JP4139149B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の種類、有無または流量を計測検知するガスセンサに関し、特に流量検出素子の取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、流体の流量や流速を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている（例：特開平４−２９５７２４号公報、特公平６−２５６８４号公報、特開平８−１４６０２６号公報等）。
【０００３】
この種のフローセンサは、温度検出手段を備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面（上面）に固着することによりセンサを構成したものが一般的であり、計測する流体の流れに対して水平になるように設置されて使用される。水平な状態に設置して使用するのは、流量検出素子の近傍に測定精度が低下する原因となる渦が発生するのを防止するためである。すなわち、渦が発生すると、温度分布が不均一になるからである。
【０００４】
台座の材料としては、熱膨張係数が小さい材料、例えばガラス、セラミックス等が用いられる。また、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタイプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い材料であることが要求されることから、金属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出素子の水平設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％の合金）が通常用いられる。
【０００５】
台座の固着面に対する流量検出素子の取付け方としては、通常素子を固着面に密接して接着剤により固着している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に応力が生じるため、素子自体が破損したり電気的特性（抵抗値）が変化する。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するための方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造が、また応力集中の防止については例えば実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造が知られている。すなわち、実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとともに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一にし、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するようしたものである。このような取付構造によれば、突部と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って流下するため、部品の表面への付着を防止することができる利点がある。
【０００７】
一方、前記実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品との固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固着面に固着しないようにしたものである。このような取付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナー部への応力集中を防止することができる利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤により固着していた。しかし、このような取付構造では、固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果として、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じるからである。特に、コバールからなる金属製の台座を用い、封着用ガラスで封着したフローセンサの場合は、台座が封着用ガラスを貫通し、その一端が測定流路の外部に突出していて外部環境の温度変化を直接受け、しかも台座の熱容量、熱伝導率がガラス、セラミックス等に比べて大きいことから、流量検出素子が台座を介して外部環境の温度変化を受け易く、また流体の温度が変化したときに流量検出素子と台座の温度が流体の温度と等しくなるのに時間がかかる。
【０００９】
また、流体が台座に当たると流れが乱れて流量検出素子の近傍に渦が発生するため、正確な測定ができなくなるという問題もあった。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、比較的簡単な構造で台座からの熱的影響を緩和または遮断するとともに渦の発生を防止することができ、精度の高い測定を可能にしたガスセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、流体の温度を検出する温度センサが設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座と、金属製のケースと、前記金属製のケースを封着した封着用ガラスとを備え、流体の種類、有無または流量を計測検知するガスセンサにおいて、前記台座は、前記流量検出素子と略同一の大きさからなる微小な角柱状に形成されて前記封着ガラスの上面に配設され、前記台座の前記流量検出素子が装着される側には、前記台座の角部にそれぞれ突設された凸部と流路用溝が形成され、前記流路用溝は、前記台座の凸部に前記流量検出素子が固着されることにより、前記台座と前記流量検出素子との間に流体が流れる流路となるものである。
第１の発明において、台座は封着用ガラスの上に設置されているだけで測定流路の外部に突出していないので、外部環境の温度変化を直接受けず、外部環境の温度変化による流量検出素子への熱的影響を軽減する。
流路用溝は、台座と流量検出素子との接触面積を少なくするとともに、流体を流量検出素子の下面に接触させる。したがって、流量検出素子は台座からの熱的影響が少なく、流体の温度が急激に変化したときでも速やかに流体の温度と等しくなる。
【００１３】
第２の発明は、上記第１の発明において、前記台座が熱膨張係数が小さい金属で形成されているものである。
第２の発明において、台座は熱膨張係数が小さい金属製であるため、流量検出素子への熱的影響を少なくする。
第３の発明は上記第１または第２の発明において、前記封着用ガラスの上面に前記台座を位置決めする位置決め用凹部を形成したものである。
第３の発明において、位置決め用凹部は台座を位置決めする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明をフローセンサに適用した一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同フローセンサの断面図、図３は流量検出素子と台座の斜視図、図４は同流量検出素子と台座の断面図である。
【００１５】
これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、ケース２と、このケース２内に封着用ガラス３によって封着された複数本のリードピン４と、封着用ガラス３の上面に台座５を介して設置された流量検出素子６と、前記各リードピン４と流量検出素子６を電気的に接続するボンディングワイヤ７等で構成されている。
【００１６】
前記ケース２は、熱膨張係数の小さい金属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形成され、基端部外周面に環状の突起９を有するフランジ１０が一体に設けられ、このフランジ１０が配管１２の内壁にシール部材１３を介して密接され、ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。ケース２の上端には、内側に略直角に折り曲げられた環状の内フランジ１４が一体に設けられている。
【００１７】
前記封着用ガラス３は、前記ケース２の内部全体にわたって封着されている。封着用ガラス３の上面中央には、前記台座５を位置決めする適宜深さの位置決め用凹部１５が形成されている。この位置決め用凹部１５は、封着用ガラス３によってリードピン４を封着し、封着用ガラス３を固化させた後研磨加工によって形成され、底面１５ａがケース２の軸線と垂直な平坦面を形成している。封着用ガラス３としては、例えば融点１０００℃のガラスが用いられる。
【００１８】
前記リードピン４は、前記ケース２と同様にコバール等によって形成され、上端部が前記封着用ガラス３を貫通してケース２の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス３を貫通し、かつ配管１２の孔１６から外部に突出し、図示しない外部コードにコネクタを介して接続される。
【００１９】
前記台座５は、熱膨張係数がガラスやセラミックスに近い金属、具体的にはコバールによって前記流量検出素子６と略同一の大きさからなる微小な角柱状に形成され、前記位置決め用凹部１５内に挿入されて位置決めされた後接着剤によって固着されている。また、台座５の上面には、流体１１の流入、通過を可能にする流路用溝１７と４つの凸部１８が設けられ、これらの凸部１８の上面１８ａが前記流量検出素子６の固着面を形成している。すなわち、流量検出素子６は、凸部１８の上面１８ａに固着されるものである。凸部１８は、すべて同一高さで台座５の各角部に突設され、固着面１８ａが台座５の軸線に対して略垂直な平坦面に形成されている。
【００２０】
前記流路用溝１７は、前記台座５の上面に形成されて各辺の中央に開放する４つの開口部１７ａを有し、隣り合う開口部１７ａ間の未加工部分が前記凸部１８を形成されている。このような流路用溝１７と凸部１８は、研削加工によって容易に形成することができる。
【００２１】
前記台座５の上面に形成される流路用溝１７としては、図３に示した４つの開口部１７ａを有する溝に限らず、図５に示すように流体１１の流れ方向と平行な直線状の溝であってもよい。すなわち、図５は台座５を四角形のチップ状に形成し、４つの辺のうち流体１１の流れ方向と直交する２つの辺の中央に開放する直線状の流路用溝１７を形成し、未加工部分を互いに平行に対向する凸部１８とし、その上に流量検出素子を設置するようにしたものである。
【００２２】
前記流量検出素子６は、前記台座５の固着面１８ａに載置され接着剤によって固着されるシリコン基板２１を有している。シリコン基板２１は、１辺の長さが２３ｍｍ、厚さが０．５ｍｍ程度の四角形のチップ状に形成され、上面中央部に多数の微小な開口部２３を有するダイアフラム２４（図３の点線で囲まれた六角形の部分）が形成されている。ダイアフラム２４の下方は、異方性エッチングによって空洞部２５が形成されている。このような空洞部２５を有するセンサチップは、特公平６−２５６８４号公報に開示されており、従来公知である。
【００２３】
前記ダイアフラム２４の上面には傍熱型の温度検出手段３０を構成する１つの発熱体（抵抗ヒータ）３１と、２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さらに、シリコン基板２１の上面外周部には、複数の電極パッド３３と配線用金属薄膜３４が薄膜成形技術により前記発熱体３１、温度センサ３２Ａ，３２Ｂの形成と同時に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基板２１の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、発熱体３１と温度センサ３２Ａ，３２Ｂが電極パッド３３に配線用金属薄膜３４を介してそれぞれ電気的に接続されている。また、各電極パッド３３は、前記リードピン４にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続されている。
【００２４】
前記２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂは、発熱体３１を挟んで流体１１の上流側と下流側にそれぞれ配列されている。発熱体３１のパターン幅は１０〜１５μｍ、温度センサ３２Ａ，３２Ｂのパターン幅は５〜１０μｍである。
【００２５】
このような流量検出素子７を備えたガスセンサ１は、配管１２内に流量検出素子６の上面が流体１１の流れ方向（矢印方向）と平行になるように取付けられる。また、取付けに際しては、流体１１の流れを乱さないようにするために流路用溝１７が流体１１の流れ方向と一致するように取付ける。図３に示した４つの開口部１７ａを有する流路用溝１７の場合は、互いに対向する２つの開口部１７ａが流体１１の流れ方向と平行になるように、配管１２内に取付けることが望ましい。
【００２６】
このような構造からなるフローセンサ１において、通電によって発熱体３１を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体１１を図３の矢印方向に流すと、発熱体３１の上流側温度センサ３２Ａと下流側温度センサ３２Ｂの間に温度差が生じるので、図６に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または抵抗値差を検出することにより、流体１１の流速または流量を計測することができる。
【００２７】
ここで、図６に示す回路は２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂを含むブリッジ回路を用いて電圧出力を供給するものである。この場合、２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂを用いているので、流体１１の流れの方向を検出することができる利点がある。すなわち、流体１１は発熱体３１によって暖められるため、発熱体３１より上流側に位置する温度センサ３２Ａと下流側に位置する温度センサ３２ｂとに温度差が生じ、これによって流体１１の流れ方向が判別される。なお、Ｒ1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。
【００２８】
上記した構造からなるフローセンサ１によれば、金属製の台座５の上面に流路用溝１７を形成しているので、台座５と流量検出素子６との接触面積を小さくすることができる。したがって、台座５の温度による影響を軽減することができる。また、台座５は封着用ガラス３の上面に設置されており、配管１２の外部に突出していないので、外部環境の温度によって台座５の温度が直接変化することがなく、流量検出素子６に対する熱的影響を軽減することができる。したがって、精度の高い流量測定を行うことができる。また、流量検出素子６は、上面のみならず下面も流体１１に接しているので、流体１１の温度が急激に変化したときでも、これに追従して速やかに流体１１の温度と等しくなり、より一層精度の高い測定を行うことができる。
【００２９】
図７は本発明を水素ガスセンサに適用した実施の形態を示す斜視図である。
同図において、水素ガスセンサ４０は基板４１の表面に設けた触媒金属膜４２と、熱電変換材料膜４３とを備え、これらの膜４２，４３をリードピン４、４にボンディングワイヤ７を介してそれぞれ接続している。触媒金属膜４２は水素ガスと触媒反応を起こす材料として白金触媒膜が用いられ、スパッタリング法によって形成されている。熱電変換材料とは、温度勾配をベーベック効果により電圧に変換する材料であり、例えばリチウムを添加した酸化ニッケルが用いられ、スクリーン印刷法によって熱電変換材料膜４３を形成している。
【００３０】
前記基板４１は台座５上に設置されており、この台座５の基板４１との接合面には外部からの熱伝達を防止するため空隙４４が形成されている。２はケース、３は封着用ガラスである。
【００３１】
このような構造からなる水素ガスセンサ４０において、水素ガスが白金触媒膜４２に接触すると、触媒反応を起こし白金触媒膜４２が発熱する。この発熱により発生する局部的な温度差を熱電変換材料膜４３により電圧信号に変換することで水素ガスを検知することができる。また、水素ガス濃度が高くなると電圧信号も高くなるため、水素の濃度センサとしても用いられる。
【００３２】
なお、図１に示した実施の形態においては、発熱体３１から出た熱による流体１１の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサ３２Ａ，３２Ｂで検出する傍熱型のセンサを示したが、これに限らず流体１１により発熱体３１の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。また、温度センサは２つに限らず、１つであってもよい。要するに、流量検出素子６としては、流量または流速を計測し得るものであれば何でもよい。
また、上記した実施の形態においては、封着用ガラス３の上面に位置決め用凹部１５を形成した例を示したが、これは必ずしも必要ではなく、上面全体を研磨加工によって平坦面に形成し、その上に流量検出素子６を接合してもよい。
さらに、台座５および流量検出素子６としては、四角形のものに限らず、円形に形成されるものであってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るガスセンサによれば、流路用溝または空隙の形成によって流量検出素子に対する台座からの熱的影響を軽減することができるので、測定精度を向上させることができる。
また、フローセンサに用いた場合は、流量検出素子は流路用溝の形成により流体との接触面積が増大するため、瞬時の流体の温度変化にも対応でき、一層精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るガスセンサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 同ガスセンサの断面図である。
【図３】 流量検出素子と台座の斜視図である。
【図４】 流量検出素子と台座の断面図である。
【図５】 流路用溝の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図６】 流量検出素子の電気回路図である。
【図７】 本発明を水素ガスセンサに適用した実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…ガスセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４…リードピン、５…台座、６…流量検出素子、７…ボンディングワイヤ、１１…流体、１５…位置決め用凹部、１７…流路用溝、１８…凸部、２１…シリコン基板、３０…温度検出手段、３１…発熱体、３２Ａ，３２Ｂ…温度センサ、４０…水素ガスセンサ。

Claims (3)

1. 流体の温度を検出する温度センサが設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座と、金属製のケースと、前記金属製のケースを封着した封着用ガラスとを備え、流体の種類、有無または流量を計測検知するガスセンサにおいて、
   前記台座は、前記流量検出素子と略同一の大きさからなる微小な角柱状に形成されて前記封着ガラスの上面に配設され、
   前記台座の前記流量検出素子が装着される側には、前記台座の角部にそれぞれ突設された凸部と流路用溝が形成され、
   前記流路用溝は、前記台座の凸部に前記流量検出素子が固着されることにより、前記台座と前記流量検出素子との間に流体が流れる流路となることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記台座が熱膨張係数が小さい金属製であることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１または２項記載のガスセンサにおいて、
   前記封着用ガラスの上面に前記台座を位置決めする位置決め用凹部を形成したことを特徴とするガスセンサ。

Images