JP6255197B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、少なくともヒータと感応膜とを備えてＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子がケースに収納されてなるガスセンサに関するものである。

特開２０１１−８０８０９号公報（特許文献１）等には、ヒータと感応膜とを備えてＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子の一例が開示されている。この種のガスセンサ素子をケースに収納する場合、ケースには当然にしてガス導入孔が設けられる。

特許第５０４３５５６号公報（特許文献２）には、ケースの側壁部及び蓋部材にガス導入孔が形成され、メンブレン上に形成されたサーモパイルを備えた水素ガスセンサが開示されている。

特開２０１１−８０８０９号公報 特許第５０４３５５６号公報

しかしながら従来は、消費電力の小さいこの種のガスセンサ素子の性能を最大限発揮できるケースの構造は十分に検討がされていなかった。

本発明の目的は、消費電力の小さいＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子の性能をできるだけ発揮できるケースを備えたガスセンサを提供することにある。

本発明のガスセンサは、少なくともヒータと感応膜とを備えてＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を収納するケースとを備えている。ケースにはガスセンサ素子にケースの外部から測定ガスを導入する複数のガス導入孔が設けられている。ケースは、底壁部と該底壁部の周縁部から延びる周壁部と該周壁部及び底壁部とによって囲まれて前記底壁部と対向する位置に開口部を有する収納室とを備えたケース本体と、前記１以上のガス導入孔を備えて前記開口部に嵌合される蓋部材とからなる。そしてガスセンサ素子は、感応膜が蓋部材と所定の間隔あけて対向するように底壁部に対して固定される。本発明では、蓋部材にのみ複数のガス導入孔が形成されている。複数のガス導入孔の数、形状寸法及び位置は、測定ガスが感応膜に直接当たらないように測定ガスを感応膜に導き、ヒータが発熱している間にケースの内部に残留する測定ガスとケースの外気とを自然対流により複数のガス導入孔を通して交換できるように定められている。感応膜に直接測定ガスが当たると、感応膜の温度が低下して、ノイズの発生原因になる。そこで本発明では、ガス導入孔からケース内に入った測定ガスが直接的に感応膜にあたらないようにしている。その結果、ノイズの発生を抑制できる。またケースの周囲にガス導入孔をむやみに設けると、ケース内に測定ガスが滞留する時間が短くなって測定精度が悪くなる。そこで本発明では、蓋部材にのみ複数のガス導入孔を形成して、ケース内への測定ガスの滞留時間を確保する。また次回の測定までの時間間隔があまり長くなると、使い勝手が非常に悪くなる。そこで本発明では、複数のガス導入孔の数、形状寸法及び位置を、ヒータが発熱している間にケースの内部に残留する測定ガスとケースの外気とを自然対流により複数のガス導入孔を通して交換できるように定めているので、性能使い勝手が悪くなることはない。

したがって本発明によれば、ＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子に測定用ガスが吹き付けられた際のガスセンサ素子の出力ノイズを抑制して、しかも測定後に残留する測定ガスの排出を速やかなものとして、ガスセンサ素子の性能を最大限発揮させることができる。

なお本発明によれば、ガスセンサ素子の消費電力が、３０ｍＷ以下のものであっても、その性能を十分に発揮させることができる。

具体的なケースは、底壁部と該底壁部の周縁部から延びる周壁部と該周壁部及び底壁部とによって囲まれて底壁部と対向する位置に開口部を有する収納室とを備えたケース本体と、１以上のガス導入孔を備えて開口部に嵌合される蓋部材とから構成することができる。この場合、ガスセンサ素子は、感応膜が蓋部材と所定の間隔あけて対向するように底壁部に対して固定される。そして底壁部には、収納室の一部を構成し且つガスセンサ素子が収納される素子収納部を形成する。

さらに蓋部材と感応膜との間の間隔を０．１mm〜０．７mmの範囲の値とすると、測定時の感応膜の温度低下を十分に抑制して、しかも残留ガスの排出時間を更に短縮することができる。なおガス導入孔の孔径は０．２mm〜０．４mm（または面積が０．０３mm²〜０．１６mm²）であるのが好ましく、ガス導入孔の形状は丸、四角、菱形、楕円等任意である。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明のガスセンサの実施の形態の一例の平面図及びケースから蓋部材を除いた平面図をそれぞれ示している。 図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 蓋部材の平面図である。 ＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子の概略断面図である。 （Ａ）は本実施の形態において、蓋部材に測定ガスを所定時間吹き付けた後、測定を停止した場合におけるガスセンサの出力の変化を示す図であり、（Ｂ）は蓋部材の中央部に大きな１つのガス導入孔を適当に１個設けた場合において、測定ガスの吹き付けを行った場合に得られた比較例のガスセンサの出力変動を示す図である。 本実施の形態及び比較例に関して、ヒータの通電による残留ガスの放出状態を確認した結果を示す図である。 ガス導入孔の数と位置と大きさを変えた蓋部材のサンプルの形状を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明のガスセンサの実施の形態の一例の平面図及びケース１から蓋部材５を除いた平面図をそれぞれ示している。図２は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図４は蓋部材５の平面図、図５はＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子７の概略断面図である。なお、図２及び図３においては、理解を容易にするためにセンサ素子は断面としていない。

本実施の形態のガスセンサは、ケース１内に、後に詳しく説明するガスセンサ素子７が収納された構造を有している。図５に誇張して示すように、ガスセンサ素子７は基本的にベース７１と、感応膜７７とを有している。ベース７１は輪郭形状が矩形状を呈しており、中央に位置するいわゆるブリッジ状の薄板部７１Ａと、薄板部７１Ａの周囲に位置する外側領域７１Ｂとを有している。ベース７１の中央部には、薄板部７１Ａの下部及び周囲に空洞部７１Ｃがエッチングにより形成されている。ベース７１の外側領域７１Ｂには、図示しない薄膜配線パターンに接続された複数の電極７３が設けられている。ベース７１は、複数の絶縁層が積層されて構成されており、薄板部７１Ａ内にはヒータ７５を内層している。具体的には、ベース７１は、シリコン単結晶からなる下部絶縁層と、この下部絶縁層上に形成されたシリコン酸化物またはシリコン窒化物等のシリコン化合物からなる上部絶縁層とを有している。ヒータ７５は、ベース７１の中央部に形成されたブリッジ部７１Ａ内に内層されており、ブリッジ部７１Ａ中のヒータ７５は上部絶縁層によって覆われている。ヒータ７５は、白金薄膜層から形成されている。ヒータ７５は、感応膜７７を加熱して、測定ガスと感応膜７７の反応を促進させ、反応したのちは速やかに吸着したガスおよび水分を発散させる役割を果たす。実際の感応膜７の寸法は、直径が０．１１ｍｍの円形領域内に入る程度の小さいものである。したがって本実施の形態では、図１（Ａ）に示すように、蓋部材５を正面から見たときに、蓋部材５に形成したガス導入孔６，６´から、感応膜７７を見ることができないように、ガス導入孔６，６´の数、形状寸法、位置が定められている。その結果、設計上は、ガス導入孔６，６´から導入された測定ガスが、感応膜７７に直接当たることはないようになっている。本実施の形態で用いるガスセンサ素子７の消費電力が、３０mWのものである。なお本発明は、消費電力が、３０mW以下のガスセンサ素子７を用いる場合に、より好ましい効果を発揮する。

ケース１は、絶縁材料からなるケース本体３と絶縁樹脂製の蓋部材５とから構成されている。蓋部材５には、ガスセンサ素子７にケース１の外部から測定ガスを導入する複数のガス導入孔６，６′が設けられている。ケース本体３は、底壁部３１と該底壁部３１の周縁部から延びる周壁部３３と該周壁部３３及び底壁部３１とによって囲まれて底壁部３１と対向する位置に開口部１５Ａを有する収納室１５とを備えている。ケースの収納室１５は、ガスセンサ素子７が収納される素子収納部１１と、該素子収納部１１と開口部１５Ａとの間に位置するガス滞留部１３とから構成されている。ガスセンサ素子７は、感応膜７７が蓋部材５と所定の間隔あけて対向するように底壁部３１に対して固定されている。

ケース本体３の底壁部３１には、収納室１５の一部を構成し且つガスセンサ素子７が収納される素子収納部１１が形成されている。また底壁部３１には素子収納部１１の周囲に、開口部１５Ａとは反対の方向に開口する複数の凹部３５が形成されている。本実施の形態では、ケース本体３にインサートモールドされた６本の端子金具９の基部に対応する位置に６個の凹部３５が形成されている。なお凹部は連続する一連の環状形状を呈していてもよい。

収納室１５のガス滞留部１３は、素子収納部１１の両端部を越えて延びる延長空間部１３Ａを備えている。なお延長空間部１３Ａは、延長空間部１３Ａはできるだけ小さくするのが好ましく、無くてもよい。

本実施の形態においては、１以上のガス導入孔６，６´の数、形状及び位置、ケース１の構造、室内形状及び容積並びにガスセンサ素子７の固定状態を、ガス導入孔６，６´が後述する感応膜７７と対向して測定ガスを感応膜７７に導き、ヒータ７５が発熱している間にケース１の内部に残留する測定ガスとケース１の外気とを自然対流によって交換できるように定められている。本実施の形態では、ガス導入孔６，６´の孔径は０．２２mm〜０．４mm（または面積が０．０３mm²〜０．１６mm²）にしている。またガス導入孔６，６´の形状は丸、四角、菱形、楕円等任意である。

本実施の形態では、複数のガス導入孔６，６´の数、大きさ及び相互間の間隔及び蓋部材と感応膜との間の間隔は、ガス導入孔６，６´を通って直接感応膜７７に当らないように定めている。ガス導入孔６，６´を通った測定ガスが、直接感応膜７７に当ると、測定ガスにより感応膜７７の温度が低下する。その結果、測定時の温度変化に基づく、出力ノイズが発生することになる。このようなノイズの発生を抑制するために、本実施の形態では、複数のガス導入孔６，６´は、ガスセンサ素子と対向する第１のグループに属するガス導入孔６と、第１のグループに属する複数のガス導入孔６の外側にあって、延長空間部１３Ａと対向する第２のグループに属するガス導入孔６´とに分けて設けられている。さらに蓋部材５と感応膜７７との間の間隔を０．１mm〜０．７mmの範囲の値とすると、測定時の感応膜７７の温度低下を十分に抑制して、しかも残留ガスの排出時間を更に短縮することができることがシミュレーションにより確認されている。この間隔が０．１mmよりも小さくなると、自然対流がし難くなり、この間隔か０．７mmよりも大きくなると自然対流による交換時間が長くなる。

本実施の形態で用いる蓋部材５には、外周部の一対の辺に、対向するように２つの凹部５１，５１が形成され、外周部の他の一対の辺に、対向する２つの凹部５３，５３が形成されている。また外周部の一対の辺には、それぞれ対向する４つの凹部５５，５５が形成されている。２つの凹部５１，５１には、ケース本体３の周壁部３５から突出する２つの突起３７がそれぞれ嵌合される。２つの突起３７は、超音波溶着および熱溶着により変形されて潰され、蓋部材５をケース本体３に対して固定する。また２つの凹部５３，５３には、ケース本体３の周壁部３３に設けられた細長い２つの凸部３９が嵌合される。２つの凹部５３，５３と２つの凸部３９との嵌合により、蓋部材５のケース本体３に対する位置決めが完了する。なお４つの凹部５５は、解体の際にドライバスロットを挿入するために設けられているもので、必ず必要なものではない。

本実施の形態では、ＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子７に測定用ガスが吹き付けられた際のガスセンサ素子の出力ノイズを抑制して、しかも測定後に残留する測定ガスの排出を速やかなものとして、ガスセンサ素子の性能をできるだけ発揮させることができる。図６（Ａ）は、上記実施の形態において、蓋部材５に測定ガスを所定時間吹き付けた後、測定を停止した場合におけるガスセンサの出力（抵抗値）の変化を示している。図６（Ａ）の横軸は時間で、縦軸はガスセンサの出力（抵抗値）の変化を示している。本実施の形態では、図６（Ａ）中の○印を付け部分で測定ガスの吹きつけを終了しているが、特にノイズに相当するような出力変動（抵抗値変動）は見られない。これに対して図６（Ｂ）は、蓋部材５の中央部に大きな１つのガス導入孔を適当に１個設けた場合において、上記と同様に測定ガスの吹き付けを行った場合に得られた比較例のガスセンサの出力変動（抵抗値変動）を示している。図６（Ｂ）中の○印の部分に見られるように、ガス導入孔を意識せずに適当に開けると、測定ガスの吹きつけの影響がガスセンサの出力にノイズとして明確に現れることが確認された。

また図７は、本実施の形態及び上記比較例に関して、ヒータ７５の通電による残留ガスの放出状態を確認した結果を示している。図７の横軸は時間であり、縦軸はガスセンサの出力（抵抗値）の変化を示している。なおガスの残留状態を見るために、この試験ではガスセンサの出力を測定ガスの吹きつけ開始から、吹きつけ完了後にヒータ７５を加熱している間も継続して測定を行った結果である。図７において、線Ａが本実施の形態の結果であり、線Ｂが比較例の結果である。この試験からは、本実施の形態によれば、吹きつけ開始前と開始後とに差が無いことが、確認された。したがってこの試験結果から、本実施の形態によれば、ガス抜きが確実に行われていることが判る。これに対して比較例においては、ヒータの通電時間内において、ガスセンサの出力を本実施の形態のレベルまで下げることができないことが確認できた。見方を変えると、この試験により、本実施の形態によれば、ガス抜き時間を短縮できることが確認された。

図８は、ガス導入孔６の数と位置と大きさを変えた蓋部材（５）のサンプルの形状を示す図である。サンプル１乃至７が、本発明の効果が得られる蓋部材のサンプルであり、サンプル８及び９が本発明の効果が得られない蓋部材のサンプルである。これらのサンプル１乃至９を順番に交換して以下の評価試験を行った。

［評価試験の条件］
（１）呼気測定１
（２）呼気測定２
（３）0.1mg/Lのシミュレータガス測定１
（４）0.1mg/Lのシミュレータガス測定２
（５）0.1mg/Lのシミュレータガス測定３
（６）呼気測定３
上記（１）及び（２）の測定では、呼気ガスの測定により測定ガスが直接感圧膜にあたって測定データにノイズが含まれるか否かを確認した。そして（３）乃至（５）の測定では、測定データの繰り返し再現性の有無を確認した。（６）の測定では、自然対流によるガス抜けの良否を確認した。（６）の測定結果と（１）及び（２）の測定結果との差が大きいほど、自然対流によるガス交換性能が悪いことを意味する。

サンプル１乃至５については、問題となるノイズの発生は無く、繰り返し再現性及びガス交換性能については特に問題がなかった。サンプル６については、サンプル１乃至５と比べて、ガス交換にかかる時間が多少長くなることが確認されたが、実用上は問題となるようなものではなかった。しかしながらサンプル８及び９については、ノイズが発生し、また繰り返し再現性が悪いことが確認された。サンプル８については、ガス導入孔の形状が大きいために、蓋部材を正面から見たときに、感応膜は見えないものの、測定ガスの回り込み量が多く、結果として測定ガスが感応膜に直接当たっているものと推測される。

この評価試験から、特に消費電力が少ないガスセンサでは、複数のガス導入孔の数、形状寸法及び位置を、測定ガスが感応膜に直接当たらないように測定ガスを感応膜に導き、ヒータが発熱している間にケースの内部に残留する測定ガスとケースの外気とを自然対流により複数のガス導入孔を通して交換できるように定めることが可能であることが確認できた。

また特許文献２に記載の構造と同様に、ケース本体の側壁に貫通孔を複数あけてサンプル１乃至６の蓋部材を用いたガスセンサについて上記と同様の評価試験を行ったところ、僅かながらノイズの発生が見られ、繰り返し再現性が悪くなることが確認された。これはケース本体に設けた貫通孔から測定ガスが抜け出るために、測定ガスの滞留率が悪く、そのことがノイズの発生と繰り返し再現性に影響を与えているものと推測される。そのため本実施の形態のように蓋部材５にのみガス導入孔を設けることは、測定精度の向上には必要なことである。

本発明によれば、ＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子に測定用ガスが吹き付けられた際のガスセンサ素子の出力ノイズを抑制して、しかも測定後に残留する測定ガスの排出を速やかなものとして、ガスセンサ素子の性能をできるだけ発揮させることができる。

１ ケース
３ ケース本体
５ 蓋部材
６，６´ ガス導入孔
７ ガスセンサ素子
９ 端子金具
１１ 素子収納部
１３ ガス滞留部
１３Ａ 延長空間部
１５Ａ 開口部
１５ 収納室
３１ 底壁部
３３ 周壁部
３５ 凹部
３７ 突起
３９ 凸部
７１ ベース
７１Ａ 薄板部
７１Ｂ 外側領域
７１Ｃ 空洞部
７３ 電極
７５ ヒータ
７７ 感応膜

Claims (4)

1. 少なくともヒータと感応膜とを備えてＭＥＭＳ構造により形成されたガスセンサ素子と、
   前記ガスセンサ素子を収納するケースとを備え、
   前記ケースには前記ガスセンサ素子に前記ケースの外部から測定ガスを導入する複数のガス導入孔が設けられており、
   前記ケースは、底壁部と該底壁部の周縁部から延びる周壁部と該周壁部及び前記底壁部とによって囲まれて前記底壁部と対向する位置に開口部を有する収納室とを備えたケース本体と、前記複数のガス導入孔を備えて前記開口部に嵌合される蓋部材とからなり、
   前記ガスセンサ素子は、前記感応膜が前記蓋部材と所定の間隔あけて対向するように前記底壁部に対して固定され、
   前記蓋部材にのみ前記複数のガス導入孔が形成されており、
   前記複数のガス導入孔の数、形状寸法及び位置は、前記測定ガスが前記感応膜に直接当たらないように前記測定ガスを前記感応膜に導き、前記ヒータが発熱している間に前記ケースの内部に残留する前記測定ガスと前記ケースの外気とを自然対流により前記複数のガス導入孔を通して交換できるように定められ、
   前記蓋部材を正面から見たときに、前記ガス導入孔を通して前記感応膜を見ることができないように、前記複数のガス導入孔の数、形状寸法及び位置が定められているガスセンサであって、
   前記複数のガス導入孔の孔径が０．２５７mm〜０．３９４mmであることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ガスセンサ素子の消費電力が、３０mW以下である請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記蓋部材と前記感応膜との間の間隔が０．１mm〜０．７mmである請求項１に記載のガスセンサ。
4. 前記底壁部には、前記収納室の一部を構成し且つ前記ガスセンサ素子が収納される素子収納部が形成されており、
   前記底壁部には前記素子収納部の周囲に、前記開口部とは反対の方向に開口する１以上の凹部が形成されている請求項１に記載のガスセンサ。