A detection element for detecting a specific gas is a sensor element provided on the base substrate, the sensor element is suspended in the opening by a plurality of current-carrying members, and is electrically connected to the wiring board,
A casing that forms a housing space for housing the wiring board, and an inlet for introducing a gas to be measured into the housing space on a casing side wall that surrounds an outer peripheral edge of the wiring board, and the measurement target from the housing space A gas sensor having a discharge port for discharging gas, and a casing in which one end of the introduction port and the discharge port communicates with the accommodation space,
In a state where the wiring board is installed in the casing so that the thickness direction of the wiring board is along the vertical direction, the one end of the introduction port is located on the outer side in the horizontal direction with respect to the sensor element, and the wiring While being arranged higher or lower than the substrate, the one end of the discharge port is located outside the sensor element in the horizontal direction, and is arranged at a position different from the introduction port across the sensor element. And
The casing is a gas flow path connecting the introduction port and the accommodation space, facing the one end of the introduction port, and converting a traveling path of the gas introduced from the introduction port toward the accommodation space. A gas sensor comprising a gas flow path including an inner wall.
請求項1に記載のガスセンサであって、
前記配線基板の板厚方向が鉛直方向と沿うように前記配線基板を前記ケーシング内に設置した状態において、前記排出口の前記一端は、前記鉛直方向に前記配線基板よりも前記導入口の前記一端と同じ側に配置されているガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
In the state where the wiring board is installed in the casing so that the thickness direction of the wiring board is along the vertical direction, the one end of the discharge port is more than the one end of the introduction port in the vertical direction than the wiring board. Gas sensor located on the same side.
請求項1又は請求項2に記載のガスセンサであって、
前記導入口の他端側、及び、前記排出口の他端側は、それぞれ、前記ケーシング側壁から外側に向かって突出する筒状部の内部空間によって構成されており、前記筒状部には、被測定ガスを流通させる流通管が接続されてなるガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1 or 2,
The other end side of the introduction port and the other end side of the discharge port are each configured by an internal space of a cylindrical portion protruding outward from the casing side wall. A gas sensor to which a flow pipe for flowing a gas to be measured is connected.
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