JP6685789B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
また、検出用ヒータを基準として空洞部とは反対側において、検出用ヒータを覆うガス透過性のガス透過蓋を備ているため、検出用ヒータと補償用ヒータとの熱的な特性をより近くすることができるので、外的要因による出力の変動をより正確に補償することが可能となる。
さらに、このガスセンサでは、ガス透過蓋が、開口部が設けられた第1の有孔蓋として構成されており、密閉部が、開口部が設けられた第2の有孔蓋と、当該開口部を塞ぐ封止膜を有している。そのため、第1および第2の有孔蓋に設けられた開口部を用いて、密閉された空間や、検出用ヒータ側において当該空間に対応する空間を形成することができるので、これらの空間が設けられたガスセンサをより容易に製造することが可能となる。
A1.センサモジュール:
図1は、本発明の第1実施形態における熱伝導式ガスセンサモジュール10(以下、単に「センサモジュール10」とも呼ぶ)の構成を示す説明図である。図1(a)は、センサモジュール10の断面を示している。第1実施形態のセンサモジュール10では、センサチップ100が、ヘッダ11とキャップ12とからなるパッケージ19内に実装されている。キャップ12は、例えば、ステンレス鋼や真鍮等の焼結金属、ステンレス鋼等からなる金網、あるいは、多孔質セラミックスで形成されている。これにより、パッケージ19内外の通気性が確保されるとともに、センサチップ100の汚染が抑制され、また、センサモジュール10自体の防爆化が図られている。センサチップ100は、その基板110がダイボンド材15によりヘッダ11に接着されることにより、ヘッダ11に固定されている。
図2は、ガスセンサ100の構造を示す説明図である。図2(a)は、ガスセンサ100を上面から見た様子を示しており、図2(b)および図2(c)は、それぞれ、図2(a)の切断線A−A’および切断線B−B’におけるガスセンサ100の断面を示している。
図3は、ガスセンサ100においてガスの熱伝導度を評価するための機能的な構成を示す説明図である。図3(a)は、図2(a)と同様に、ガスセンサ100を上面から見た様子を示している。但し、図3(a)および図3(b)においては、図示の便宜上、中空膜160および封止膜170の図示と、保護膜150のハッチングとを省略している。図3(b)は、図3(a)において点線で囲んだ領域の拡大図である。
図4は、第2実施形態におけるガスセンサ200の構造を示す説明図である。上面から見た場合、第2実施形態のガスセンサ200は、第1実施形態のガスセンサ100と同一形状となる。そのため、図4では、ガスセンサ200を上面から見た様子を省略し、図2(a)の切断線A−A’および切断線B−B’に対応する位置におけるガスセンサ200の断面を、図4(a)および図4(b)にて示している。なお、第2実施形態のガスセンサ200は、その構成の大部分が第1実施形態のガスセンサ100と共通する。そのため、第2実施形態のガスセンサ200のうち、第1実施形態のガスセンサ100と共通する部分については、第1実施形態のガスセンサ100と同一の符号を付けている。
本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
上記各実施形態では、2つのヒータ141,142を並列に接続して、2つのヒータ141,142に同時に通電しているが、2つのヒータ141,142に別個に通電するものとしても良い。この場合、例えば、ヒータ配線146を2つに分割し、それぞれに、電圧印加用のボンディングパッドを設ければ良い。2つのヒータ141,142に別個に通電すれば、ヒータ141,142ごとに通電電流を調整して独立に加熱温度を制御できる。そのため、通電電流を調整することにより、雰囲気中に検知対象ガスがない状態において、ヒータ141,142のそれぞれの温度を表す出力信号の差(オフセット)を零に調整すれば、より低濃度のガスを検出することが可能となる。
上記各実施形態では、検出部RDと補償部RCとのそれぞれにおいて、2つのサーモパイルTP1〜TP2,TP3〜TP4を設けているが、サーモパイルの数は、任意の数とすることができる。例えば、ガス検出部と補償部とのそれぞれにおいて、単一のサーモパイルを設けるものとしても良く、また、さらにサーモパイルを増やすものとしても良い。また、上記各実施形態では、ヒータ141,142の温度を測定するために、熱電対を直列接続したサーモパイルTP1〜TP2,TP3〜TP4を用いているが、検出部と補償部とのそれぞれにおいて、単一の熱電対を設け、それによりヒータ141,142の温度を測定するものとしても良い。但し、出力信号をより大きくすることができる点で、熱電対を直列接続したサーモパイルを用いるのが好ましい。
上記各実施形態では、半導体膜130として形成された半導体熱電素子131と、導電膜140として形成された金属熱電素子143とを接続することにより、サーモパイルTP1〜TP4を構成しているが、サーモパイルは、極性の異なる2つの半導体膜として形成された2種の半導体熱電素子を接続するものとしても良く、また、材質の異なる2つの導電膜として形成された2種の金属熱電素子を接続するものとしても良い。但し、出力信号をより大きくするとともに、ガスセンサを製造するための工程数の増加を抑制することができる点で、半導体膜130として形成された半導体熱電素子131と、導電膜140として成された金属熱電素子143とを接続して、サーモパイルTP1〜TP4を構成するのが好ましい。
上記各実施形態では、サーモパイルTP1〜TP4の温接点HJによりヒータ141,142の温度を測定しているが、ヒータ141,142の温度は、測温抵抗体や半導体測温素子等の他の測温素子を用いて測定することも可能である。但し、ヒータ141,142の温度を表す十分に高い電圧信号が直接出力され、検出対象ガスの検出感度をより高くすることが容易となる点で、サーモパイルTP1〜TP4の温接点HJによりヒータ141,142の温度との温度を測定するのが好ましい。さらに、ヒータ141,142の温度は、別個の測温素子を用いることなく測定することも可能である。この場合、2つのヒータ141,142を別個に通電できるように形成したうえで、ヒータ141,142の抵抗値を測定することで、ヒータ141,142の温度を測定することができる。但し、ヒータ141,142の構造にかかわらず、ヒータ141,142の温度を表す出力信号を十分に大きくすることができる点で、ヒータ141,142の付近に設けられた測温素子によりヒータ141,142の温度を測定するのが好ましい。
上記各実施形態では、測温素子であるサーモパイルTP1〜TP4の温接点HJは、ヒータ141,142から離れた位置に形成されている。しかしながら、機能膜の構成を適宜変更することにより、温接点HJとヒータとを上下に重なり合うように配置することも可能である。従って、温接点HJ等の測温素子は、ヒータの近傍に設けられていればよい。
上記各実施形態では、検出部RDにおいて、ヒータ141の上面側に蓋161を設けているが、蓋161を省略することも可能である。一般的には、補償部RCにおいて、ヒータ142の上面側、すなわち、空洞部118とは反対側の位置に密閉された空間が形成されていれば良い。但し、検出部RDと補償部RCとの熱的な特性をより近いものとすることでより確実に外的要因による出力変動を補償できる点で、検出部RDにおいて、補償部RCの蓋162と同様な蓋161を設けるのが好ましい。また、ヒータ141に近い位置に蓋161を設けることにより、中空空間191内のガスを介して外部に放出される熱量をより大きくすることができ、検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。
上記各実施形態では、検出部RDのヒータ141の上部に設けられた蓋161に開口部167を形成しているが、一般的には、検出部RDにおいて、ヒータ141を覆う蓋は、ガス透過性を有していればよい。ガス透過性の蓋としては、蓋161の開口部167をガス透過性材料で塞いだものを使用することができる。この場合、開口部167を塞ぐガス透過性材料として、特定のガスを選択的に透過する材料を用いることにより、検出対象ガスの選択性を高くすることができる。例えば、水素透過性の金属により開口部167を塞ぐことにより、水素を選択的に検出するようにすることも可能である。また、開口部が形成されていない膜によりガス透過性の蓋を形成することも可能である。この場合、多孔質の金属薄膜によりガス透過性の蓋を形成することも可能である。なお、多孔質の金属薄膜は、例えば、金属と、当該金属に対して選択的にエッチングされる細孔形成材とをコスパッタリングして膜を形成し、形成された膜の細孔形成材を選択的にエッチングすることにより形成することができる。但し、開口部167を介して犠牲膜を除去することが可能であり、中空空間191の形成がより容易となる点で、ヒータ141を覆う蓋は、開口部167が設けられた蓋161(有孔蓋)とするのが好ましい。また、開口部168を介して犠牲膜を除去することが可能であり、中空空間192の形成がより容易となる点で、密閉された中空空間192を形成する密閉部は、開口部168が設けられた蓋162(有孔蓋)と、当該開口部168を塞ぐ封止膜170により形成するのが好ましい。
上記各実施形態では、低熱伝導部として、基板自体に設けられた空洞部、もしくは、基板上に形成された空洞部を用いているが、低熱伝導部は必ずしも空洞である必要はない。低熱伝導部は、例えば、基板自体に設けられた空洞部に、多孔質材や樹脂等の低熱伝導材を埋め込むことにより形成することができる。多孔質材としてSiO2を用いる場合には、周知の低比誘電率(Low-k)絶縁膜やシリカエアロゲルの形成技術により空洞部に多孔質SiO2を埋め込むことができる。多孔質材として樹脂を用いる場合には、当該樹脂のモノマやプレポリマを空洞部に充填し、その後、熱や紫外線によりモノマやプレポリマを重合させれば良い。また、低熱伝導部として、基板上に多孔質材や樹脂等の低熱伝導膜を形成するものとしても良い。この場合、上述した基板上に空洞部を形成する工程と同様に、基板もしくは絶縁膜120上に多孔質材や樹脂等の低熱伝導膜を形成し、形成した低熱伝導膜を残存させることにより低熱伝導部を形成することができる。また、基板上に低熱伝導膜を形成するためのポリシリコン膜を形成し、当該ポリシリコン膜を陽極酸化により多孔質化しても良い。さらに、低熱伝導部として、基板自体に多孔質部を形成するものとしても良い。多孔質部は、例えば、基板としてSi基板を用いている場合には、基板自体に空洞部を形成する工程と同様に、基板の下面側もしくは基板の上面側から、空洞部に相当する領域を陽極酸化により多孔質化することで形成することができる。なお、空洞でない低熱伝導部を用いる場合において、低熱伝導部の材料が導電性を有する場合には、低熱伝導部と、半導体膜あるいは導電膜との間には絶縁膜が追加される。このように、空洞でない低熱伝導部を用いることにより、低熱伝導部上に形成された機能膜の破損が抑制される。
Claims (2)
- 熱伝導式のガスセンサであって、
空洞部と、
前記空洞部の上に設けられた検出用ヒータおよび補償用ヒータと、
開口部が設けられた第1の有孔蓋として構成され、前記検出用ヒータを基準として前記空洞部とは反対側において、前記検出用ヒータを覆うガス透過性のガス透過蓋と、
開口部が設けられた第2の有孔蓋と、当該開口部を塞ぐ封止膜とを有し、前記補償用ヒータを基準として前記空洞部とは反対側の位置に密閉された空間を形成する密閉部と、
を備え、
前記検出用ヒータ、前記補償用ヒータおよび前記密閉部は、厚さが100μm以下の薄膜であり、
前記ガスセンサは、前記検出用ヒータおよび前記補償用ヒータの温度が測定できるように構成されている、
ガスセンサ。 - 請求項1記載のガスセンサであって、さらに、
前記検出用ヒータの近傍に設けられ、前記検出用ヒータの温度を測定する検出用測温素子と、
前記補償用ヒータの近傍に設けられ、前記補償用ヒータの温度を測定する補償用測温素子と、
を備える、
ガスセンサ。
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