JP5230833B2 - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、接触燃焼式ガスセンサに関する。

水素ガスやメタンガス等を検知対象とする可燃性ガスセンサには接触燃焼式ガスセンサ、半導体式ガスセンサ等が有り、いずれも可燃性ガスの検知に利用する熱源を内蔵している。
例えば、接触燃焼式ガスセンサ素子には、ヒーター部を有し、それに装備された燃焼触媒上で生成した可燃性ガスの接触燃焼熱によるヒーター部の抵抗値変化を電圧変化として出力することにより可燃性ガスの存在を検知するものである。

図１３に示すように、従来より接触燃焼式ガスセンサには、検知対象ガスを燃焼させるために、燃焼触媒材料と、ガスの燃焼熱を効率よくヒーターコイルに伝える熱伝導層材料から成る焼結体と、ガスの燃焼熱により電気的特性値が変化するヒーターコイルとからなり、ヒーターコイルが焼結体中に埋め込まれた構造となっている。ヒーターコイルの両端部は、それぞれ外部接続用の電極ピンに接続されて支持されている。

また、半導体式ガスセンサ素子には、ヒーター部を有し、それに装備された半導体層における可燃性ガスの吸着現象により発生する半導体層の電気伝導度変化を電圧変化として出力することにより可燃性ガスの存在を検知するものである。

また、従来の接触燃焼式ガスセンサの構造と比べ、省電力化、小型化及び耐衝撃性の向上を目的として、例えば基板上にガス検知素子と補償素子とが隣接して設けられ、ガス検知素子と補償素子とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することによって可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサがある（例えば特許文献１参照。）。

特開平１１−６８１０号公報（図１）

接触燃焼式ガスセンサでは、同じガス濃度であれば、検知素子から出力される電圧の変化量は大きい方が良い。この、出力電圧の変化量が大きいということは、ガス感度が高いということである。そのため、触媒表面で検知対象ガスが接触燃焼を起こし、その燃焼熱は出来るだけ損失を抑えながら効率よくヒーター部へ伝達されなくてはならない。

また、接触燃焼式ガスセンサでは、同じガス濃度であれば、検知素子から出力される電圧ができるだけ短時間で安定する方が好ましい。出力電圧の安定に要する時間が短いということは、応答速度が速いということである。応答速度を速くするには、焼結体内に熱源となるヒーター部が燃焼熱を効率よく受けて、抵抗値変化が効率よく起こるようにすればよい。

しかし、上記特許文献１に開示されているガスセンサの場合、同一面上に検知素子と補償素子があることから、ヒーター部の設計の自由度が制限されるため、抵抗長を長く取ることが難しい。そのため、ガス感度の向上は望めない。

また、上記特許文献１に開示されているガスセンサの場合、同一面上に検知素子と補償素子があることから、センサを動作させるときに各々に印加する電圧で発生する熱が干渉し合い、ガス感度が鈍るおそれがある。そのため、検知素子と補償素子から発生する熱を遮断できることが求められる。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる接触燃焼式ガスセンサは、焼結体に接触したガスの燃焼により発生した燃焼熱によってヒーター部の電気的な特性値が変化し、その特性値の変化に基づいて可燃性ガスの存在を検知する接触燃焼式ガスセンサであって、絶縁膜の表面に、前記焼結体および第１のヒーター部を有する検知素子と、前記絶縁膜の裏面に、前記焼結体および第２のヒーター部を有する補償素子と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、前記絶縁膜の表面に形成された焼結体と、前記絶縁膜の裏面に形成された前記焼結体は、別部材で構成されることが好ましい。

また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、前記検知素子と前記補償素子は、直交して配置されていることが好ましい。

また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、前記検知素子と前記補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、同じ抵抗値の２個の固定抵抗を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続して、ホイートストンブリジ回路を構成することが好ましい。

また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、前記ヒーター部の周囲に、前記絶縁膜を貫通する複数の貫通孔を有することが好ましい。

また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、表面と裏面とでヒーター部に隣接する電極間での抵抗値が同一であることが好ましい。

本発明に関わる接触燃焼式ガスセンサによれば、焼結体とヒーター部を表面と裏面の両面に形成することで、センサ本体を小型化および低消費電力化することができる。また、検知素子と補償素子のヒーター部がそれぞれ干渉することがないため、ヒーター長を長く取って抵抗値を大きくすることでガス感度を向上させることができる。

また、ヒーター部の周囲に複数の貫通孔を設けることにより、絶縁膜の表面と裏面との間でガスの流動性が向上する。そのためガス感度が向上する。また、エアギャップを形成する工程において、予め、貫通孔が複数あると面方向にサイドエッチングが容易にできるため、エアギャップを形成しやすい。

また、絶縁膜の表面と裏面との間にエアギャップを設け、その絶縁膜の表面と裏面に検知素子と補償素子を形成した場合、各々の素子から発生する熱を遮断することができ、ガス感度が向上する。また、低濃度のガスに対しても迅速に検知することが出来る。また、絶縁膜には熱容量の小さい材料を用いることが好ましい。

また、絶縁膜の裏面に形成されたヒーター部から延びる配線部が絶縁膜を貫通して表面の電極部に到達することで、外部への導通経路が表面に集約されており実装が容易である。表面と裏面とでヒーター部に隣接する電極間での抵抗値が同一になるように設計することで、実装後に抵抗値の調整をする必要がなくなる。

最終的に形成されるガスセンサは、検知素子と補償素子で発生する熱をそれぞれ遮断でき、ガス感度が向上し、貫通孔によるガスの流動性向上により応答速度が向上する。また、各素子と導通を取る電極が表面に集約されることで実装が容易になる。

本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表側から見た平面図およびA-Aで切断した断面図である。 本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの裏側から見た平面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例１にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例２にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例２にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 本発明の実施例２にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。 従来の接触燃焼式ガスセンサ素子の断面図である。

以下に図面を参照して、本発明の接触燃焼式ガスセンサの好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１の（a）は本発明の実施の形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面をあらわし、
Ａ−Ａにおける断面図を（b）に示す。ここでは、電極６が集約されている面を表面、そ
の反対側の面を裏面として説明する。

絶縁膜１３の表面側に、表面ヒーター部５があり、抵抗長を稼ぐために蛇行した設計が好ましい。また表面ヒーター部５と同様の構造を持つ抵抗を表面ヒーター部５に直列に接続しても良い。また材質は白金もしくは白金を含む合金が好ましい。

表面ヒーター部５から延びる表面配線部７は電極６に接続している。電極６は外部との接続をとるために設けており、表面側に集約することで実装が容易に出来る。

電極６から延びる中継配線部９はコンタクトホール８に接続している。コンタクトホール８は表面側の配線と裏面側の配線を接続している。

表面ヒーター部５の周りには絶縁膜１３の表面から裏面へ貫通している貫通孔１０があり、複数あることが好ましい。

図２に示すように、絶縁膜１３の裏面側は、裏面ヒーター部１１、裏面ヒーター部を表面側に導通させるための裏面配線部１２とコンタクトホール８で構成されている。

裏面ヒーター部１１は抵抗長を稼ぐために蛇行した設計が好ましい。また裏面ヒーター部１１と同様の構造を持つ抵抗を裏面ヒーター部１１に直列に接続しても良い。また材質は白金もしくは白金を含む合金が好ましい。

絶縁膜１３の表面ヒーター部５と裏面ヒーター部１１、また各々のヒーター部に隣接する電極間での抵抗値は同一であることが好ましい。例えば、絶縁膜の表面と裏面を同一の材料でスパッタを行うことが好ましく、比抵抗を同一にすることがより好ましい。

製造方法について図１の（a）に示すＡ-Ａの断面を基に説明する。

図３に示すように、シリコン基板４表面にシリコンの酸化膜、もしくはシリコンの窒化膜、もしくはこれらを組み合わせて多層化した絶縁膜１３を積層させる。

図４に示すように、絶縁膜１３にコンタクトホール８用の孔をドライエッチングで形成する。これは裏面配線部を絶縁膜の表側に導通させるために形成する。

次に図５に示すように、コンタクトホール８に白金もしくは白金を含む合金をスパッタによって埋め込む。その後、絶縁膜の表面に表面白金膜１４を積層させる。

次に図６に示すように、表面白金膜１４をフォトリソグラフィー法などによりレジストパターンをマスクとしてドライエッチングにより表面ヒーター部５、表面配線部７、および電極６を形成する。このとき、図１に示すように、中継配線部９も形成する。

図７に示すように、裏面からドライエッチングによりシリコン基板４を、絶縁膜１３が露出するまでエッチングをおこなう。シリコン基板４をエッチングして、絶縁膜のみを残すことによって、ガスセンサ全体の熱容量を下げることができ、ガス感度が向上する。

図８に示すように、絶縁膜１３の裏面に、白金もしくは白金を含む合金から成る裏面白金膜１５をスパッタにより積層する。

図９に示すように、裏面配線部１２と裏面ヒーター部１１をフォトリソグラフィー法などによりレジストパターンをマスクとしてエッチングで形成する。

配線材料は金、白金、ロジウム、またはこれらを選択的に合金化した材料でもよいが、絶縁膜の表裏面で同一の材料を用いることが好ましい。

次に図１の（a）に示すように、表面ヒーター部５のまわりに、ドライエッチングによ
る貫通孔１０を形成する。

熱伝導層材料および燃焼触媒材料を含む焼結体１６を絶縁膜の表面と裏面のヒーター部を覆うように形成して接触燃焼式ガスセンサが完成する。このとき、触媒材料の選択によって、検知素子と補償素子を表裏面で自由に使い分けることができる。
本実施例にある検知素子と補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、同じ抵抗値の２個の固定抵抗を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブ
リッジ回路を構成し、その第１の直列回路と第２の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、検知素子と補償素子との接続点と２個の固定抵抗の接続点との間の電圧を検出信号として出力させる。固定抵抗を絶縁膜に形成し、ワンチップ化したセンサの構成でもよく、固定抵抗は絶縁膜の表裏に形成しても良い。

図１０に示すようにＳＯＩ（Silicon On Insulator）を使う方法がある。これはシリコン結晶表面から１０ミクロンから１００ミクロンの深さに酸素分子を埋め込み、それを高熱で酸化させることにより、酸化物絶縁層のような絶縁膜１３とその上のシリコン結晶薄膜１８を作る技術である。

図１１に示すように、ＳＯＩの表面にさらにシリコンの酸化膜もしくはシリコンの窒化膜、もしくはこれらを組み合わせて多層化した絶縁膜１３を形成する。絶縁膜の表面と裏面の配線パターンの形成方法は上述の実施例１と同様の方法で行う。

図１２に示すように、貫通孔の工程でウェットエッチングを行う。ウェットエッチングによって、２層の絶縁膜に挟まれているシリコン結晶薄膜１８にもサイドエッチングがすすみ、シリコン結晶薄膜１８の一部が除かれて絶縁膜の間にエアギャップ１７ができる。

熱伝導層材料および燃焼触媒材料を含む焼結体１６を絶縁膜の表面と裏面のヒーター部を覆うように形成して接触燃焼式ガスセンサが完成する。このとき、触媒材料の選択によって、検知素子と補償素子を表裏面で自由に使い分けることができる。ここで形成されたエアギャップ１７は表面と裏面の配線部で発生する熱の伝導が遮断されるのでガス感度が向上する。

本実施例にある検知素子と補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、同じ抵抗値の２個の固定抵抗を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、その第１の直列回路と第２の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、検知素子と補償素子との接続点と２個の固定抵抗の接続点との間の電圧を検出信号として出力させる。固定抵抗を絶縁膜に形成し、ワンチップ化したセンサの構成でもよく、固定抵抗は絶縁膜の表裏に形成しても良い。

以上に於いて、本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、表面ヒーター部と裏面ヒーター部の線幅、厚さ、長さ、基板上のレイアウト等は適宜変更可能である。

また、表面ヒーター部と裏面ヒーター部のそれぞれに固定抵抗を直列で結ぶことができ、適宜変更可能である。

以上のように、本発明にかかる接触燃焼式ガスセンサは、家庭用または産業用のガス漏れ検知装置に有用であり、特に、燃料電池に用いられる可燃性ガスを検知する装置に適している。

１ ヒーターコイル
２ 熱伝導層材料
３ 燃焼触媒材料
４ シリコン基板
５ 表面ヒーター部
６ 電極
７ 表面配線部
８ コンタクトホール
９ 中継配線部
１０貫通孔
１１裏面ヒーター部
１２裏面配線部
１３絶縁膜
１４表面白金膜
１５裏面白金膜
１６焼結体
１７エアギャップ
１８シリコン結晶薄膜

Claims (7)

1. 焼結体に接触したガスの燃焼により発生した燃焼熱によってヒーター部の電気的な特性値が変化し、その特性値の変化に基づいて可燃性ガスの存在を検知する接触燃焼式ガスセンサであって、
   絶縁膜の表面に、前記焼結体および第１のヒーター部を有する検知素子と、前記絶縁膜の裏面に、前記焼結体および第２のヒーター部を有する補償素子と、を備えることを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
2. 前記絶縁膜の表面に形成された焼結体と、前記絶縁膜の裏面に形成された前記焼結体は、別部材で構成されることを特徴とする請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
3. 前記検知素子と前記補償素子は、直交して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
4. 前記検知素子と前記補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、同じ抵抗値の２個の固定抵抗を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続して、ホイートストンブリジ回路を構成することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
5. 前記ヒーター部の周囲に、前記絶縁膜を貫通する複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
6. 前記絶縁膜の裏面に形成された前記ヒーター部から延びる配線部が前記絶縁膜を貫通して前記表面にも形成されることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
7. 前記表面と裏面とで前記ヒーター部に隣接する電極間での抵抗値が同一であることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
   

Images