JP2021156692A - ガス濃度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を向上できるガス濃度センサを提供する。【解決手段】センサ部１１は、センサ基板１００と、センサ基板１００の一面１００ａと接合されるキャップ基板２００とを有する構成とする。センサ基板１００は、一面１００ａ側にダイヤフラム部１０５が構成され、一面１００ａ側において、ダイヤフラム部１０５に発熱抵抗体ＲＨおよび検出抵抗体ＲＡ、ＲＢが形成され、ダイヤフラム部１０５と異なる部分に基準抵抗体ＲＳ、ＲＴが形成され、さらに、発熱抵抗体ＲＨと接続される第１接続配線層ＨＡ、および検出抵抗体ＲＡ、ＲＢおよび基準抵抗体ＲＳ、ＲＴと接続されてブリッジ回路を構成する第２接続配線層ＨＢが形成された構成とする。そして、キャップ基板２００は、発熱抵抗体ＲＨ、検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１接続配線層ＨＡおよび第２接続配線層ＨＢを封止するように、センサ基板１００に接合されるようにする。【選択図】図３

Description

本発明は、ガス濃度センサに関するものである。

従来より、ガス配管内を流れる混合ガスに含まれる１種類のガス濃度を検出するガス濃度センサが提案されている。例えば、特許文献１には、混合ガスに含まれるガスの熱伝導率差を利用して混合ガスに含まれる１種類のガス濃度を検出するガス濃度センサが提案されている。

特開２０１７−９０３１７号公報

ところで、本発明者らは、熱伝導率差を利用してガス濃度を検出するガス濃度センサにおいて、感度の向上を図るため、熱源を有するセンサ部を用いた構造を検討している。そして、このようなガス濃度センサは、応答性の向上を図るため、ガス配管内に熱源を含むセンサ部が位置するように配置されることが好ましい。

しかしながら、ガス配管内にセンサ部を配置する場合、熱源が故障等すると火花等が発生する可能性がある。このため、このようなセンサ部を用いてガス濃度センサを構成する場合には、安全性の向上を図ることが望まれる。

本発明は上記点に鑑み、安全性を向上できるガス濃度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１では、ガス配管内を流れる、熱伝導率の異なる少なくとも２種類のガスが混合された混合ガスのうちの特定ガスのガス濃度を検出するガス濃度センサであって、特定ガスのガス濃度に応じた検出信号を出力し、ガス配管内に配置されるセンサ部（１１）を備え、センサ部は、一面（１００ａ）および一面と反対側の他面（１００ｂ）を有するセンサ基板（１００）と、センサ基板の一面と接合されるキャップ基板（２００）と、を有し、センサ基板は、他面側に混合ガスが導入される凹部（１０４）が形成されると共に、凹部の底面にてダイヤフラム部（１０５）が構成されており、一面側において、ダイヤフラム部に通電されることで発熱する発熱抵抗体（ＲＨ）および温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体（Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ）を有する検出抵抗体（ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ）が形成され、ダイヤフラム部と異なる部分に基準抵抗体（ＲＳ、ＲＴ、ＲＵ）が形成され、さらに、発熱抵抗体と接続される第１接続配線層（ＨＡ）、および検出抵抗体および基準抵抗体と接続され、特定ガスのガス濃度に応じた検出信号を出力するブリッジ回路を構成する第２接続配線層（ＨＢ）が形成され、キャップ基板は、発熱抵抗体、検出抵抗体、基準抵抗体、第１接続配線層および第２接続配線層を封止するように、センサ基板に接合されている。

これによれば、センサ基板には、一面側に熱源である発熱抵抗体が形成されている。そして、センサ基板の一面には、キャップ基板が接合され、発熱抵抗体は、センサ部内に封止された状態となっている。このため、発熱抵抗体に不具合等が発生して火花等が発生したとしても、当該火花がセンサ部外に漏れることが抑制される。したがって、安全性を向上することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態におけるガス濃度センサの断面図である。 モールド部材の平面図である。 図２中のIII−III線に沿った断面図である。 センサ基板の一面側の平面模式図である。 発熱抵抗体、第１検出抵抗体、第２検出抵抗体、第１基準抵抗体、および第２基準抵抗体の接続関係を示す回路図である。 凹部内に導入された混合ガスに流速がないとした場合におけるダイヤフラム部の温度分布を示す図である。 凹部内に導入された混合ガスに流速があるとした場合におけるダイヤフラム部の温度分布を示す図である。 第２実施形態におけるセンサ基板の一面側の平面模式図である。 発熱抵抗体、第１検出抵抗体、第２検出抵抗体、第３検出抵抗体、第１基準抵抗体、第２基準抵抗体、および第３基準抵抗体の接続関係を示す回路図である。 水素ガス、湿度ガス、窒素ガスの比熱を説明するための図である。 水素ガス、湿度ガス、窒素ガスの熱伝導率を説明するための図である。 発熱抵抗体からの距離と、温度差との関係に関するシミュレーション結果を示す図である。 図１１中の窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスに関する温度差と、窒素ガスと湿度ガスとを含む混合ガスに関する温度差とを同一スケールに変換した図である。 発熱抵抗体近傍の状態を示す回路模式図である。 発熱抵抗体からの距離と温度との関係を説明するための図である。 混合ガスの種類と、第１差電圧および第２差電圧との関係に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態のガス濃度センサは、混合ガスが流れるガス配管内の水素ガス濃度を検出するのに用いられると好適であり、例えば、車両に搭載された燃料電池から排出される排ガス内の水素ガス濃度を検出するのに用いられると好適である。

本実施形態のガス濃度センサは、図１に示されるように、モールド部材１０、コネクタケース２０、ハウジング４０等を備えた構成とされている。

まず、モールド部材１０の構成について説明する。モールド部材１０は、図２に示されるように、センサ部１１、回路部１２、リードフレーム１３、これらを封止するモールド樹脂１４等を有している。

センサ部１１は、図３に示されるように、一面１００ａおよびこの一面１００ａと反対側の他面１００ｂを有するセンサ基板１００を備えている。本実施形態では、センサ基板１００は、支持基板１０１、絶縁膜１０２、半導体層１０３が順に積層され、一方向を長手方向（すなわち、図３中紙面左右方向）とする平面矩形状のＳＯＩ（Silicon on Insulatorの略）基板で構成されている。そして、センサ基板１００は、半導体層１０３のうちの絶縁膜１０２と反対側の一面がセンサ基板１００の一面１００ａとされ、支持基板１０１のうちの絶縁膜１０２と反対側の一面がセンサ基板１００の他面１００ｂとされている。なお、本実施形態では、半導体層１０３はＰ型のシリコン基板等で構成されている。

センサ基板１００には、当該センサ基板１００における長手方向を第１方向とすると、第１方向の一端部側（すなわち、図３中紙面右側の端部側）に、他面１００ｂから凹部１０４が形成されることでダイヤフラム部１０５が形成されている。なお、以下では、センサ基板１００における面方向であり、第１方向と直交する方向を第２方向として説明する。

凹部１０４は、本実施形態では、センサ基板１００の他面１００ｂから絶縁膜１０２に達するように形成されている。つまり、凹部１０４は支持基板１０１に形成されている。そして、ダイヤフラム部１０５は、凹部１０４の底面とセンサ基板１００の一面１００ａとの間に位置する絶縁膜１０２および半導体層１０３にて構成されている。

また、センサ基板１００には、半導体層１０３の表層部にＮ型のウェル層１０６が形成されている。つまり、センサ基板１００には、一面１００ａ側にウェル層１０６が形成されている。具体的には、ウェル層１０６は、半導体層１０３のうちのダイヤフラム部１０５となる部分を含み、センサ基板１００の一端部側から他端部側まで延設されている。

ウェル層１０６内には、図３および図４に示されるように、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴが形成されている。なお、本実施形態では、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴは、Ｐ型の拡散層で構成されている。また、図３中のセンサ基板１００は、図４中のIII−III線に沿った断面図に相当している。

発熱抵抗体ＲＨは、熱源となるものであり、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分の略中央部に形成されている。そして、発熱抵抗体ＲＨは、通電されることで発熱する。

第１検出抵抗体ＲＡは、一対の第１感温抵抗体Ｒａを有している。そして、一対の第１感温抵抗体Ｒａは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分において、第２方向に沿って発熱抵抗体ＲＨを挟むように配置されている。

第２検出抵抗体ＲＢは、一対の第２感温抵抗体Ｒｂを有している。そして、一対の第２感温抵抗体Ｒｂは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分において、第２方向に沿って、発熱抵抗体ＲＨおよび一対の第１感温抵抗体Ｒａを挟むように配置されている。

第１基準抵抗体ＲＳは、感温抵抗体で構成されており、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分と異なる部分に配置されている。本実施形態では、第１基準抵抗体ＲＳは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５となる部分より、センサ基板１００における他端部側に配置されている。

第２基準抵抗体ＲＴは、感温抵抗体で構成されており、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分と異なる部分に配置されている。本実施形態では、第２基準抵抗体ＲＴは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５となる部分より、センサ基板１００における他端部側に配置されている。

また、ウェル層１０６内には、発熱抵抗体ＲＨと接続されると共に、センサ基板１００の他端部側まで引き延ばされた第１接続配線層ＨＡが形成されている。さらに、ウェル層１０６内には、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴを適宜接続すると共に、センサ基板１００の他端部側まで引き延ばされた第２接続配線層ＨＢが形成されている。なお、第１接続配線層ＨＡおよび第２接続配線層ＨＢは、Ｐ型の拡散層で構成されている。

具体的には、第２接続配線層ＨＢは、図４および図５に示されるように、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴがブリッジ回路を構成するように形成されている。より詳しくは、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２基準抵抗体ＲＴが高電圧側となり、第１基準抵抗体ＲＳおよび第２検出抵抗体ＲＢが低電圧側となるブリッジ回路を構成するように形成されている。また、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡと第１基準抵抗体ＲＳとの第１中点電圧、および第２検出抵抗体ＲＢと第２基準抵抗体ＲＴとの第２中点電圧を出力できるように、形成されている。

なお、具体的には後述するが、センサ部１１は、回路部１２と電気的に接続される。回路部１２には、差動増幅部１２ａ、定電圧回路１２ｂ、電源回路１２ｃ、グランド１２ｄ等が形成されている。そして、第１中点電圧および第２中点電圧は、回路部１２に形成された差動増幅部１２ａに入力される。また、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２基準抵抗体ＲＴは、回路部１２に形成された定電圧回路１２ｂと接続され、第１基準抵抗体ＲＳおよび第２検出抵抗体ＲＢは、回路部１２のグランド１２ｄと接続される。発熱抵抗体ＲＨは、一端部側が回路部１２に形成された電源回路１２ｃと接続され、他端部側が回路部１２に形成されたグランド１２ｄと接続される。なお、本実施形態では、第１基準抵抗体ＲＳおよび第２検出抵抗体ＲＢと発熱抵抗体ＲＨとは、共通のグランド１２ｄに接続されている。

以上のように、Ｎ型のウェル層１０６内には、Ｐ型の発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢが形成されている。つまり、ウェル層１０６内には、ウェル層１０６とＰＮ接合を構成するように、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢが形成されている。そして、具体的には後述するが、水素ガス濃度を検出する場合、ウェル層１０６の電位は、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢ、半導体層１０３の電位よりも高くなるように維持される。つまり、水素ガス濃度を検出する場合、ウェル層１０６と、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢとで構成されるＰＮ接合、およびウェル層１０６と半導体層１０３とで構成されるＰＮ接合に、逆電圧が印加された状態とされる。これにより、センサ基板１００の他面１００ｂ側に電流が漏れ出ることが抑制され、絶縁性の向上を図ることができる。

また、上記のようなダイヤフラム部１０５は、変形した際、ピエゾ効果が大きくなり易い部分と、大きくなり難い部分とが存在している。例えば、ダイヤフラム部１０５の主表面（すなわち、センサ基板１００の一面１００ａ）が（１１０）面である場合には、直交する２つの結晶軸〈１１０〉と〈１００〉とが存在する。そして、〈１１０〉結晶軸方向は、〈１００〉結晶軸方向と比較してピエゾ効果が非常に大きくなる。このため、ダイヤフラム部１０５の主表面が（１１０）面である場合、本実施形態では、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、〈１００〉結晶軸方向に沿って形成されている。つまり、ダイヤフラム部１０５の主表面が（１１０）面である場合、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、ピエゾ効果が小さくなり易い方向に沿って形成される。これにより、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、ダイヤフラム部１０５が変形したとしても当該変形によって抵抗値が変化し難くなる。なお、本実施形態では、〈１１０〉結晶軸方向が効果大方向に相当し、〈１００〉方向が効果小方向に相当する。また、本実施形態では、〈１００〉結晶軸方向が第１方向と平行とされている。

また、ウェル層１０６には、センサ基板１００の他端部側に、ウェル層１０６よりも高不純物濃度とされたＮ^＋型のコンタクト層１０７が形成されている。このコンタクト層１０７は、ウェル層１０６を所定電位に維持するために後述する貫通電極２１３と接続される部分である。

さらに、半導体層１０３には、ウェル層１０６よりも他端部側に位置する部分に、半導体層１０３よりも高不純物濃度とされたＰ^＋型のコンタクト層１０８が形成されている。このコンタクト層１０８は、半導体層１０３のうちのウェル層１０６が形成されていない部分を所定電位に維持するために後述する貫通電極２１３と接続される部分である。

そして、図３に示されるように、センサ基板１００の一面１００ａには、キャップ基板２００が接合されている。キャップ基板２００は、シリコン等の基板２０１と、基板２０１のうちのセンサ基板１００と対向する一面側に形成された絶縁膜２０２と、基板２０１のうちの絶縁膜２０２側の一面と反対側の他面に形成された絶縁膜２０３とを有している。なお、キャップ基板２００は、絶縁膜２０２のうちの基板２０１と反対側の一面がキャップ基板２００の一面２００ａとされ、絶縁膜２０３のうちの基板２０１と反対側の一面がキャップ基板２００の他面２００ｂとされている。

そして、キャップ基板２００は、絶縁膜２０２がセンサ基板１００における半導体層１０３と接合されている。本実施形態では、キャップ基板２００とセンサ基板１００とは、表面活性化接合にて接合されている。具体的には、酸素プラズマ等によってセンサ基板１００およびキャップ基板２００の接合面を活性化させた後、センサ基板１００およびキャップ基板２００を大気に晒すことにより、大気中の水分をセンサ基板１００およびキャップ基板２００の接合面に吸着させてＯＨ基を置換させる。そして、センサ基板１００およびキャップ基板２００の接合面を貼り合わせることにより、センサ基板１００の一面１００ａにキャップ基板２００が接合されている。つまり、センサ基板１００の一面１００ａ側に形成された発熱抵抗体ＲＨ、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ、第１接続配線層ＨＡ、第２接続配線層ＨＢ等がキャップ基板２００で封止された状態となっている。そして、必要に応じて熱処理を行うことにより、センサ基板１００とキャップ基板２００との接合強度が向上される。

キャップ基板２００の一面２００ａ側には、ダイヤフラム部１０５と対向する部分に窪み部２０４が形成されている。これにより、センサ基板１００とキャップ基板２００との間に窪み部２０４によって基準室２０５が構成される。なお、本実施形態では、基準室２０５は、真空圧とされている。

また、キャップ基板２００のうちの他端部側（すなわち、図３中紙面左側）には、第１接続配線層ＨＡの端部、第２接続配線層ＨＢの端部、コンタクト層１０７、およびコンタクト層１０８とそれぞれ電気的に接続される複数の貫通電極部２１０が形成されている。

具体的には、キャップ基板２００のうちの他端部側には、当該キャップ基板２００をセンサ基板１００とキャップ基板２００との積層方向に貫通する円筒状の貫通孔２１１が形成されている。本実施形態では、貫通孔２１１は、第１接続配線層ＨＡの端部、第２接続配線層ＨＢの端部、コンタクト層１０７、およびコンタクト層１０８をそれぞれ露出させるように形成されている。なお、図３では、第１接続配線層ＨＡの端部、コンタクト層１０７、およびコンタクト層１０８を露出させる貫通孔２１１のみが図示されている。

そして、各貫通孔２１１の壁面には、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicateの略）等で構成される絶縁膜２１２が配置されている。絶縁膜２１２上には、各貫通孔２１１から露出する部分と電気的に接続される貫通電極２１３が形成されている。

キャップ基板２００の他面２００ｂ上には、各貫通電極２１３と電気的に接続されるパッド部２１４が形成されている。また、キャップ基板２００の他面２００ｂには、後述するモールド樹脂１４で封止される部分に保護膜２２０が形成されている。保護膜２２０には、各パッド部２１４の所定箇所を露出させるようにコンタクトホール２２０ａが形成されている。なお、本実施形態では、各貫通電極部２１０は、絶縁膜２１２、貫通電極２１３、パッド部２１４を含んで構成されている。

そして、各パッド部２１４は、回路部１２とボンディングワイヤ２３０を介して電気的に接続される。これにより、図５に示されるように、発熱抵抗体ＲＨ、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴが回路部１２と接続される。

なお、図５のようなブリッジ回路となるようにする場合、例えば、第１検出抵抗体ＲＡと第２基準抵抗体ＲＴとが接続される。この場合、例えば、センサ部１１側において、キャップ基板２００の他面２００ｂ上に形成されるパターンを適宜接続することにより、第１検出抵抗体ＲＡと第２基準抵抗体ＲＴとが接続されるようにしてもよい。また、例えば、回路部１２側において、第１検出抵抗体ＲＡと第２基準抵抗体ＲＴとが接続されるようにしてもよい。

以上が本実施形態におけるセンサ部１１の構成である。なお、本実施形態では、Ｎ型が第１導電型に相当し、Ｐ型が第２導電型に相当する。このようなセンサ部１１は、後述するように、ガス配管内に配置され、水素ガス濃度に応じた検出信号を出力する。なお、水素ガス濃度の検出方法については、具体的に後述する。

回路部１２は、上記のように、差動増幅部１２ａ、定電圧回路１２ｂ、電源回路１２ｃ、グランド１２ｄ等が形成されている。

リードフレーム１３は、図２に示されるように、センサ部１１および回路部１２を搭載するアイランド部１３ａと、外部との電気的接続を行う端子部１３ｂとを備えている。リードフレーム１３は、一般的な銅（Ｃｕ）や４２アロイ等の導電性に優れた金属にて構成され、エッチング加工やプレス加工等によって所定形状に加工されている。本実施形態では、アイランド部１３ａは平面矩形状とされ、端子部１３ｂは、アイランド部１３ａの周囲に配置されている。

なお、センサ部１１は、上記のように、長手方向を有するセンサ基板１００およびキャップ基板２００を用いて構成されている。そして、センサ部１１は、図３に示されるように、ダイヤフラム部１０５が形成されている部分がアイランド部１３ａから突出しつつ、センサ基板１００の他面１００ｂがアイランド部１３ａと対向するように、当該アイランド部１３ａに接合部材２４０を介して備えられている。

そして、センサ部１１と回路部１２とは、図２に示されるように、ボンディングワイヤ２３０を介して電気的に接続されている。また、回路部１２と端子部１３ｂの一端部とは、ボンディングワイヤ２３１を介して電気的に接続されている。

モールド樹脂１４は、一般的なエポキシ樹脂等で構成され、金型を用いたトランスファーモールド法等によって形成されている。具体的には、モールド樹脂１４は、センサ部１１のうちの他端部側、回路部１２、リードフレーム１３、貫通電極部２１０、ボンディングワイヤ２３０、２３１等が封止されるように形成されている。なお、モールド樹脂１４は、センサ部１１のうちのダイヤフラム部１０５を含むその周囲の部分が露出するように形成されている。但し、本実施形態では、モールド樹脂１４は、図２に示されるように、センサ部１１における側面を封止するように形成されている。

以上が本実施形態におけるモールド部材１０の構成である。

コネクタケース２０は、図１に示されるように、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂を型成形することにより作られている。コネクタケース２０は、円柱状のボディ部２１と、ボディ部２１から延設されると共にボディ部２１との連結部分においてボディ部２１よりも径が小さくされた円柱状のコネクタ部２２とを有している。

コネクタ部２２には、ボディ部２１との連結側の部分の外周側面に凹部２３が形成されていると共に、ボディ部２１側と反対側の端部に開口部２４が形成されている。そして、ボディ部２１には、コネクタ部２２側と反対側の端部から当該凹部２３内の空間と連通する貫通孔２５が形成されている。

また、コネクタケース２０には、センサ部１１と外部回路等とを電気的に接続するための金属棒状のターミナル２６が複数本備えられている。これら各ターミナル２６は、インサート成形によりコネクタケース２０と一体に成形されることによってコネクタケース２０内に保持されている。

具体的には、各ターミナル２６は、一端部がコネクタケース２０における凹部２３内にて露出し、他端部がコネクタケース２０における開口部２４内に突出するように、コネクタケース２０に保持されている。なお、開口部２４内に突出しているターミナル２６の他端部は、図示しないワイヤハーネス等の外部配線部材を介して外部回路等と電気的に接続される。以上がコネクタケース２０の構成である。

そして、コネクタケース２０には、貫通孔２５にモールド部材１０が圧入されている。具体的には、モールド部材１０は、端子部１３ｂのうちのモールド樹脂１４から露出する他端部が凹部２３内にて露出すると共に、センサ部１１がコネクタケース２０から突出するように、コネクタケース２０に形成された貫通孔２５に圧入されている。

凹部２３内では、ターミナル２６の一端部と端子部１３ｂの他端部とが溶接等によって電気的に接続されている。これにより、センサ部１１が回路部１２、端子部１３ｂを介してターミナル２６と電気的に接続され、センサ部１１と外部回路との接続が図られる。また、凹部２３には、ターミナル２６の一端部と端子部１３ｂの他端部との接合箇所を保護するポッティング材２７が配置されている。

さらに、コネクタケース２０には、ボディ部２１におけるコネクタ部２２側と反対側の端部に貫通孔２５を囲むように環状の溝部２８が形成されており、この溝部２８にＯリング２９が配置されている。

また、モールド部材１０とコネクタケース２０との間には、モールド部材１０とコネクタケース２０との間の隙間を封止するように、ポッティング材３０が配置されている。

ハウジング４０は、例えば、ステンレス、ＳＵＳ、アルミニウム等の金属材料が切削や冷間鍛造等されて構成され、収容凹部４１と、当該収容凹部４１と連通する導入孔４２が形成された延設部４３とを有している。

そして、ハウジング４０には、導入孔４２内にセンサ部１１が位置するように、収容凹部４１内にコネクタケース２０のボディ部２１が挿入されている。ハウジング４０は、収容凹部４１の開口端部４１ａがボディ部２１にかしめられることにより、コネクタケース２０に組付けられて一体化されている。

なお、コネクタケース２０における溝部２８に配置されたＯリング２９は、コネクタケース２０とハウジング４０とのかしめによるかしめ圧で押し潰される。これにより、導入孔４２内に導入される混合ガスがコネクタケース２０とハウジング４０との間の隙間から漏れることが防止される。

延設部４３は、本実施形態では、突出方向の先端部（すなわち、コネクタケース２０側と反対側の先端部）に底部を有する有底円筒状とされている。そして、延設部４３には、外周側面にハウジング４０をガス配管に固定するためのネジ部４４が形成されていると共に、ネジ部４４よりもコネクタケース２０側と反対側に複数の開口部４５が形成されている。これにより、開口部４５から導入孔４２に混合ガスが導入され、導入孔４２からセンサ部１１の凹部１０４内に混合ガスが導入される。

なお、本実施形態では、延設部４３に形成される複数の開口部４５は、隣合う開口部４５の間隔が等しくなるように形成されている。但し、複数の開口部４５は、隣合う開口部４５の間隔が異なるように形成されていてもよい。また、開口部４５は、１つのみであってもよい。

以上が本実施形態におけるガス濃度センサの構成である。次に、上記ガス濃度センサを用いて混合ガス中の水素ガス濃度を検出する方法および効果について説明する。なお、本実施形態では、混合ガスが窒素ガスおよび水素ガスを含む構成とされている場合について説明する。

まず、上記ガス濃度センサは、ハウジング４０に形成されたネジ部４４がガス配管に固定され、延設部４３がガス配管内に突出するように配置される。つまり、ガス濃度センサは、センサ部１１がガス配管内に位置するように配置される。これにより、混合ガスは、開口部４５を通じて導入孔４２に導入された後、センサ部１１の凹部１０４内に導入される。なお、水素ガス濃度を検出する場合には、ウェル層１０６と、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢとで構成されるＰＮ接合に、逆電圧が印加された状態とする。また、ウェル層１０６と半導体層１０３とで構成されるＰＮ接合に、逆電圧が印加された状態とする。つまり、各ＰＮ接合が逆接続された状態とする。

そして、水素ガスと窒素ガスとの熱伝導率が異なるため、ダイヤフラム部１０５の温度は、水素ガス濃度に応じて変化する。このため、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢの温度は、温度が水素ガス濃度に応じて変化する。つまり、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢの抵抗値は、水素ガス濃度に応じて変化する。そして、センサ部１１は、ブリッジ回路から第１、第２中点電圧を出力する。これにより、回路部１２では、第１、第２中点電圧を差動増幅等して水素ガス濃度を検出する。

ここで、本実施形態では、ダイヤフラム部１０５に第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢが形成され、ダイヤフラム部１０５と異なる部分に第１基準抵抗体ＲＳおよび第２基準抵抗体ＲＴが形成されている。そして、これら第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴがブリッジ回路を構成するように接続されている。この場合、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴは、周囲の環境温度に応じて抵抗値が変化する。また、第１検出抵抗体ＲＡ、および第２基準抵抗体ＲＴは、周囲の環境温度に加え、水素ガス濃度（すなわち、凹部１０４内の温度）に応じて抵抗値が変化する。したがって、本実施形態のガス濃度センサは、周囲の環境温度の影響を低減でき、検出精度が低下することを抑制できる。

また、第１検出抵抗体ＲＡを構成する一対の第１感温抵抗体Ｒａは、発熱抵抗体ＲＨを挟んで配置されている。第２検出抵抗体ＲＢを構成する一対の第２感温抵抗体Ｒｂは、発熱抵抗体ＲＨを挟んで配置されている。このため、混合ガスによる流れの影響を低減できる。

図６Ａは、凹部１０４内の混合ガスに流れがないとした場合の温度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。図６Ｂは、凹部１０４内の混合ガスに流れがあるとした場合の温度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、発熱抵抗体ＲＨの中心を基準（すなわち、図６Ａおよび図６Ｂ中の長さが０）としている。また、図６Ｂは、流量を３００ｇ／ｓとした場合のシミュレーション結果を示す図である。

図６Ａに示されるように、凹部１０４内の混合ガスに流れがないとした場合、温度分布は、発熱抵抗体ＲＨを中心として対称になる。一方、図６Ｂに示されるように、凹部１０４内の混合ガスに流速があるとした場合、温度分布は、発熱抵抗体ＲＨを挟んで対称とならず、流れ方向の下流側が上流側よりも高くなる。

このため、本実施形態では、第１検出抵抗体ＲＡを構成する一対の第１感温抵抗体Ｒａを発熱抵抗体ＲＨを挟んで配置している。また、第２検出抵抗体ＲＢを構成する一対の第２感温抵抗体Ｒｂを発熱抵抗体ＲＨを挟むように配置している。このため、例えば、凹部１０４内に導入された混合ガスに第２方向の流速があるとした場合、第１検出抵抗体ＲＡでは、発熱抵抗体ＲＨに対して流れ方向の上流側に位置する第１感温抵抗体Ｒａと下流側に位置する第１感温抵抗体Ｒａとで温度の影響を低減でき、第１検出抵抗体ＲＡの平均温度がばらつくことを抑制できる。同様に、第２検出抵抗体ＲＢでは、発熱抵抗体ＲＨに対して流れ方向の上流側に位置する第２感温抵抗体Ｒｂと下流側に位置する第２感温抵抗体Ｒｂとで温度の影響を低減でき、第２検出抵抗体ＲＢの平均温度がばらつくことを抑制できる。したがって、本実施形態のガス濃度センサでは、凹部１０４内の混合ガスの流れの影響を低減しつつ、水素ガス濃度を検出できる。なお、凹部１０４内に導入された混合ガスに第１方向の流速がある場合、流速の影響は、各第１感温抵抗体Ｒａおよび各第２感温抵抗体Ｒｂが第１方向に沿って形成されているため、各第１感温抵抗体Ｒａおよび各第２感温抵抗体Ｒｂの内部で相殺される。

また、本実施形態では、上記のように、第１検出抵抗体ＲＡを構成する一対の第１感温抵抗体Ｒａおよび第２検出抵抗体ＲＢを構成する一対の第２感温抵抗体Ｒｂは、ダイヤフラム部１０５のうちのピエゾ効果が低くなる方向に沿って形成されている。このため、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、凹部１０４に混合ガスが導入されてダイヤフラム部１０５が変形したとしても、ダイヤフラム部１０５の変形に応じて抵抗値が変化し難くなっている。したがって、本実施形態のガス濃度センサでは、圧力の影響を低減しつつ、水素ガス濃度を検出できる。

以上説明したように、本実施形態では、センサ基板１００には、一面１００ａ側に熱源である発熱抵抗体ＲＨ、および第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ等が形成されている。そして、センサ基板１００の一面１００ａには、キャップ基板２００が接合されている。このため、発熱抵抗体ＲＨ等は、センサ部１１内に封止された状態となっている。したがって、発熱抵抗体ＲＨに不具合等が発生して火花等が発生したとしても、当該火花がセンサ部１１外に漏れることが抑制され、安全性の向上を図ることができる。

なお、燃料電池を搭載する車両等においては、現状、排ガスに含まれる水素ガス濃度を４％以下にすることが望まれている。より詳しくは、水素ガス濃度のスパイクが発生したとしても、水素ガス濃度は、３秒平均で４％以下にすることが望まれている。そして、本発明者らは、このような条件において、排ガスに含まれる水素ガス濃度が４％以下であれば、十分に安全性が確保されていることを確認している。

また、本実施形態では、キャップ基板２００には、発熱抵抗体ＲＨ等と接続される複数の貫通電極部２１０が形成されている。そして、各貫通電極部２１０は、モールド樹脂１４で封止されている。このため、さらに安全性の向上を図ることができる。

さらに、センサ基板１００は、半導体層１０３がＰ型とされ、一面１００ａ側にＮ型のウェル層１０６が形成されている。第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ、第１接続配線層ＨＡ、第２接続配線層ＨＢは、Ｐ型とされ、ウェル層１０６内に形成されている。そして、ガス濃度を検出する場合には、ウェル層１０６と、発熱抵抗体ＲＨ、第１、第２検出抵抗体ＲＡ、ＲＢ、第１、第２基準抵抗体ＲＳ、ＲＴ、第１、第２接続配線層ＨＡ、ＨＢとで構成されるＰＮ接合に、逆電圧が印加された状態とされる。また、ウェル層１０６と半導体層１０３とで構成されるＰＮ接合に、逆電圧が印加された状態とされる。これにより、センサ基板１００の他面１００ｂ側に電流が漏れ出ることが抑制され、絶縁性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、ダイヤフラム部１０５に第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢが形成され、ダイヤフラム部１０５と異なる部分に第１基準抵抗体ＲＳおよび第２基準抵抗体ＲＴが形成されている。そして、これら第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、および第２基準抵抗体ＲＴがブリッジ回路を構成している。このため、周囲の環境温度の影響を低減でき、検出精度が低下することを抑制できる。

そして、第１検出抵抗体ＲＡを構成する一対の第１感温抵抗体Ｒａは、発熱抵抗体ＲＨを挟んで配置されている。第２検出抵抗体ＲＢを構成する一対の第２感温抵抗体Ｒｂは、発熱抵抗体ＲＨを挟んで配置されている。このため、混合ガスによる流れの影響を低減できる。

また、第１検出抵抗体ＲＡを構成する一対の第１感温抵抗体Ｒａおよび第２検出抵抗体ＲＢを構成する一対の第２感温抵抗体Ｒｂは、ダイヤフラム部１０５のうちのピエゾ効果が低くなる方向に沿って形成されている。このため、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、凹部１０４に混合ガスが導入されてダイヤフラム部１０５が変形したとしても、ダイヤフラム部１０５の変形に応じて抵抗値が変化し難くなる。したがって、圧力の影響を低減できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、水素ガス濃度および湿度ガス濃度を検出するようにしたものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

まず、本実施形態のセンサ部１１の構成について、図７を参照しつつ説明する。本実施形態のセンサ部１１は、図７に示されるように、上記第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴに加え、第３検出抵抗体ＲＣおよび第３基準抵抗体ＲＵを備えている。

第３検出抵抗体ＲＣは、一対の第３感温抵抗体Ｒｃを有している。そして、一対の第３感温抵抗体Ｒｃは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分において、第２方向に沿って発熱抵抗体ＲＨ、一対の第１感温抵抗体Ｒａ、一対の第２感温抵抗体Ｒｂを挟むように配置されている。つまり、本実施形態では、発熱抵抗体ＲＨに対し、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第３検出抵抗体ＲＣの順に発熱抵抗体ＲＨからの距離が長くなるように、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第３検出抵抗体ＲＣが配置されている。なお、第３検出抵抗体ＲＣは、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢと同様に、ピエゾ効果が小さくなり易い方向に沿って形成されている。

第３基準抵抗体ＲＵは、ウェル層１０６のうちのダイヤフラム部１０５に位置する部分と異なる部分に配置されている。

そして、本実施形態では、図８に示されるように、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第３検出抵抗体ＲＣ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ、および第３基準抵抗体ＲＵは、２つのブリッジ回路を構成するように、第２接続配線層ＨＢによって接続されている。

具体的には、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡおよび第３基準抵抗体ＲＵが高電圧側となり、第１基準抵抗体ＲＳおよび第３検出抵抗体ＲＣが低電圧側となるブリッジ回路を構成するように形成されている。また、第２接続配線層ＨＢは、第２検出抵抗体ＲＢおよび第３基準抵抗体ＲＵが高電圧側となり、第２基準抵抗体ＲＴおよび第３検出抵抗体ＲＣが低電圧側となるブリッジ回路を構成するように形成されている。つまり、本実施形態では、第３検出抵抗体ＲＣおよび第３基準抵抗体ＲＵが直列接続された部分を共通とした２つのブリッジ回路が構成されているといえる。

言い換えると、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡと第１基準抵抗体ＲＳとが直列に接続され、第２検出抵抗体ＲＢと第２基準抵抗体ＲＴとが直列に接続され、第３検出抵抗体ＲＣと第３基準抵抗体ＲＵとが直列に接続されるように形成されている。そして、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第３基準抵抗体ＲＵが高電圧側となり、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ、第３検出抵抗体ＲＣが低電圧側となるように、形成されている。なお、本実施形態は、上記第１実施形態と同様に、高電圧側が定電圧回路１２ｂと接続され、定電圧側がグランド１２ｄと接続される。

また、第２接続配線層ＨＢは、第１検出抵抗体ＲＡと第１基準抵抗体ＲＳとの第１中点電圧、第２検出抵抗体ＲＢと第２基準抵抗体ＲＴとの第２中点電圧、第３検出抵抗体ＲＣと第３基準抵抗体ＲＵとの第３中点電圧を出力できるように形成されている。

なお、特に図示しないが、センサ部１１には、第３検出抵抗体ＲＣや第３基準抵抗体ＲＵと接続される第２接続配線層ＨＢの端部と電気的に接続される貫通電極２１３やパッド部２１４等も形成されている。

本実施形態の回路部１２には、第１作動増幅部１２ｅおよび第２作動増幅部１２ｆが形成されている。そして、センサ部１１と回路部１２とは、第１中点電圧と第３中点電圧が第１作動増幅部１２ｅに入力され、第２中点電圧と第３中点電圧とが第２作動増幅部１２ｆに入力されるように、ボンディングワイヤ２３０を介して接続されている。つまり、回路部１２は、第１中点電圧と第３中点電圧とを差動増幅し、第２中点電圧と第３中点電圧とを差動増幅する。なお、本実施形態では、第１中点電圧が第１検出信号に相当し、第２中点電圧が第２検出信号に相当し、第３中点電圧が第３検出信号に相当する。

また、本実施形態の回路部１２には、ＣＰＵ等で構成される制御部１２ｇと、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等の非遷移的実体的記憶媒体で構成される記憶部１２ｈ等が形成されている。ＣＰＵは、Central Processing Unitの略であり、ＲＯＭは、Read Only Memoryの略であり、ＲＡＭは、Random Access Memoryの略であり、ＨＤＤはHard Disk Driveの略である。

そして、制御部１２ｇは、第１作動増幅部１２ｅおよび第２作動増幅部１２ｆと接続されていると共に、記憶部１２ｈと接続されており、記憶部１２ｈに記憶されている参照データを用いて所定の処理を行う。なお、制御部１２ｇが実行する処理、および記憶部１２ｈに記憶される参照データについては、具体的に後述する。

以上が本実施形態におけるガス濃度センサの構成である。次に、窒素ガス、水素ガス、湿度ガスを含み得る混合ガスにおいて、水素ガス濃度および湿度ガス濃度を検出する方法について説明する。つまり、以下では、３種類のガスが含まれる混合ガスにおいて、２種類のガス濃度を検出する方法について説明する。なお、本実施形態では、窒素ガスが基準ガスに相当し、水素ガスおよび湿度ガスが第１特定ガスおよび第２特定ガスに相当する。

まず、窒素ガス、水素ガス、湿度ガスの物性値について説明する。図９に示されるように、比熱は、水素ガスが窒素ガスおよび湿度ガスよりも著しく高いことが確認される。また、湿度ガスは、窒素ガスよりも約１．９倍程度高いことが確認される。

熱伝導率は、図１０に示されるように、水素ガスが窒素ガスおよび湿度ガスよりも著しく高いことが確認される。また、湿度ガスは、窒素ガスと約０．２％異なることが確認される。つまり、混合ガスは、比熱および熱伝導率が互いに異なる３種類のガスで構成されている。

次に、混合ガスが窒素ガスおよび水素ガスの２種類のガスで構成されている場合、および混合ガスが窒素ガスおよび湿度ガスの２種類のガスで構成されている場合のダイヤフラム部１０５の温度について説明する。

この場合、凹部１０４に混合ガスが導入されると、ダイヤフラム部１０５の温度は、図１１に示されるように、含まれるガスやガス濃度に応じて変化する。なお、図１１は、凹部１０４に窒素ガスのみが導入された場合のダイヤフラム部１０５の温度を基準温度（すなわち、温度差０℃）として実線で示している。そして、凹部１０４に窒素ガスと水素ガスとの混合ガスが導入された場合のダイヤフラム部１０５の温度と基準温度との温度差を破線で示している。凹部１０４に窒素ガスと湿度ガスとの混合ガスが導入された場合のダイヤフラム部１０５の温度と基準温度との温度差を一点鎖線で示している。また、図１１中の窒素ガスと水素ガスとの混合ガスにおける水素ガスは、混合ガス中に水素ガスが４％含まれている場合のシミュレーション結果である。図１１中の窒素ガスと湿度ガスとの混合ガスにおける湿度ガスは、混合ガス中に相対湿度の飽和蒸気圧（例えば、３０％）分の湿度ガスが含まれている場合のシミュレーション結果である。

図１１に示されるように、温度差は、混合ガスに水素ガスが混入されている場合の方が、混合ガスに湿度ガスが混入されている場合より絶対値が大きくなることが確認される。つまり、ダイヤフラム部１０５の温度は、混合ガスに水素ガスが混入されている場合の方が、混合ガスに湿度ガスが混入されている場合より低くなることが確認される。

そして、混合ガスに水素ガスが含まれている場合のダイヤフラム部１０５の温度と基準温度との温度差と、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合のダイヤフラム部１０５の温度と基準温度との温度差とを同一スケールにすると、図１２に示されるようになる。

ここで、発熱抵抗体ＲＨの近傍である凹部１０４内は、図１３に示されるように、発熱抵抗体ＲＨを基準とし、混合ガスに含まれるガスの熱伝導率Ｒ１と比熱Ｃ１とが直列に接続された状態となる。また、発熱抵抗体ＲＨの近傍であるダイヤフラム部１０５は、ダイヤフラム部１０５の熱伝導率Ｒ２と比熱Ｃ２、センサ基板１００の比熱Ｃ３等とが直列に接続された状態となる。なお、ダイヤフラム部１０５（すなわち、シリコン）の熱伝導率Ｒ２等は、ガスの熱伝導率に対して非常に小さいため、影響が極小となる。

この場合、混合ガスに水素ガスが含まれている場合には、水素ガスの比熱および熱伝導率が湿度ガスの比熱および熱伝導率より大きいため、発熱抵抗体ＲＨの熱を発熱抵抗体ＲＨから遠い部分まで伝熱できることになる。このため、混合ガスに水素ガスが含まれている場合には、発熱抵抗体ＲＨから所定距離だけ離れた部分を基準として、ダイヤフラム部１０５の温度と基準温度との温度差が当該基準に対して対称となり易い。一方、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合には、湿度ガスの比熱および熱伝導率が水素ガスの比熱および熱伝導率より小さいため、発熱抵抗体ＲＨの熱が発熱抵抗体ＲＨの近傍で消費され易くなる。このため、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合には、混合ガスに水素ガスが含まれている場合と比較して、発熱抵抗体ＲＨから遠く離れた部分まで温度差が大きくなり易い。

したがって、図１２に示されるように、発熱抵抗体ＲＨ側の部分では、混合ガスに水素ガスが含まれている場合の方が、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合より温度差が大きくなる。つまり、発熱抵抗体ＲＨ側の部分では、混合ガスに水素ガスが含まれている場合の方が、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合より、ダイヤフラム部１０５の温度が低くなる。

そして、本実施形態では、上記のように、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第３検出抵抗体ＲＣは、この順に発熱抵抗体ＲＨからの距離が長くなるように配置されている。したがって、例えば、図１４に示されるように、第１検出抵抗体ＲＡが形成されている部分と第３検出抵抗体ＲＣが形成されている部分との第１温度差は、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合にはΔＴ１ｂとなり、混合ガスに水素ガスが含まれている場合には、ΔＴ１ｂより小さいΔＴ１ａとなる。また、第２検出抵抗体ＲＢが形成されている部分と第３検出抵抗体ＲＣが形成されている部分との第２温度差は、混合ガスに湿度ガスが含まれている場合にはΔＴ２ｂとなり、混合ガスに水素ガスが含まれている場合には、ΔＴ２ｂより大きいΔＴ２ａとなる。

そして、上記のように、本実施形態では、センサ部１１から第１中点電圧と第３中点電圧とが第１作動増幅部１２ｅに入力され、第２中点電圧と第３中点電圧とが第２作動増幅部１２ｆに入力される。これにより、第１温度差に基づく第１差電圧ΔＶ１が導出され、第２温度差に基づく第２差電圧ΔＶ２が導出される。

そして、図１５は、窒素ガスに水素ガスが混入されて混合ガスが構成されている場合と、窒素ガスに水素ガスおよび湿度ガスが混入されて混合ガスが構成されている場合との第１差電圧ΔＶ１と第２差電圧ΔＶ２との関係を示すシミュレーション結果である。なお、図１５は、混合ガスが窒素ガスと水素ガスの２種類のガスで構成されている場合を実線で示し、混合ガスが窒素ガスと水素ガスと湿度ガスの３種類のガスで構成されている場合を破線で示している。また、図１５中では、混合ガスにおける水素ガス濃度を変化させたシミュレーション結果を示している。そして、図１５中の湿度ガスは、混合ガス中に相対湿度の飽和蒸気圧分の湿度ガスが含まれた状態とされている。

図１５に示されるように、混合ガスが窒素ガスに水素ガスが混入されて構成されている場合と、混合ガスが窒素ガスに水素ガスおよび湿度ガスが混入されている場合とを比較とすると、混合ガスに含まれる水素ガスが４％以下であれば、第１差電圧ΔＶ１と第２差電圧ΔＶ２とに明確な差が発生していることが確認される。このため、本実施形態では、第１差電圧ΔＶ１および第２差電圧ΔＶ２を用い、水素ガス濃度および湿度ガス濃度を検出する。

なお、特に図示しないが、窒素ガスに湿度ガスが混入された混合ガスが混合されている場合と、混合ガスが窒素ガスに水素ガスおよび湿度ガスが混入されている場合とを比較しても、混合ガスに含まれる水素ガスが４％以下であれば、第１差電圧ΔＶ１と第２差電圧ΔＶ２とに明確な差が発生する。また、上記のように、燃料電池を搭載する車両等に搭載される場合には、排ガスに含まれる水素ガス濃度を４％以下にすることが望まれているため、４％以下で水素ガス濃度を検出できれば好適に利用される。

そして、本実施形態では、回路部１２は、上記のように記憶部１２ｈを有している。このため、本実施形態では、記憶部１２ｈに、予め調査した、混合ガスにおける、水素ガス濃度、湿度ガス濃度、第１差電圧ΔＶ１、第２差電圧ΔＶ２との関係に関する参照データを記憶しておく。そして、本実施形態の制御部１２ｇは、測定された第１差電圧ΔＶ１および第２差電圧ΔＶ２と、参照データとを比較することにより、水素ガス濃度および湿度ガス濃度を検出する。

以上説明した本実施形態によれば、混合ガス中の水素ガス濃度と湿度ガス濃度を検出することができる。このため、測定対象となる混合ガスの選択性を向上できる。また、第１差電圧ΔＶ１および第２差電圧ΔＶ２を用いるため、いずれか一方のみを用いる場合と比較して、検出精度の向上を図ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態において、ガス濃度センサは、水素ガス濃度を検出するのではなく、窒素ガス等の他のガス濃度を検出するようにしてもよい。また、上記第２実施形態において、ガス濃度センサは、水素ガス濃度および窒素ガス濃度を検出するのではなく、他のガス濃度を検出するようにしてもよい。

また、上記各実施形態において、センサ基板１００には、ウェル層１０６が形成されていなくてもよい。そして、上記各実施形態において、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢは、ダイヤフラム部１０５のピエゾ効果が大きい方向に沿って形成されていてもよい。同様に、上記第２実施形態において、第３検出抵抗体ＲＣは、ピエゾ効果が大きい方向に沿って形成されていてもよい。これらのようなガス濃度センサとしても、第１検出抵抗体ＲＡおよび第２検出抵抗体ＲＢがセンサ基板１００とキャップ基板２００との間に配置され、貫通電極２１３やパッド部２１４等がモールド樹脂１４で封止されることにより、安全性の向上を図ることができる。

さらに、上記各実施形態において、半導体層１０３、第１検出抵抗体ＲＡ、第２検出抵抗体ＲＢ、第１基準抵抗体ＲＳ、第２基準抵抗体ＲＴ、コンタクト層１０７をＮ型とし、ウェル層１０６およびコンタクト層１０８をＰ型としてもよい。そして、ガス濃度を検出する場合には、これらで構成されるＰＮ接合に逆電圧が印加された状態となるようにすればよい。

そして、上記第１実施形態において、ブリッジ回路は、回路部１２に形成された定電圧回路１２ｂではなく、回路部１２に形成された定電流回路と接続するようにしてもよい。この場合、ブリッジ回路は、第１検出抵抗体ＲＡと第１基準抵抗体ＲＳとが直列に接続されたハーフブリッジ回路とされ、第１検出抵抗体ＲＡが定電流回路と接続されるようにしてもよい。また、定電圧回路１２ｂおよび定電流回路は、回路部１２ではなく、ターミナル２６を介して接続される外部回路に形成されていてもよい。同様に、第２実施形態において、ブリッジ回路は、定電流回路と接続されていてもよい。

さらに、上記各実施形態において、センサ基板１００のダイヤフラム部１０５は、半導体層１０３のみで構成されていてもよい。つまり、凹部１０４は、センサ基板１００の他面１００ｂから半導体層１０３に達するように形成されていてもよい。

また、上記各実施形態において、キャップ基板２００は、基板２０１がガラス基板で構成され、絶縁膜２０２を備えていなくてもよい。この場合、キャップ基板２００の一面２００ａがガラス基板で構成されるため、センサ基板１００の一面１００ａとキャップ基板２００とは、陽極接合等で接合されていてもよい。

また、上記第２実施形態において、第１差電圧ΔＶ１または第２差電圧ΔＶ２のみを用いて水素ガス濃度および窒素ガス濃度を検出するようにしてもよい。但し、上記図１４に示されるように、窒素ガスと水素ガスとで混合ガスが構成されている場合と、窒素ガスと湿度ガスとで混合ガスが構成されている場合とで同じ温度となる部分が存在する。このため、好ましくは、上記第２実施形態のように第１差電圧ΔＶ１および第２差電圧ΔＶ２を用いて水素ガス濃度および窒素ガス濃度を検出するのがよい。

さらに、上記第２実施形態において、制御部１２ｇおよび記憶部１２ｈは、回路部１２に備えられておらず、外部回路等に備えられていてもよい。例えば、ガス濃度センサが車両に搭載される場合、制御部１２ｇおよび記憶部１２ｈは、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unitの略）等に備えられていてもよい。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１１ センサ部
１４ モールド樹脂
１００ センサ基板
１００ａ 一面
１００ｂ 他面
１０４ 凹部
１０５ ダイヤフラム部
２００ キャップ基板

Claims (8)

1. ガス配管内を流れる、熱伝導率の異なる少なくとも２種類のガスが混合された混合ガスのうちの特定ガスのガス濃度を検出するガス濃度センサであって、
   前記特定ガスのガス濃度に応じた検出信号を出力し、前記ガス配管内に配置されるセンサ部（１１）を備え、
   前記センサ部は、一面（１００ａ）および前記一面と反対側の他面（１００ｂ）を有するセンサ基板（１００）と、前記センサ基板の一面と接合されるキャップ基板（２００）と、を有し、
   前記センサ基板は、前記他面側に前記混合ガスが導入される凹部（１０４）が形成されると共に、前記凹部の底面にてダイヤフラム部（１０５）が構成されており、前記一面側において、前記ダイヤフラム部に通電されることで発熱する発熱抵抗体（ＲＨ）および温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体（Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ）を有する検出抵抗体（ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ）が形成され、前記ダイヤフラム部と異なる部分に基準抵抗体（ＲＳ、ＲＴ、ＲＵ）が形成され、さらに、前記発熱抵抗体と接続される第１接続配線層（ＨＡ）、および前記検出抵抗体および前記基準抵抗体と接続され、前記特定ガスのガス濃度に応じた検出信号を出力するブリッジ回路を構成する第２接続配線層（ＨＢ）が形成され、
   前記キャップ基板は、前記発熱抵抗体、前記検出抵抗体、前記基準抵抗体、前記第１接続配線層および前記第２接続配線層を封止するように、前記センサ基板に接合されているガス濃度センサ。
2. 前記キャップ基板は、前記センサ基板と前記キャップ基板との積層方向に貫通して前記第１接続配線層および前記第２接続配線層とそれぞれ接続される貫通電極（２１３）を有する複数の貫通電極部（２１０）を有し、
   前記複数の貫通電極部は、モールド樹脂（１４）で封止されている請求項１に記載のガス濃度センサ。
3. 前記センサ基板には、一面側に第１導電型のウェル層（１０６）が形成され、
   前記発熱抵抗体、前記検出抵抗体、前記基準抵抗体、前記第１接続配線層、および前記第２接続配線層は、前記ウェル層内に形成されると共に第２導電型とされ、
   前記第１導電型と前記第２導電型とが逆接続となるように、前記ウェル層の電位が維持される請求項１または２に記載のガス濃度センサ。
4. 前記検出抵抗体は、前記発熱抵抗体を挟むように配置された一対の第１感温抵抗体（Ｒａ）を有する第１検出抵抗体（ＲＡ）と、前記発熱抵抗体および前記一対の第１感温抵抗体を挟むように配置された一対の第２感温抵抗体（Ｒｂ）を有する第２検出抵抗体（ＲＢ）と、を有し、
   前記ブリッジ回路は、定電圧回路と接続される請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス濃度センサ。
5. 前記検出抵抗体は、前記発熱抵抗体を挟むように配置された一対の感温抵抗体（Ｒａ）を有する検出抵抗体（ＲＡ）を有し、
   前記ブリッジ回路は、定電流回路（１２ｂ）と接続される請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス濃度センサ。
6. 前記ダイヤフラム部は、変形した際にピエゾ効果が大きい効果大方向と、前記効果大方向より、変形した際にピエゾ効果が小さい効果小方向とが存在しており、
   前記検出抵抗体は、前記ダイヤフラム部において、前記効果小方向に沿って形成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガス濃度センサ。
7. 前記混合ガスは、互いに比熱および熱伝導率の異なる、基準ガス、第１特定ガス、第２特定ガスの３種類のガスを含むものであり、
   前記混合ガスに含まれる第１特定ガス濃度と第２特定ガス濃度に応じて前記センサ部から出力される前記検出信号に関する参照データが記憶された記憶部（１２ｈ）と、
   前記センサ部から出力される前記検出信号と、前記参照データとを比較することにより、前記第１特定ガス濃度と前記第２特定ガス濃度を検出する制御部（１２ｇ）と、を有する請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガス濃度センサ。
8. 前記検出抵抗体は、前記ダイヤフラム部に形成された、第１感温抵抗体（Ｒａ）を有する第１検出抵抗体（ＲＡ）、第２感温抵抗体（Ｒｂ）を有する第２検出抵抗体（ＲＢ）、第３感温抵抗体（Ｒｃ）を有する第３検出抵抗体（ＲＣ）を有し、
   前記第１検出抵抗体、前記第２検出抵抗体、および前記第３検出抵抗体は、前記発熱抵抗体からの距離が、前記第１検出抵抗体、前記第２検出抵抗体、および前記第３検出抵抗体の順に遠くなるように配置されており、
   前記基準抵抗体は、前記第１検出抵抗体と直列に接続される第１基準抵抗体と、前記第２検出抵抗体と直列に接続される第２基準抵抗体と、前記第３検出抵抗体と直列に接続される第３基準抵抗体と、を有し、
   前記第２接続配線層は、前記第１検出抵抗体、前記第３検出抵抗体、前記第１基準抵抗体および前記第３基準抵抗体を有する前記ブリッジ回路を構成すると共に、前記第２検出抵抗体、前記第３検出抵抗体、前記第２基準抵抗体および前記第３基準抵抗体を有する前記ブリッジ回路を構成するように形成され、
   前記制御部は、前記第１検出抵抗体と前記第１基準抵抗体との間の中点電圧を第１検出信号とし、前記第３検出抵抗体と前記第３基準抵抗体との間の中点電圧を第３検出信号として前記第１検出信号と前記第３検出信号との差に基づく電圧を第１差電圧（ΔＶ１）とし、前記第２検出抵抗体と前記第２基準抵抗体との間の中点電圧を第２検出信号とし、前記第２検出信号と前記第３検出信号との差に基づく電圧を第２差電圧（ΔＶ２）とし、前記第１差電圧および前記第２差電圧と前記参照データとを比較することにより、前記第１特定ガス濃度および前記第２特定ガス濃度を検出する請求項７に記載のガス濃度センサ。

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