JP5686196B2 - 微粒子センサ及び微粒子センサの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は微粒子センサ及びその製造方法に関する。更に具体的には、被測定ガス中の微粒子量に応じて電気的特性を出力する微粒子センサ及びその製造方法に関するものである。

例えば特許文献１のシステムにおいて、内燃機関の排気経路の微粒子（particulate matter；以下「ＰＭ」とも称する）を検出するためのＰＭセンサ（微粒子センサ）が配置されている。このＰＭセンサは、絶縁基材と、互いに間隔を開けて絶縁基材上に配置された一対の電極とを備えている。ＰＭセンサの一対の電極間に排気ガス中のＰＭが堆積すると、ＰＭ堆積量に応じて電極間の導電性が変化するため、電極間の抵抗が変化する。

また、特許文献１の技術では、ＰＭセンサは微粒子捕集用フィルタ下流に配置されている。従って、ＰＭセンサの電極へのＰＭ堆積量は、微粒子捕集用フィルタ下流の排気ガスに含まれるＰＭ量に関連する。特許文献１においては、ＰＭセンサの電極間の抵抗値に基づいて、微粒子捕集用のフィルタの故障等を検出する。

日本特開２００９−１４４５７７号公報

ところで、排気ガス中のＰＭには、少量ではあるが不定期に、大粒径のＰＭが含まれる。大粒径のＰＭがＰＭセンサの電極間に堆積すると電極間の導電性が急変する。このため、実際のＰＭ量とセンサ出力とに相関がなくなる場合がある。つまり、大粒径のＰＭの付着により、ＰＭセンサは実際のＰＭ量とは異なる出力を発し、センサ出力のばらつきが大きくなる場合がある。

本発明は、上記課題を解決することを目的とし、大粒径のＰＭの電極間への付着を抑制することにより、出力ばらつき抑制したＰＭセンサ及び、その製造方法を提供するものである。

上記目的を達成するため、第１の発明は、被測定ガス中の微粒子量を検出するための微粒子センサであって、
絶縁体と、
前記絶縁体の主面上に、互いに間隔を空けて配置された一対の電極と、を備え、
前記絶縁体は、前記一対の電極が形成されていない部分に、前記主面に対し垂直な方向の高さが、前記一対の電極の高さ以上である絶縁部を有する。

第２の発明は、第１の発明の微粒子センサの製造方法であって、
前記絶縁体を構成する基板上に、前記一対の電極を構成する材料からなる電極パターンを形成する工程と、
前記電極パターンの形成の後、前記電極パターン上に、前記電極パターンが焼結する温度以下の温度で揮発する材料からなる、前記電極パターンと同一パターンのマスクを形成する工程と、
前記マスク及び前記基板上に、前記絶縁部を構成する材料からなる薄膜を形成する工程と、
前記電極パターンと前記薄膜とを焼結させて、前記電極と前記絶縁部とを形成する工程と、
を備える。

第３の発明は、第１の発明の微粒子センサの製造方法であって、
前記絶縁体を構成する材料からなる基板に、前記一対の電極のパターンと同一形状の溝を形成する工程と、
前記溝の底部に、前記一対の電極を形成する工程と、
を備える。

この発明によれば、微粒子センサの電極間には、電極以上の高さを有する絶縁部が形成される。これにより、大粒径の微粒子（ＰＭ）が排気ガス中に含まれる場合でも、ＰＭは電極間の絶縁部に阻まれるため、電極上に堆積しやすく、電極間に堆積しにくい構成となっている。従って、大粒径のＰＭの付着により電極間の導電性が急変するのを抑えることができ、センサ出力のばらつきを抑制することができる。

この発明の実施の形態におけるＰＭセンサの全体構成について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態のＰＭセンサの素子部の構成について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態のＰＭセンサの素子部の断面形状にについて説明するための模式図である。 従来のＰＭセンサの素子部の断面形状について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態のＰＭセンサの、ＰＭ量に対するセンサ出力を、従来のＰＭセンサのものと比較して説明するための図である。 この発明の実施の形態のＰＭセンサの出力ばらつきを、従来のＰＭセンサのものと比較して説明するための図である。 この発明の実施の形態において、ＰＭセンサの電極と絶縁部との高低差に対する出力のばらつき又はＰＭ検出限界量を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態．
[本実施の形態のＰＭセンサの構成について]
図１及び図２はこの発明の実施の形態におけるＰＭセンサについて説明するための模式図であり、図１はＰＭセンサの全体図、図２はセンサ素子部の一部を拡大した図である。図１に示されるＰＭセンサ２は、例えば車両に搭載された内燃機関の排気経路の微粒子捕集用フィルタ（ＤＰＦ）下流に設置され、排気ガス中のＰＭ量の検出に用いられる。

図１に示されるように、ＰＭセンサ２は、カバー４とカバー４内の空間に設置された素子部６とを備えている。カバー４は気体を通過させる複数の孔を有している。ＰＭセンサ２使用時は、カバー４の複数の孔からカバー４内部に排気ガスが流入し、素子部６が排気ガスに接した状態となる。

図２に示されるように、ＰＭセンサ２の素子部６は絶縁基材８（絶縁体）を備えている。絶縁基材８はアルミナにより構成されている。絶縁基材８の主面８ａには、一対の電極１０、１２が形成されている。電極１０、１２は互いに接触しない状態で、一定の間隔を開けて配置されている。電極１０、１２それぞれは櫛歯形状に形成された部分を有し、この部分において互いに噛み合うように形成されている。絶縁基材８内部の電極１０、１２の下層には、図示しないヒータが埋め込まれている。

［本実施の形態のＰＭセンサの特徴的な構成について］
図３は、本実施の形態のＰＭセンサ２の、図２における、素子部６の破線（ａ）部のＡ−Ｂ断面を説明するための模式図である。また図４は、従来のＰＭセンサの図３に相当する部分を説明するための模式図である。

図３に示されるように、本実施の形態のＰＭセンサ２において、絶縁基材８の主面８ａ上の電極１０、１２が形成されていない部分には絶縁部８ｂが形成されている。絶縁部８ｂは、絶縁基材８と同様の材料であるアルミナの焼結体により構成されている。つまり、主面８ａ上の電極１０、１２に挟まれた部分には、絶縁部８ｂが形成されている。ＰＭセンサ２の素子部６の主面８ａに垂直な方向において（即ち、図３の紙面を上下方向において）、電極１０、１２表面の高さが、絶縁部８ｂ表面の高さよりも低くなっている。

一方、図４の従来のＰＭセンサにおいて、絶縁基材１０８の主面上には、櫛歯形状の部分を有する一対の電極１１０、１１２が形成されている。しかし、絶縁基材１０８上の電極１１０、１１２が形成されていない部分に絶縁部は形成されていない。即ち、図４に示されるように、素子部の主面１０８ａに垂直な方向において、一対の電極１１０、１１２の間は、窪んだ状態となっており、絶縁基材１０８の主面１０８ａが露出している。

［本実施の形態のＰＭセンサの製造方法］
本実施の形態のＰＭセンサ２は以下の製造方法により製造される。まず、絶縁基材８となるアルミナ基板を準備し、このアルミナ基板上に電極１０、１２形成用の電極パターンを印刷する。その後、電極パターン上に電極１０、１２と同一形状のマスク剤を印刷し、電極パターンをマスクする。ここでマスク剤として、電極焼結温度以下の温度で揮発する材料を用いる。マスク形成後、全体にアルミナ薄膜を形成する。アルミナ薄膜形成後、アルミナ薄膜と電極パターンとを高温で焼結し、絶縁部８ｂ、電極１０、１２を形成する。焼結時にマスクは揮発するため、マスク上部に形成されたアルミナ薄膜も同時に剥離される。その結果、アルミナ焼結体である絶縁部８ｂが、電極１０、１２が形成されていない部分にのみ残ることとなる。

［本実施の形態のＰＭセンサ２の特性］
ところで、排気ガス中のＰＭの粒子分布は概ね１００ｎｍ以下に粒径のピークを持つ。しかし、少量ではあるが不定期に、数μｍ以上の大粒径のＰＭが発生する。従来のＰＭセンサの場合、特に大粒径のＰＭは、絶縁基材１０８の主面１０８ａに対して凸状に形成された電極１１０、１１２に遮られるため、電極１１０、１１２間の凹部である主面１０８ａ上に堆積しやすい（図４参照）。また、大粒径のＰＭは、電極１１０、１１２間の導電性を急変させやすい。従って、従来のＰＭセンサの場合、大粒径のＰＭが発生した場合に、その影響を受けて電極１１０、１１２間の抵抗が急変しやすく、ＰＭセンサの出力は、実際のＰＭ量からずれて、ばらつきが生じやすい。

これに対して本実施の形態のＰＭセンサ２の場合、電極１０、１２間に空間はなく、電極１０、１２よりも凸状の絶縁部８ｂが形成されている。従って、大粒径のＰＭが発生した場合にも、ＰＭは凸状の絶縁部８ｂに遮られ、電極１０、１２上部に堆積しやすい（図３参照）。ＰＭは電極１０、１２上部に堆積しても、電極１０、１２間の導通状態に大きな影響を及ぼすものではない。即ち、本実施の形態のＰＭセンサ２の場合、電極１０、１２の間に大粒径のＰＭが堆積しにくいため、大粒径のＰＭが発生しても、それによる出力ばらつきが生じにくく、安定的にセンサ出力を発することができる。

図５は、本実施の形態のＰＭセンサ２と従来のＰＭセンサの、ＰＭ量に対するセンサ出力変化を比較説明するための図である。図５において、横軸はＰＭ量、縦軸はセンサ出力を表している。また、図５において、曲線（ａ）は本実施の形態のＰＭセンサ２の出力、曲線（ｂ）は従来のＰＭセンサの出力を表している。また、図５の（ｃ）は、本実施の形態２のＰＭセンサの検出下限量を表し、（ｄ）は、従来のＰＭセンサの検出下限量を表している。

図５に示されるように、従来のＰＭセンサは、その検出下限量が小さく（（ｄ）参照）、少ないＰＭ量に対しても高い感度で検出するが、ＰＭ量が少ない状態においては、出力がばらつきやすい（（ｂ）参照）。一方、本実施の形態のＰＭセンサ２は、その検出限界量は従来に比べて大きくなるが（（ｃ）参照）、その出力はばらつきにくく、安定的にＰＭ量に応じた出力を発することができる（（ａ）参照）。

図６は、本実施の形態のＰＭセンサ２と従来のＰＭセンサの、被測定ガスとしてＰＭ量２０ｍｇの排気ガスを測定した場合の、センサ出力のばらつきを表す図である。図６において紙面左側に従来のＰＭセンサの出力に基づく検出値、右側に本実施の形態のＰＭセンサ２の出力に基づく検出値が表されている。

図６から、従来のＰＭセンサの場合、同じＰＭ量（２０ｍｇ）に対して、センサ出力に基づく検出値が大きな範囲でばらつくのに対し、本実施の形態のＰＭセンサ２の場合、センサ出力のばらつきが低減されていることがわかる。

このように、本実施の形態のＰＭセンサ２では、電極１０、１２間に絶縁部８ｂを形成することにより、出力ばらつきが低減され、安定したセンサ出力を得ることができる。しかし、一方で、絶縁部８ｂが障壁となるため、電極１０、１２間のＰＭによる導電パスが作られ難い。このため、特に素子部６へのＰＭ堆積量が少ないうちはセンサ出力が出にくくなる傾向にある。即ち、凸状の絶縁部８ｂ形成による出力ばらつきの低減と、センサ感度の向上とは背反の関係にある。

図７は、絶縁部８ｂと電極１０、１２との表面（図３において上側の面）の高低差に対する、センサ出力のばらつきとＰＭ検出下限量との関係を説明する図である。図７において、横軸は、電極１０、１２の間（絶縁部８ｂ）と電極１０、１２との高低差（絶縁部面−電極面）を表し、値が小さいほど電極１０、１２の高さが高く、値が大きいほど絶縁部８ｂの高さが高いことを意味する。また、図７の左側縦軸はＰＭ検出の下限量、右側縦軸は検出ばらつきを表し、曲線（ａ）はＰＭ検出の下限量、曲線（ｂ）は検出ばらつきを表している。

図７（ａ）に示されるように、電極１０、１２面の高さが絶縁部８ｂより高い範囲（つまり横軸高低差が０より小さい領域）では、ＰＭ検出下限量が小さい。つまり、少ないＰＭ量でも検出することが可能であり、高いセンサ感度が確保されている。しかし、電極１０、１２の高さが絶縁部８ｂより低い領域（高低差が０より大きい領域）では、その高低差が大きくなるにつれて、次第にＰＭ検出下限量が大きくなる。つまり、より多くのＰＭが堆積した状態でなければセンサ出力を得ることができず、ＰＭセンサの感度は低いものとなっている。

一方、図７の曲線（ｂ）に示されるように、検出ばらつきは、電極１０、１２の高さが絶縁部８ｂより高い範囲（つまり高低差が０より小さい領域）では大きく、絶縁部８ｂの高さが電極１０、１２より高い範囲では小さい。また、図７の曲線（ｂ）から、この検出ばらつきは、電極１０、１２表面と絶縁部８ｂとの高さが同一である高低差０付近で大きく急変していることがわかる。従って、電極１０、１２表面を絶縁部８ｂより僅かに低くすることでも、出力ばらつきは大幅に改善されると考えられる。

上記の傾向から、許容される検出ばらつきと所望のセンサ感度とを考慮して、絶縁部８ｂの高さと電極１０、１２との高さとが適宜決定される。ただし、上記のようにＰＭ検出下限量は、高低差が０より大きい領域で、高低差が大きくなるにつれて次第に大きくなるのに対し、検出ばらつきは高低差が０の付近で急変し、絶縁部が大きい領域（高低差がマイナスの領域）で検出ばらつきは大きくなる。従って、高低差はプラス側（絶縁部８ｂが高い）のごく小さな値に設定することが望まれる。なお、この発明においては、絶縁部８ｂと電極１０、１２との表面の高さが同一（高低差０）であってもよい。

また、本実施の形態において、ＰＭセンサ２の製造方法について説明したが、この発明においてＰＭセンサの製造方法はこれに限られるものではなく、他の方法であってもよい。具体的に、例えば、電極パターンやマスク、アルミナ薄膜は、印刷法により形成されるものではなく、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など他の方法など、それぞれ用いる材料に最適な方法で形成されるものであればよい。また、上記の製造方法に限らず、絶縁基材としてのアルミナ基板に、電極パターンと同様の溝を形成し、この溝の底部に、電極を印刷又は他の方法により埋め込むものであってもよい。この場合にも、形成する溝の深さ、電極の厚さを調整することで、絶縁部８ｂとなる部分（アルミナ基板の溝が形成されていない部分）の表面と電極１０、１２の表面との高低差を所望の値に調整することができる。

また、本実施の形態では、主面８ａ上の電極１０、１２が形成されていない部分全体に、電極１０、１２よりも突出した絶縁部８ｂが形成される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、電極１０、１２の櫛歯形状の部分においてのみ、電極１０、１２以上の高さの絶縁部が形成された構成としてもよい。ＰＭセンサ２は、特に櫛歯形状部の電極１０、１２間に堆積したＰＭ量に応じた出力を発する。従って、電極１０、１２の櫛歯形状部にのみ、電極１０、１２より突出する絶縁部８ｂを形成したものであっても、大粒径のＰＭ堆積による出力ばらつきを抑制することができる。

また、本実施の形態では、絶縁基材８及び絶縁部８ｂの構成材料としてアルミナを用いる場合について説明した。しかし、この発明において絶縁体の構成材料は、アルミナに限定されるものではない。絶縁体の材料としては、絶縁性を有し、耐熱性に優れたものが好ましい。具体的には、例えば、炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネイト、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナもしくはシリカまたはこれらの組み合わせからなるセラミックス、または焼結金属を主成分とする材料から構成されているものが好適である。

また、本発明において電極１０、１２の材料は特に限定されるものではないが、例えば電極を構成する材料としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、及びＩｒ等の遷移元素、及び、これらの遷移元素のいずれかを含む合金材料、又は、これらの遷移元素のいずれかを含むセンサセラミック材料との複合材料等が好適である。

以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や製造工程等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ センサ
６ 素子部
８ 絶縁基材
８ａ 主面
８ｂ 絶縁部
１０、１２ 電極

Claims (4)

1. 被測定ガス中の微粒子量を検出するための微粒子センサであって、
   絶縁基材と、
   前記絶縁基材の主面上に、互いに間隔を空けて配置された一対の電極と、を備え、
   前記絶縁基材は、前記主面上の、前記一対の電極に挟まれた部分であって、かつ前記一対の電極が形成されていない部分上に、前記主面に対し垂直な方向の高さが、前記一対の電極の高さよりも高い絶縁部を有することを特徴とする微粒子センサ。
2. 請求項１に記載の微粒子センサの製造方法であって、
   前記絶縁基材を構成する基板上に、前記一対の電極を構成する材料からなる電極パターンを形成する工程と、
   前記電極パターンの形成の後、前記電極パターン上に、前記電極パターンが焼結する温度以下の温度で揮発する材料からなる、前記電極パターンと同一パターンのマスクを形成する工程と、
   前記マスク及び前記基板上に、前記絶縁部を構成する材料からなる薄膜を形成する工程と、
   前記電極パターンと前記薄膜とを焼結させて、前記電極と前記絶縁部とを形成する工程と、
   を備えることを特徴とする微粒子センサの製造方法。
3. 請求項１に記載の微粒子センサの製造方法であって、
   前記絶縁基材を構成する基板に、前記一対の電極のパターンと同一形状の溝を形成する工程と、
   前記溝の底部に、前記一対の電極を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする微粒子センサの製造方法。
4. 前記一対の電極は、接触しない状態で互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の部分を有し、
   前記絶縁部は、前記一対の電極の少なくとも前記櫛歯形状の部分に挟まれた部分に、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の微粒子センサ。

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