JP4620687B2 - ガスセンサの熱的分離のための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流中の成分の存在を検知するためのセンサに関する。さらに詳細には、本発明は熱的に分離されたガスセンサの配置に関していて、配置においてセンサは、センサから離れて面する可撓性回路の表面の真下に形成される、ガス充填隙間を有する可撓性回路に設置される。

あるガスセンサの適用において、センサの機能性を妨げることなく、センサを外部環境から隔離しておくことが望まれる。このような隔離は、熱損失を低減し又は最小にする、センサに到達する光の総量を低減し又は最小にする、及び／又は機械的な侵入の結果を低減し又は最小にする目的のためになされる。しばしば、センサは所定の温度で運転され、一般的に検知する周囲のガス流の温度よりも高い。これは、センサとして同じ基板上に配置される熱発生装置の使用によって時々達成される。この状況の場合に、センサを囲んでいるガス流への、同様にセンサと熱的な（電気的な）接触のある構成要素及び構造体への限定された量の熱損失がある。この熱損失は、センサが組込まれた全体システムからの電力損出の大きさに比例する。その結果、このような熱損失を低減し又は最小にすることが望まれる。

従来の、先行技術の熱的分離技術は、熱的分離を備える構造体を創作するような方法で、センサ自体を製作することを含んでいる（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５を参照）。このような例示の熱的分離技術は、関係するセンサの構造のタイプに対して明確にデザインされたが、アセンブリの段階で、すなわちセンサがより大きなアセンブリの一部として配置される場合に、熱損失に関する問題を克服していない。触媒作用に基づくガスセンサのようなガス感知装置の先行手段は、感知されるガス流の範囲内で、下流の処理装置及び制御回路要素に感知装置を電気的に接続する個別のワイヤを使用して、例えば装置を吊り下げるような、装置を熱的に分離するための異なる技術を使用した（例えば、特許文献６を参照）が、これらの方法は、複数の接続を用いるセンサに対しては好ましくない。

米国特許第５２１１０５３号明細書 米国特許第５４６４９６６号明細書 米国特許第５６５９１２７号明細書 米国特許第５８８３００９号明細書 米国特許第６２０２４６７号明細書 米国特許第５９０２５５６号明細書

センサを熱的に分離するために、例えば３本から６本の個別のワイヤによってセンサを吊り下げることは、複数のセンサ要素を含む配置においては問題がある。詳細には、複数要素センサの配置はセンサに関する多数のリード線を有し、用意された容積中で、多数のリード線がセンサから逃げる顕著な熱量を導く傾向にあるから、熱的分離の適切な達成を困難にする。このような吊り下げられたアセンブリを製作することは、法外に高価で過度に複雑になる。

セラミック基盤に設置される、又はリード線によって吊り下げられる複数要素のセンサを備える先行技術のガスセンサ配置は、適切な程度の熱的分離を達成できなかったから、ガスセンサ配置の所要電力量を顕著に低減することが出来ない。セラミック要素にセンサを接合することを一般的に含む、このような先行技術の配置は、時には２列のピンコネクタがセラミック基板から延伸する「デュアル・インライン・パッケージ（dual in-line package）」と呼ばれる。デュアル・インライン・パッケージのピンコネクタは整列していて、標準の回路基盤の設置孔に挿入可能である。この結果、先行技術のガスセンサ配置は、望ましくない高い熱損失を示し、このような熱損失を補償のためにより大きな電力量を必要とする。

本ガスセンサアセンブリは、センサが熱的に分離される配置を有していて、先行技術のガスセンサの前述の一つ又はそれ以上の欠点を克服する。詳細には、本熱的に分離されるガスセンサアセンブリは、下流の処理装置及び制御回路要素にセンサを電気的に接続するために、そこに組込まれる導線（銅製電路）を有する可撓性回路にセンサが設置される配置を使用することによって、電力消費量を低減する。本アセンブリは、センサから離れて面する可撓性回路表面の真下に形成されるガス充填隙間を有する。センサは、可撓性回路に設置され、ワイヤーボンディングによって可撓性回路に電気的に接続される。従って、本配置は、隣接する構成要素と構造体とからセンサの熱的分離を提供する。

ある実施形態において、第一ガス流中の成分の存在を検知するためのガスセンサアセンブリは、以下を包含する。
（ａ）一対の相向き合う表面を有する可撓性回路
（ｂ）可撓性回路の一方の表面に設置され、可撓性回路の導線に電気的に接続されるセンサ
（ｃ）センサから離れて面する可撓性回路表面を通過して第二ガス流を導くための、及びセンサから離れて面する可撓性回路表面によって少なくとも部分的に形成される導管
運転中に、センサと隣接する熱伝導構造体の構成要素との間の熱伝導率が低減され、その結果、センサの電力消費量が減少する。

本ガスセンサアセンブリの好適な実施形態において、第一と第二のガス流が、共通のガス流から得られる。

本ガスセンサアセンブリの別の好適な実施形態において、可撓性回路の相向き合う表面は平面である。

第一ガス流中の成分の存在を検知するためのガスセンサを、熱的に分離するための方法は、以下の段階を含む。
（ａ）一対の相向き合う表面を有する可撓性回路の表面に、センサを設置する段階
（ｂ）センサから離れて面する可撓性回路表面によって少なくとも部分的に形成される導管内に、センサから離れて面する可撓性回路表面を通過する第二ガス流を導く段階

本方法の好適な実施形態において、第一と第二のガス流が、共通のガス流から得られる。

ここに関連するタイプのガスセンサは、三つの熱損失のメカニズム、すなわち、（ａ）上部からの対流、（ｂ）接合ワイヤを介して可撓性回路の銅製電路への伝導、及び（ｃ）センサの接続を介して可撓性回路への伝導を示す。同様に、可撓性回路は、可撓性回路を回路基盤に又は設置しているハードウェアに可撓性回路を接続する可撓性回路の端部への伝導によって、銅製電路を介して同一の回路基盤又はハードウェアへの伝導によって、及び可撓性回路の表面からの対流によって、熱を放散することが出来る。可撓性回路は、必要とされる程度にこれらの損失量を制御する柔軟な手段を備えている。可撓性回路の長い銅製電路と高い熱抵抗とは、半導体パッケージへのセンサの通常の据付と比較して、著しく大きな熱抵抗を備える。加えて、可撓性回路と電路とを介する伝導は、領域内で電路をより長く及びより短くすることによって減少させることが可能である。周囲の大気の対流は、可撓性回路の領域を最小にすることによって、及び熱移動を最小にするために可撓性回路の周囲に静止した大気の環境を備えることによって、減少させることが可能である。

図１を見て、ガスアセンブリ１０は、熱損失を低減し又は最小にするために、構成要素の幾何学的配置によって画定されるガス充填隙間を有する。特に、ガスセンサ２２は、ガス流が向かうことが出来る容積又は隙間１４の上に吊るされた可撓性回路１５に機械的に及び電気的に取付けられる。ガス流は、感知される大気及び／又はある別のガス流のいずれか又はその両方である。隙間１４の存在は、センサ２２とその隣接する（図１の符号１２によって概ね示される）回路構成要素との間の直接熱伝導を低減し又は最小にする。ガス充填隙間１４は、ガスが固体より概ね10倍から100倍小さいオーダの熱伝導率であるから、センサ２２を熱的に分離する。可撓性回路の使用は、ガス充填隙間を形成するための様々な配置の活用を可能にする。

図１に示されたように、ガスセンサアセンブリ１０は、可撓性回路１５の表面に設置され、固定容積を有するガス充填隙間１４の上に吊られたセンサ２２を含む。図１はまた、可撓性回路１５の表面に設置され、センサ２２を囲む収納構造体３０を有するガスセンサアセンブリを示す。収納構造体３０は、示したように、壁要素３２とガス透過膜３４を含む。内部容積は、可撓性回路１５とセンサ２２とによって底部の境界をなし、壁要素３２によって側部の境界をなし、及び膜３４によって上部の境界をなす収納構造体３０内に形成される。

図２は、図１で概略的に示した配置を満たす、ある実施形態のガスセンサアセンブリの斜視図である。図２に示した通り、センサ２２は、可撓性回路１５の長手方向の範囲の中央部に設置される。可撓性回路１５の端部１５ａは、センサ２２を収納する中央部分の下側に折り曲げられ、下側に折り曲げられた端部１５ａは、中央部分１５ｃを支持し、中央部分１５ｃがアセンブリ１０の基礎をなす構成要素に接触することを防止する構造を創作する。下側に折り曲げられた端部１５ａによって提供された支持部はまた、中央部分１５ｃの下に隙間又は容積を維持することが出来き、その上にセンサ２２が設置され、従って、アセンブリ１０の基礎をなす構成要素からセンサ２２を熱的に分離する。

さらに図２に示されたように、可撓性回路１５は、端部１５ｂで終端となり、そこに、センサ２２から延伸する銅製電路（示されていない）が、ピンコネクタ１９に電気的に接続される。各々のピンコネクタは、頭部１９ａとスパイク部１９ｂとを有する。明示された実施形態において、ガスセンサ２２から延伸する銅製電路は、ピンコネクタ頭部１９ａに電気的に接続される。ピンコネクタ１９のスパイク部は、可撓性回路１５の端部１５ｂで孔を介して挿入され、その時、電気絶縁性の支持層１７に整列した孔を介して挿入される。ピンコネクタ１９のスパイク部は、センサ２２からの信号が向けられる下流の処理装置及び制御回路要素を収納する回路基盤（示されていない）の整列した設置孔に挿入可能である。

ここに関する当業者は、可撓性回路の多数のその他の配置が、そこに設置されるセンサを熱的に分離するためのガス充填隙間を備えることが出来ることを理解するだろう。

センサが設置される可撓性回路の一つ又はそれ以上の表面がガス充填隙間を画定する、本熱的に分離されたガスセンサアセンブリは、センサが個別のワイヤによって、隣接する回路の構成要素から離れて吊り下げられる先行技術の構造とは区別される。

標準の半導体パッケージに設置されるセンサの場合において、可撓性回路配置の熱抵抗は、相当に増進した熱的分離を提供する。概ね、標準のパッケージングは、センサから熱を引き出すようになっていて、熱の保持を助長するようにはなっていない。ワイヤによって吊り下げられるセンサの場合に、可撓性回路は、複数のワイヤを有するセンサに対して少なからぬ有利性を提供する。一般的に、センサを吊り下げるワイヤは、四本ばかりのワイヤを有する。可撓性回路のやり方は、多数のワイヤを見込んでいる。ワイヤの増加は、一つのセンサ上に複数のセンサと、感知ワイヤが電力供給ワイヤに無関係である四線式検知の使用とを助長する。このやり方は、より一層の正確性と安定性を備える。

本装置は、水素を感知するためにその好適な実施形態として実施されているが、ここに関係する当業者は、本装置の一つ又はそれ以上の態様が、概ね、水素及び／又は水素以外のものを含有するガス流と、液流、同伴するガス及び／又は固体を含有する液流と、同伴する液体及び／又は固体を含有するガス流とを含む、流動流体中の成分の存在及び／又は総量を感知し及び／又は検知するために、実行され又は容易に改良され得ることを理解するだろう。さらに、本装置の態様は、固体の細孔及び／又は格子構造に在る、液体成分の存在及び／又は総量を感知し及び／又は検知するために、実行され又は容易に改良され得るだろう。

本発明の特別な段階、要素、実施形態及び応用が、示され述べられた一方で、改良が当業者によって、特に前述の教示に照らしてなし得るから、本発明が示され述べられたことに限定されないことは、当然理解されるだろう。

本熱的に分離されたガスセンサの第一基本配置の断面を示す概略線図である。 図１に概略的に明示された配置を満たすガスセンサアセンブリのある実施形態の斜視図である。

Claims (18)

1. 第一ガス流中の成分の存在を検知するためのガスセンサアセンブリであって、
   前記アセンブリが、
   （ａ）対向する二表面を有する一枚の可撓性回路と、
   （ｂ）頂部と底面とを有するセンサであって、前記可撓性回路が該センサの前記底面全体の下に横たわるように該センサの前記底面が前記可撓性回路の一方の表面上に設置され、及び前記可撓性回路の導線に電気的に接続されるセンサと、
   （ｃ）ガス充填隙間であって、前記可撓性回路の前記センサとは反対側の表面によって少なくとも部分的に上側の境界を画定され、前記センサが協働する他の電気的構成要素によって少なくとも部分的に下側の境界が画定されるガス充填隙間と、
   を具備するものであって、
   それによって、前記センサと前記他の電気的構成要素との間の熱伝導率が低減され、それによって、センサの電力消費量を減少する、ガスセンサアセンブリ。
2. 前記第一ガス流と前記ガス充填隙間内のガスが、共通のガス流から得られる、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
3. 前記対向する二表面が平面である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
4. 第一ガス流中の成分の存在を検知するために、ガスセンサを熱的に分離するための方法であって、
   前記方法が、
   （ａ）対向する二表面を有する一枚の可撓性回路の一方の表面にセンサを設置する段階であって、前記センサは頂部及び底面を有し、前記可撓性回路が前記センサの前記底面全体の下に横たわるようにセンサを設置する段階と、
   （ｂ）ガス充填隙間を形成する段階であって、前記可撓性回路の前記センサとは反対側の表面によって少なくとも部分的に上側の境界を画定され、前記センサが協働する他の電気的構成要素によって少なくとも部分的に下側の境界が画定されるガス充填隙間を形成し、前記他の電気的構成要素と前記センサとの間に熱的分離が生じる、ガス充填隙間を形成する段階と、
   を含むガスセンサを熱的に分離するための方法。
5. 前記第一ガス流と前記ガス充填隙間内のガスが、共通のガス流から得られる、請求項４に記載の方法。
6. 前記可撓性回路の前記一方の表面に設置された収納構造体を更に具備する請求項１に記載のガスセンサアセンブリであって、前記収納構造体が前記センサを囲んでいる、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
7. 前記収納構造体が壁要素とガス透過膜とを具備している、請求項６に記載のガスセンサアセンブリ。
8. 前記センサによって検出される成分が水素である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
9. 前記センサが前記可撓性回路の中央部に設置されている、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
10. 前記可撓性回路の一部が、前記センサの底面とは反対側の前記可撓性回路の前記中央部分の下側に折り曲げられている、請求項９に記載のガスセンサアセンブリ。
11. 前記可撓性回路が銅製電路を含んでいる、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
12. 前記他の電気的構成要素が、前記銅製電路に電気的に接続されたピンコネクタを含む、請求項１１に記載のガスセンサアセンブリ。
13. 前記ピンコネクタの各々が頭部とスパイク部とを有する、請求項１２に記載のガスセンサアセンブリ。
14. 前記銅製電路が前記ピンコネクタの頭部に電気的に接続されている、請求項１３に記載のガスセンサアセンブリ。
15. 前記ピンコネクタのスパイク部が、前記可撓性回路の端部における孔に貫通挿入されている、請求項１３に記載のガスセンサアセンブリ。
16. 前記センサと前記他の電気的構成要素との間の熱伝導率が、鉛直方向で低減される、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
17. 熱的分離が、前記他の電気的構成要素と前記センサとの間で鉛直方向に発生する、請求項４に記載の方法。
18. 前記センサによって検出される成分が水素である、請求項４に記載の方法。

Images