WO2005054835A1

WO2005054835A1 - ガスセンサ

Info

Publication number: WO2005054835A1
Application number: PCT/JP2004/017884
Authority: WO
Inventors: Hayato Katsuda; Youichi Hattori; Yuichi Kouyama; Takio Kojima
Original assignee: Ngk Spark Plug Co., Ltd.
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2005-06-16
Also published as: EP1705479B1; EP1705479A4; US7712349B2; EP1705479A1; US20070107493A1; KR20060096517A

Abstract

　本発明の目的は、配線基板にガス検出素子を搭載し、この配線基板に通気孔が形成された保護キャップを装着してなり、配線基板や保護キャップからの発ガスを効果的に防止することができる構造のガスセンサを提供することである。本発明において、複数のガス検出素子８，９を搭載する配線基板を、耐熱性に優れるセラミック配線基板２にて形成すると共に、通気孔３１～３９を有する保護キャップ３を、耐熱性に優れる金属にて形成する。そして、この金属製の保護キャップ３を、接着剤を用いずセラミック配線基板２に嵌合により装着してガスセンサ１とする。このような構成を採用することにより、ガスセンサ１を自動車に取り付けて使用した際やその製造工程時において、セラミック配線基板２や金属製の保護キャップ３からの発ガスを有効に抑制することができ、ガス検出素子８，９のガス検出精度低下や早期劣化を防止することができる。

Description

明細書

ガスセンサ

技術分野

[0001] 本発明は、ガス検出素子が支持体である配線基板に搭載されたガスセンサに関する。とりわけ、本発明は、シリコンの微細加工技術を用いて形成されるダイアフラム構造部を有したガス検出素子が配線基板に搭載されたガスセンサに有用である。

背景技術

[0002] 従来、ガスセンサとして、外部回路への入出力を行う端子が形成されたパッケージ（配線基板）にガス検出素子 (マイクロセンサチップ）を搭載し、そのパッケージの周囲枠に被測定ガスを導入するための通気孔が複数形成されたカバーをかぶせて固定した構造のものが知られている（例えば、特許文献 1参照)。また、ガス検出素子を角管状の固定部にリードフレームを介して宙づり状態で保持し、固定部の上面側に被測定ガスを導入するための通気孔が複数形成された蓋部をかぶせて固定する一方、固定部の底面側に遮蔽用蓋部を固定した構造のものも知られている（例えば、特許文献 2参照)。

特許文献 1：特開平 11—233240号公報

特許文献 2：特開平 9— 21774号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] ところで、従来より、特許文献 1、 2に代表されるガス検出素子を搭載するパッケージとしては、榭脂製のものが用いられている。とりわけ特許文献 2では、パッケージの両側に固定される両蓋部までもが榭脂から形成されている。し力しながら、このようにパッケージが榭脂製であると、このガスセンサを自動車に取り付けて使用した際やその製造工程時に、例えば 200— 300°Cといった高温環境下に晒されることもあるため、ノッケージを構成する榭脂が発ガスすることがある。

[0004] そして、この発ガスによって生じた成分 (例えば、シリコンガス）がガス検出素子に付着することがあると、ガス検出精度が低下するおそれがある。とりわけ、金属酸化物半導体をガス検出部として備えるガス検出素子では、上記発ガスによって生じた成分がガス検出部の表面に吸着することがあると、ガス検出精度が低下するのにカ卩え、ガス検出素子の性能を早期に劣化させる可能性もある。

[0005] 本発明は、カゝかる現状に鑑みてなされたものであり、配線基板にガス検出素子を搭載し、この配線基板に通気孔が形成された保護キャップを装着してなるガスセンサであって、配線基板や保護キャップからの発ガスを効果的に防止することができ、長期間にわたって良好なガス検出精度を得ることができる構造のガスセンサを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] その解決手段は、ガス検出素子と、前記ガス検出素子を搭載するセラミック配線基板と、前記ガス検出素子を覆うように前記セラミック配線基板に装着される保護キヤップであって、前記セラミック配線基板に装着されたときに、当該セラミック配線基板とでガス測定空間を形成すると共に、外部から前記ガス測定空間に被測定ガスを導くためのガス取入れ口を有する金属製の保護キャップと、を備えるガスセンサである。

[0007] 本発明のガスセンサは、配線基板を耐熱性に優れるセラミック配線基板にて形成すると共に、ガス取入れ口を有する保護キャップを耐熱性に優れる金属にて形成してヽる。このため、ガスセンサを自動車に取り付けて使用した際やその製造工程時において、セラミック配線基板や金属製の保護キャップからの発ガスを有効に抑制することができ、ガス検出素子のガス検出精度低下や早期劣化を防止することができる。また、本発明のガスセンサは、長期間高温環境下に晒された場合にも、従来のように榭脂製のパッケージや保護キャップを用いておらず、耐熱性に優れるセラミック配線基板、金属製の保護キャップを用いていることから、変形が生じ難ぐその観点からも信頼性を向上させることができる。

[0008] なお、セラミック配線基板を構成するセラミックとしては、アルミナやムライト、窒化ケィ素、窒化アルミニウムなどの材質を使用することができ、耐熱性と絶縁性を良好に得る観点力もアルミナを用いるのが好まし、。

また、保護キャップに形成されるガス取入れ口の形状は特に限定されず、貫通孔であっても良く、あるいは、保護キャップの外壁に直線状の切れ目を設け、この切れ目力外壁の特定部位を一端側が外壁に連なる形態でガス測定空間に向力つて突出させ、外部とガス測定空間とを連通させるようにしても良い。さらに、ガス取入れ口の個数は 1つであっても複数であっても良い。

[0009] また、上記のガスセンサであって、前記保護キャップは、前記セラミック配線基板に非接着の状態で保持されて、るガスセンサとすると良、。

[0010] ところで、従来では、パッケージ (配線基板)と保護キャップとを固定する場合、接着剤により、ノッケージの外枠に接着して保護キャップを封止する場合が多力た。しかし、接着剤を用いて配線基板と保護キャップを固定した場合、接着剤からも発ガスするおそれがあり、この影響によってガス検出素子の検出精度が低下する可能性がある。

これに対し、本発明のガスセンサでは、接着剤を用いずに保護キャップをセラミック配線基板に非接着の状態で保持させているため、接着剤力ゝらの発ガスを防止している。これにより、セラミック配線基板と金属製の保護キャップを用いる効果と相俟って、より一層ガス検出素子のガス検出精度低下や早期劣化を防止することができる。なお、保護キャップをセラミック配線基板に非接着の状態で保持させる方式とは、嵌合や圧入などを挙げることができる。

[0011] さらに、上記のガスセンサであって、前記セラミック配線基板は、複数のセラミック絶縁層を積層した積層構造を有し、当該セラミック配線基板の外側面のうちで最表面となる表面最外層以外の層の外側面に窪み部を備え、前記保護キャップは、前記セラミック配線基板の外側面に沿うように垂下突起部を有しており、前記垂下突起部には前記窪み部に嵌合する嵌合突起が形成されてヽるガスセンサとすると良、。

[0012] 保護キャップをセラミック配線基板に非接着の状態で保持させる構造として、積層構造のセラミック配線基板のうちで最表面となる表面最上層以外の層の外側面に窪み部を形成し、保護キャップの垂下突起部に形成した嵌合突起をこの窪み部に嵌合させる構造を採用することにより、保護キャップを安定してセラミック配線基板に保持させることができる。また、本発明のガスセンサでは、セラミック配線基板に保護キヤップを容易に装着することができるので、セラミック配線基板に対する保護キャップの装着工程が複雑ィ匕しな、と、つた利点もある。 [0013] さらに、上記のガスセンサであって、前記セラミック配線基板は、積層構造の積層方向に沿ってみたときに略四角形の形状をなしており、前記窪み部は、少なくとも前記外側面のうちで対向する 2面に設けられているガスセンサとすると良い。

[0014] 本発明のガスセンサでは、略四角形状をなすセラミック配線基板の外側面のうちで少なくとも対向する 2面に窪み部を設け、この窪み部に保護キャップの垂下突起部に形成された嵌合突起を各々嵌合させるので、確実に保護キャップを配線基板に固定することができる。

[0015] さらに、上記のガスセンサであって、前記セラミック配線基板の前記外側面には、前記窪み部に前記嵌合突起が嵌合する位置まで前記垂下突起部を案内する案内凹部が設けられて、るガスセンサとすると良、。

[0016] 本発明のガスセンサでは、セラミック配線基板の外側面に設けられた案内凹部により、保護キャップの垂下突起部を窪み部に嵌合突起が嵌合する位置まで良好に案内するので、保護キャップのセラミック配線基板への固定が容易にでき、保護キャップの誤装着を防ぐことができる。

[0017] また、上記のガスセンサであって、前記ガス検出素子は、ダイアフラム構造部を有し、当該ダイアフラム構造部にガス検出部を備える一方、前記保護キャップは、前記セラミック配線基板のうちで前記ガス検出素子が搭載される搭載面に向かい合う天井部に複数の前記ガス取入れ口を有しており、前記複数のガス取入れ口は、いずれも、上記天井部外部から前記搭載面に直交する方向に沿って見たとき、当該ガス取入れ口を通じて前記ガス検出素子のダイアフラム構造部が視認できな、関係を満たすよう形成されて、るガスセンサとすると良、。

[0018] 近年、ガス検出素子として、ガス検出部を、シリコンの微細加工技術を用いて形成されるダイアフラム構造部上に形成したものが知られている。この構造のガス検出素子では、ダイアフラム構造部が薄板に形成されているので、ガス検出部とシリコン基板本体とを熱的に隔離することができ、ガス検出精度を高めることができるといった利点がある。

ところで、このようなダイアフラム構造部を有したガス検出素子を上述したガスセンサに適用した場合、ガス取入れ口力進入した異物がダイアフラム構造部に衝突すると、ガス検出素子の性能が低下するだけでなぐ薄板のダイアフラム構造部が破損するという問題点がある。

[0019] これに対し、本発明のガスセンサでは、複数のガス取入れ口は、いずれも、天井部外部からセラミック配線基板のガス検出素子が搭載する搭載面に直交する方向に沿つて見たとき、即ち天井部の真上力上記搭載面に直交する方向に見たとき、ガス取入れ口を通じてガス検出素子のダイアフラム構造部が視認できない関係を満たすよう形成されている。これにより、ガス取入れロカも進入した異物がダイアフラム構造部に形成されたガス検出部に付着し難くなる。また、ガス取入れ口を通して異物が直接ダィァフラム構造部に衝突し難ぐ異物の衝突の影響によりダイアフラム構造が破損することを効果的に防止することができる。

[0020] また、上記のガスセンサであって、前記ガス検出素子には、素子側電極が設けられ、前記セラミック配線基板には、基板側電極が設けられ、さらに、前記素子側電極と前記基板側電極とを接続する接続部が設けられ、前記複数のガス取入れ口は、いずれも、上記天井部外部力前記搭載面に直交する方向に沿って見たとき、当該ガス取入れ口を通じて前記接続部が視認できなヽ関係を満たすよう形成されてヽるガスセンサとすると良い。

[0021] 本発明のガスセンサでは、複数のガス取入れ口は、いずれも、天井部外部からセラミック配線基板のガス検出素子が搭載する搭載面に直交する方向に沿って見たとき、即ち天井部の真上力上記搭載面に直交する方向に見たとき、ガス取入れ口を通じて素子側電極と基板側電極とを繋ぐ接続部が視認できない関係を満たすよう形成されている。これにより、ガス取入れロカも進入した異物が接続部に付着し難ぐまた、異物が接続部の配線間を短絡させることを防止することができる。

[0022] または、上記のガスセンサであって、前記ガス検出素子は、ダイアフラム構造部を有し、当該ダイアフラム構造部にガス検出部を備える一方、前記セラミック配線基板は、複数のセラミック絶縁層の間に内部配線層が形成された積層構造を有しており、前記複数のセラミック絶縁層のうちで前記ガス検出素子が搭載されるセラミック絶縁層の前記ダイアフラム構造部に対面する部位に窪みが形成されているガスセンサとすると良い。 [0023] 上述したように、近年では、ガス検出素子として、ガス検出部をダイアフラム構造部上に形成したものが出始めている。そして、このようなダイアフラム構造部を有するガス検出素子では、ダイアフラム構造部に形成されたマイクロヒータ等によりガス検出部の加熱制御を行った場合に、ダイアフラム構造部の内圧が上昇して同構造部が破損する可能性がある。

[0024] これに対し、本発明のガスセンサでは、セラミック配線基板が複数のセラミック絶縁層の間に内部配線層が形成された積層構造を有しているので、ガス検出素子及び外部電極間の配線の自由度を高めることができる。

また、複数のセラミック絶縁層のうちガス検出素子が搭載されるセラミック絶縁層のダイアフラム構造部に対面する部位に窪みが形成されているので、ダイアフラム構造部に形成されたマイクロヒータ等によりガス検出部の加熱制御を行った場合に、ダイァフラム構造部の内圧が上昇して同構造部が破損するのを防止することができる。

[0025] また、上記のガスセンサであって、前記セラミック配線基板のうちで前記ガス検出素子が搭載される側とは反対側に位置する底面は略平面に形成され、前記底面には当該ガスセンサが固着される回路基板に電気的に接続される外部電極が設けられて V、るガスセンサとすると良!、。

[0026] 本発明のガスセンサでは、セラミック配線基板の底面を略平面に形成し、この底面にガス検出素子に接続される外部電極を形成したので、ガスセンサが実装されることになる回路基板に対して、セラミック配線基板 (ガスセンサ自身)を面実装することができる。これにより、回路基板に実装されるガスセンサの占有率 (実装に占める面積の割合)を最小限に抑えることができると共に、回路基板への実装工程の簡略化を図ることがでさる。

[0027] さらに、上記のガスセンサであって、異なるガス種に反応する複数の前記ガス検出素子が前記セラミック配線基板に搭載されるガスセンサとすると良い。

[0028] 異なるガス種に反応する複数のガス検出素子を 1つのセラミック配線基板に搭載することにより、支持体として機能するセラミック配線基板の個数を増やすことなぐ被測定ガス中の複数種の特定ガスを検出することができる。

なお、異なるガス種としては、具体的に、 NOx等の酸ィ匕性ガスと CO、 HC等の還元性ガスを挙げることができる。

図面の簡単な説明

[0029] [図 1]本発明における一実施形態のガスセンサ 1の分解斜視図である。

[図 2]ガスセンサ 1の平面図である。

[図 3]ガスセンサ 1の底面図である。

[図 4]セラミック配線基板 2の平面図である。

[図 5]図 4の A— A線断面におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。

[図 6]ガス検出素子 8のガス検出部 12の平面図である。

[図 7]保護キャップ 3を外した状態を示すセラミック配線基板 2の平面図である。

[図 8]図 7に示す B— B線におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。

[図 9]保護キャップ 3を外した状態を示すセラミック配線基板 2の平面図である。

[図 10]図 9に示す D— D線におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。

[図 11]図 2に示す C C線断面におけるガスセンサ 1の矢視方向断面である。

[図 12]本発明における別実施形態 (変形形態)のガスセンサ 100の分解斜視図である。

[図 13]図 12に示す E— E線におけるガスセンサ 100の断面図である。

符号の説明

[0030] 1, 100 ガスセンサ

2 セラミック配線基板

3, 103 保護キャップ

4 第一層（セラミック絶縁層）

5 第二層（セラミック絶縁層）

5A 内圧調整用窪み

6 第三層（セラミック絶縁層）

6B, 6D ダイァフラム構造部

6E, 6F, 6G 内圧放出孔

7 第四層（セラミック絶縁層）

8, 9ガス検出素子 12, 13 ガス検出部

12A 検知電極

14A-14D 接続電極

15A-15D 接続電極

16A, 16B, 18A, 18B 接続電極

17 共通電極

20A— 20D Auワイヤ

21A—21D Auワイヤ

30 天井部

31— 39 通気孔（ガス取入れ口）

51A—51F 外部電極

131— 137 通気口（ガス取入れ口）

131A— 137A 爪状部

S ガス測定空間

発明を実施するための最良の形態

[0031] 以下、本発明における一実施形態のガスセンサ 1について図面を参照して説明する。まず、図 1一図 3を参照して、ガスセンサ 1の外部形状について説明する。図 1は本発明における一実施形態のガスセンサ 1の分解斜視図であり、図 2はガスセンサ 1 の平面図であり、図 3はガスセンサ 1の底面図である。本発明は、被測定ガス中の特定ガスを検出する各種のガスセンサに適用できるが、本実施の形態のガスセンサ 1は、一例として、 CO、 HC等の還元性ガスや NOx等の酸化性ガスの濃度変化を検出するガスセンサを例に説明する。このガスセンサ 1は、例えば、自動車のエンジンルーム内のフロントグリル近傍に設けられ、環境気体中の COや HC、あるいは NOxの濃度変化を検出して、空調制御装置の外気導入と内気循環を切り替える空調用センサに用いられるものである。

[0032] 図 1及び図 2に示すように、このガスセンサ 1は、略直方体形状に形成されており、セラミック配線基板 2に形成されたキヤビティの開口部を覆うように、セラミック配線基板 2に保護キャップ 3が、図 1において、上方カゝら装着されている。セラミック配線基板 2は、積層構造となっており、キヤビティ内にダイアフラム構造に形成されたガス検出素子 8、 9が搭載されている。また、保護キャップ 3は、平面状の天井部 30と、この天井部 30から図 1において下方に延びる垂下突起部 41, 42とを有しており、一例として、ステンレス鋼板のプレス成形により形成される。天井部 30は平面視略長方形に形成されており、この天井部 30には、被測定ガスがガスセンサ 1の内部（キヤビティ内 )に入るための平面視、略円形の通気孔 31, 32, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 3 9が設けられている。そして、この保護キャップ 3がセラミック配線基板 2に装着されることで、セラミック配線基板 2との間でガス測定空間 Sを形成することになる。なお、通気孔 31— 39が、本発明の「ガス取入れ口」に相当し、これらの通気孔 31— 39を通じて外部力ガス測定空間 Sに被測定ガスが導かれる。

[0033] また、図 3に示すように、ガスセンサ 1の底面 1 A (換言すれば、セラミック配線基板 2 の底面）は、略長方形の平面に形成されており、その底面 1Aには、図示外の回路基板と半田付け等により接合される略長方形の外部電極 51A, 51B, 51C, 51D, 51 E, 51Fが設けられている。この外部電極 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51Fの表面には、一例として Auメツキ膜が形成されて、る。

[0034] 次に、図 1,図 3—図 5を参照して、ガスセンサ 1を構成するセラミック配線基板 2の構造の詳細について説明する。図 4は、セラミック配線基板 2の平面図であり、図 5は、図 4の A— A線断面におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。図 1及び図 5に示すように、セラミック配線基板 2は、図 1において、下部から上部に向けて第一層 4、第二層 5、第三層 6、第四層 7の 4層からなるセラミック絶縁層（アルミナ絶縁層）が積層された Al O (アルミナ)焼結体力ゝらなる平面視略長方形の積層構造体

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である。ここで、本明細書では、セラミック配線基板 2のうちガス検出素子 8, 9が搭載される側を表面とし、その反対側を底面とする。即ち、本実施の形態におけるガスセンサ 1のセラミック配線基板 2 (積層構造体）において、キヤビティが形成され、 2つのガス検知素子 8, 9が搭載される側を表面とし、その反対側を底面 1Aとする。なお、セラミック配線基板 2の表面とは、表面力も底面に向力方向にセラミック配線基板 2を見たときに目視できる部位を意味する。なお、積層構造体の第一層 4一第三層 6の表面には、図示外の内部配線が形成され、内部配線層を構成している。 [0035] また、図 1及び図 4に示すように、配線基板 2の長手方向外側面 2P及び 2Qには、第一層 4一第四層 7を貫通して、配線基板 2の積層方向に平面視、略円弧状の凹部 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 21, 2J, 2K, 2L, 2M, 2Nが各々設けられている。また、セラミック配線基板 2の短手方向の一方の側面（図 1における左側面） 2Sには、第一層 4一第四層 7を貫通して、案内凹部 2Aが設けられ、側面 2Sと対向する他方の側面（図 1における右側面） 2Rにも、第一層 4一第四層 7を貫通して案内凹部 2Bが設けられている。

[0036] また、図 3及び図 5に示すように、最下層の第一層 4の短手方向の一方の側面 2Sには、セラミック配線基板 2の長手方向における案内凹部 2Aより深い窪みである嵌合部 4Aが設けられ、第一層 4の右側の側面 2Rにも、案内凹部 2Bより深い窪みである嵌合部 4Bが設けられている。これらの嵌合部 4A, 4Bには、後述する保護キャップ 3 の垂下突起部 41の嵌合突起 41Aと、垂下突起部 42の嵌合突起 42Aとが各々進入して係合するようになって、る。

[0037] さらに、図 4及び図 5に示すように、第二層 5の短手方向中央部には、後述するダイァフラム構造内の内圧を調整する内圧調整用窪み 5Aが長手方向に延設されている。また、第三層 6の中央付近には、第三層 6を貫通する貫通孔が形成されており、第四層 7の中央付近には、第四層 7を貫通し第三層 6の貫通孔よりも大きな開口の貫通孔が形成されており、これら貫通孔を形成する壁面によってキヤビティが形成されている。そして、第三層 6の貫通孔内には、平面視略長方形の板状のガス検出素子 8, 9が並列に配置されて、第二層 5の上面に接着されている。尚、第三層 6の貫通孔を形成する壁面とガス検出素子 8, 9との間、或いは、各ガス検出素子 8, 9の間には、内圧調整用窪み 5A内の気圧が高まった場合に、内圧調整用窪み 5A内の空気を外部に放出して、外気圧と同じにするための内圧放出孔 6E, 6F, 6Gが形成されている。さらに、図 1及び図 5に示すように、第三層 6上には第四層 7が積層され、当該第四層 7には、平面視、略長方形の開口部 7Aが形成され、ガス検出素子 8, 9が露出するようになっている。

[0038] 次に、図 1,図 4一図 6を参照して、ガス検出素子 8, 9の構造を説明する。図 6は、ガス検出素子 8のガス検出部 12の平面図である。これらのガス検出素子 8, 9には、各々、被測定ガス中の特定ガスを検出する平面視略正方形のガス検出部 12, 13が形成され，その背面には、図 5に示すように、各々、窪み部 6A, 6Cが形成され、ダイァフラム構造部 6B, 6Dとなっている。なお、ダイアフラム構造部 6B, 6Dには、図示外の Pt配線力構成されたマイクロヒータが組み込まれている。また、図 4に示すように、ガス検出部 12は、略縦長の長方形をなすガス検出素子 8の上面において、後側の側面 2Q寄りに設けられている。ガス検出部 13もガス検出素子 9の上面に同様に配置されている。ガス検出素子 8のガス検出部 12は、図 6に示すように、平面視、略正方形であり、その中央部には、図示外のガス感応膜に接して形成された検知電極 12 Aが設けられている。また、ガス検出部 13もガス検出部 12と同様の構造となっている

[0039] さらに、ガス検出素子 8の上面における短手側の側面 2P寄りの部分（図 4における手前側の部分）には、ガス検出素子 8の出力を外部に取り出すため及びガス検出素子 8への電源供給のための接続電極 14A, 14B, 14C, 14Dの電極パッドが形成されている。また、同様に、ガス検出素子 9の上面における短手側の側面 2P寄りの部分には、接続電極 15A, 15B, 15C, 15Dの電極パッドが形成されている。さらに、接続電極 14A— 14D, 15A— 15D近傍の第三層 6の上面には、接続電極 16A, 16 B, 18A, 18B及び共通電極 17の電極パッドが設けられている。接続電極 14A, 14 B, 15C, 15Dは、接続電極 16A, 16B, 18A, 18Bに、各々、 Auワイヤ 20A, 20B , 21C, 21Dによりワイヤボンディング接続され、接続電極 14C, 14D, 15A, 15Bは、共通電極 17に、 Auワイヤ 20C, 20D, 21A, 21Bによりワイヤボンディング接続されている。なお、接続電極 14A— 14D, 15A— 15Dが本発明の「素子側電極」に相当し、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B及び共通電極 17が本発明の「基板側電極」に相当する。また、 Auワイヤ 20A, 20B, 21C, 21Dが本発明の「接続部」に相当する。

[0040] 次に、上記のセラミック配線基板 2の第一層 4一第四層 7の製造工程を説明する。まず、 Al O (アルミナ）グリーンシートを製造工程で使用する適宜の大きさに切断する

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。この切断されたシートは、セラミック配線基板 2の各層を多数連結した状態となるものである。従って、第一層 4が多数連結されたシート (以下、「第一層シート」という。 ) 、第二層 5が多数連結されたシート (以下、「第二層シート」という。）、第三層 6が多数連結されたシート (以下、「第三層シート」という。）、第四層 7が多数連結されたシート (以下、「第四層シート」という。）が各々製造される。次いで、未焼成の第一層シート一第三層シート上に、各々、 W (タングステン)ペーストを印刷して内部配線層となる配線パターンを形成する。そして、第一層シート一第四層シートを積層し、圧着して積層シートを作成する。次いで、その圧着された積層シートを焼成後に個片分割しやすいように切断用溝を入れる。その後、その積層シートを焼成用のサイズに切断して、脱脂処理を行った後に焼成する。次いで、電極に Niメツキ、 Auメツキ等を行い、電気特性、電流のリーク特性、外観等の検査を行って、個別のセラミック配線基板 2に分割する。

[0041] 次に、ガス検出素子 8, 9の製造工程の概略を説明する。まず、ガス検出素子 8, 9 の基材となるシリコンウェハの洗浄を行う。次いで、そのシリコンウェハ上に酸ィ匕ケィ素膜の形成、窒化ケィ素膜の形成を行う。次に、マイクロヒータを形成する。一例として、スパッタリングによる Ta層の形成後、 Pt層を形成し、フォトリソグラフィによりパターンユングを行い、エッチング処理でマイクロヒータを形成する。その後、マイクロヒータを覆うように窒化ケィ素膜を形成する。次いで、マイクロヒータの端部〖こマイクロヒータコンタクト部を形成する。一例としては、窒化ケィ素膜のエッチングを行い、マイクロヒータコンタクト部を形成する。次に、マイクロヒータの上部に検知電極を形成する。一例としては、スパッタリングによる Ti層の形成後、 Pt層の形成を行い、フォトリソグラフィによりパター-ングを行い、エッチング処理で検知電極を形成する。次いで、検知電極の端部及びマイクロヒータの端部にコンタクトパッド (接続電極 14A— 14D, 15A 一 15D)の形成を行う。一例としては、スパッタリングによる Cr層の形成後、 Au層の形成を行い、フォトリソグラフィによりパターユングを行い、エッチング処理で接続電極 14A— 14D, 15A— 15Dの形成を行う。次いで、シリコンの異方性エッチングによるダイアフラム構造部 6B, 6Dの形成、 SnOを主体とする金属酸化物半導体からなる

2

ガス感応膜の形成を行う。その後、シリコンウェハの切断を行い、ガス検出素子 8, 9 を切り出す。

[0042] 次に、図 7及び図 8を参照して、接続電極 14A— 14D, 15A— 15D、接続電極 16 A, 16B, 18 A, 18B,共通電極 17及び Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 2 IB, 21C, 21Dを保護する封止部材 61について説明する。図 7は、保護キャップ 3を外した状態を示す配線基板 2の平面図であり、図 8は、図 7に示す B— B線におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。図 1及び図 4では、図示を省略したが、セラミック配線基板 2には、図 7及び図 8に示すように、第二層 5上に接着剤 62により固着されたガス検出素子 8, 9の接続電極 14A— 14D, 15A— 15D、第三層 6上に形成された接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17及び Auワイヤ 20A, 20

B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dを保護する封止部材 61が設けられている。この封止部材 61は、ガス検出素子 8, 9のガス検出部 12, 13と、接続電極 14A— 14 D, 15A— 15Dとの間に接着された横断面が蒲鋅形状の合成樹脂製 (一例としてェポキシ榭脂製)のダム部材 60と第四層 7との間に充填された合成樹脂製 (一例としてエポキシ榭脂製)の封止部材であり、固化前は流動性を有し、ダム部材 60と第四層 7 との間に充填後に固化されたものである。なお、ダム部材 60は、固化前の封止部材 61が流動して、ガス検出素子 8, 9のガス検出部 12, 13に付着するのを防止している。

[0043] また、接続電極 14A— 14D, 15A— 15D、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17及び Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dは、この封止部材 61により封止されて保護されている。従って、接続電極 14A— 14D, 15A 一 15D、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17及び Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dが、異物により破損したり、異物により短絡することがない。

[0044] 次に、図 9及び図 10を参照して、上記封止部材 61の変形例である封止部材 63を用いたセラミック配線基板 2について説明する。図 9は、保護キャップ 3を外した状態を示すセラミック配線基板 2の平面図であり、図 10は、図 9に示す D— D線におけるセラミック配線基板 2の矢視方向断面図である。このセラミック配線基板 2では、封止部材 63を用いている力封止部材 63は、封止部材 61と異なり、固化前においても高粘度であり、流動性が低い榭脂（一例として高粘度のエポキシ榭脂)である。従って、図 9及び図 10に示すように、封止部材 63がガス検出素子 8, 9のガス検出部 12, 13に付着するのを防止するダム部材 60が不要であり、接続電極 14A— 14D, 15A— 15 D、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17及び Auワイヤ 20A, 20B, 20C , 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dは、この封止部材 63のみで封止されて保護されている。従って、ダム部材 60をガス検出素子 8, 9上に接着する必要がない。

[0045] 次に、図 1一図 3及び図 11を参照して、保護キャップ 3の構造を説明する。図 11は、図 2に示す C C線断面におけるガスセンサ 1の保護キャップ 3のみの矢視方向断面である。図 1,図 2及び図 11に示すように、保護キャップ 3は、先に述べたように、ステンレス鋼板をプレス成型して形成されており、平面視、略長方形の天井部 30と、当該天井部 30の長手方向端面から各々天井部 30と直交し、セラミック配線基板 2の外側面に沿うように下方に折り曲げられた垂下突起部 41, 42とから構成されている。この垂下突起部 41, 42は、各々、略長方形の板状に形成されており、その下端部には、各々、嵌合突起 41A, 42Aが内側に向けてプレス成型により打ち抜かれて突出している。この嵌合突起 41A, 42Aは、図 3及び図 11に示すようにセラミック配線基板 2の外側面のうち対向する 2面に各々設けられた嵌合部 4A, 4Bに各々嵌合するようになつている。

[0046] なお、保護キャップ 3のセラミック配線基板 2への装着時には、垂下突起部 41, 42 力セラミック配線基板 2の長手方向外側面に各々設けられている案内凹部 2A, 2B に案内されて、保護キャップ 3の天井部 30の裏面が第四層 7の上面に当接するまで押し込まれて、垂下突起部 41, 42に各々設けられている嵌合突起 41A, 42Aが嵌合部 4A, 4Bに各々嵌合する。すると、保護キャップ 3が、セラミック配線基板 2に装着固定され、このセラミック配線基板 2との間でガス測定空間 Sを形成する。

[0047] 次に、保護キャップ 3の天井部 30に設けられた通気孔 31— 39の配置について説明する。図 1及び図 2に示すように、保護キャップ 3の天井部 30には、被測定ガスがガスセンサ 1の内部（ガス測定空間 S)に入るための略円形の通気孔 31— 39が貫通形成されている。この通気孔 31— 39は、無作為に設けられているのではなぐ通気孔 31— 39及びダイァフラム構造部 6B, 6Dをガス検出素子 8, 9の表面を水平に延設した平面に正射影した場合に、通気孔 31— 39の正射影像がダイアフラム構造部 6B, 6Dの正射影像に重ならないように、ダイアフラム構造のガス検出部 12, 13の真上を避けて通気孔 31— 39が配置されている。

[0048] 即ち、保護キャップ 3の天井部 30に垂直に視線を置いた場合には、通気孔 31— 3 9からは、ガス検出部 12, 13を目視することができないように通気孔 31— 39が保護キャップ 3の天井部 30に配置されている。従って、異物が環境気体 (被測定ガス）中を落下してきて、通気孔 31— 39を通過しても、異物が直接的にガス検出部 12, 13 に衝突しないようになっている。よって、ガス検出部 12, 13への異物の付着を防止でき、また、極薄いダイアフラム構造部 6B, 6Dが異物の衝突により破損することを防止できる。このように本実施の形態にガスセンサ 1では、複数の通気孔 31— 39は、いずれも、天井部 30の外部からセラミック配線基板 2のガス検出素子 8, 9の搭載面に直交する方向に沿って見たとき、通気孔 31— 39を通じてガス検出素子 8, 9のダイァフラム構造 6B, 6Dが視認できない関係を満たすように形成されて!、る。

[0049] さらに、保護キャップ 3の天井部 30には、チップマウンタの吸着ノズルの当接可能な平面部 30Aが形成されている。従って、ガスセンサ 1は、保護キャップ 3の天井部 30 に、チップマウンタの吸着ノズルの当接可能な平面部 30Aを有し、セラミック配線基板 2の第一層 4の底面 1Aは、略長方形の平面に形成されており、略長方形の外部電極 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51Fが設けられているので、ガスセンサ 1を小型化できると共に、回路基板に電子部品を実装する際にチップマウンタを用いてガスセンサ 1の表面実装が同時に可能である。

[0050] さらに、保護キャップ 3の天井部 30に設けられた通気孔 31— 39は、ガス検出素子 8, 9の表面を水平に延設した平面に、通気孔 31— 39及び接続部である Auワイヤ 2 OA, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dを正射景た場合に、通気孔 31— 39の正射景她カ接続部でぁる八11ヮィャ20八， 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C , 21Dの正射影像に重ならないように、配置されている。即ち、通気孔 31— 39が Au ワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21D (接続部）の真上を避け配置されている。このようにすることにより、通気孔 31— 39からガスセンサ 1内へ進入した異物力 SAuワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dに付着し難く、また、異物力 S接続部である Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21 Dの間を短絡させることを防止できる。このように本実施の形態にガスセンサ 1では、複数の通気孔 31— 39は、いずれも、天井部 30の外部からセラミック配線基板 2のガス検出素子 8, 9の搭載面に直交する方向に沿って見たとき、通気孔 31— 39を通じて接続部である Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21D力見認できない関係を満たすように形成されて、る。

[0051] なお、図 2に示すように、通気孔 31— 39の正射影像が接続部である Auワイヤ 20A , 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dの正射景她及び接続電極 14A— 14D , 15A— 15D、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17の正射影像に重ならないように通気孔 31— 39を配置しても良い。この場合には、通気孔 31— 39からガスセンサ 1内へ進入した異物力 SAuワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21Dだけでなぐ接続電極 14A— 14D, 15A— 15D、接続電極 16A, 16B, 18A, 18B,共通電極 17に付着し難ぐまた、異物がこれらの電極間を短絡させることがない。

[0052] さらに、保護キャップ 3には、図 2に示すように、ガスセンサ 1を図示外の回路基板等にマウントする時に、ガスセンサ 1の向きを確認できるように、方向性の確認用の窪み 40が設けられている。この窪み 40は、保護キャップ 3を平面視した場合に、保護キヤップ 3の一方における長辺の中央部の左寄りに、平面視略円弧状に形成されている

[0053] (変形形態）

次いで、本発明の別実施の形態に力かるガスセンサ 100の説明を、図 12及び図 1 3を参照して行う。このガスセンサ 100は、図 1及び図 2に示す保護キャップ 3の通気孔 31— 39の形態のみが異なり、他の部分は上述した実施の形態に力かるガスセンサ 1と同様である。従って、異なる部分のみを説明し、同様な部分の説明は省略あるいは簡略化する。

[0054] 本別実施の形態のガスセンサ 100を構成する保護キャップ 103は、セラミック配線基板 2に装着されたときに、セラミック配線基板 2との間でガス測定空間 Sを形成するものであり、天井部 30と垂下突起部 41, 42と備えている。そして、保護キャップ 103 の天井部 30には、複数の通気口 131— 137が形成されている。この保護キャップ 10 3では、平面視略長方形状をなす天井部 30の長手方向に対し平行する向きの直線状の切れ目を設け、この切れ目力も特定部位を、一端側が天井部 130の外壁 (平面部 30A)に連なる形態でガス測定空間 Sに向力つて突出させることにより、爪状部 13 1 A— 137Aを有する通気口 131— 137を形成して!/、る。

[0055] この別実施の形態に力かるガスセンサ 100では、爪状部 131A— 137Aに沿って被測定ガスが通気口 131— 137を通して外部からガス測定空間 Sに取れ入れられ、セラミック配線基板 2に搭載されるガス検出素子 8, 9によって特定ガスの濃度変化の検出が行われる。なお、ガスセンサ 100では、保護キャップ 103の天井部 30に爪状部 1 31 A— 137Aを有する通気口 131— 137を形成して!/ヽることから、保護キャップ 103 の天井部 30に垂直に視線を置いた場合、通気口 131— 137を通して、ガス検出素子 8, 9並びに接続部である Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 2 1Dを目視することができな!/、。

[0056] 従って、異物が環境気体 (被測定ガス）中を落下してきて、通気口 131— 137を通過しても、異物が直接的にガス検出部 12, 13並びに接続部である Auワイヤ 20A, 2 OB, 20C, 20D, 21A, 21B, 21C, 21D【こ衝突しな!ヽよう【こなって!/ヽる。よって、ガス検出部 12, 13への異物の付着を防止でき、また、極薄いダイアフラム構造部 6B, 6Dが異物の衝突により破損することを防止することができる。また、上記接続部への異物の付着を防止でき、接続部間の短絡を防止することができる。このように別実施の形態にガスセンサ 100においても、複数の通気口 131— 137は、いずれも、天井部 30の外部力もセラミック配線基板 2のガス検出素子 8, 9の搭載面に直交する方向に沿って見たとき、通気孔 131— 137を通じて、ガス検出素子 8, 9のダイアフラム構造 6B, 6D並びに接続部である Auワイヤ 20A, 20B, 20C, 20D, 21A, 21B, 21 C, 21Dが視認できない関係を満たすように形成されている。なお、上述した通気口 131— 137が、本発明の「ガス取入れ口」に相当する。

[0057] 以上において、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなぐその要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはヽうまでもな!/ヽ。

例えば、ガスセンサ 1の配線基板 2は 4層の積層構造となっている力必ずしも 4層構造に限られず、 2層、 3層、 5層、 6層等の複数層の積層構造であれば良い。また、ガスセンサ 1は、ガス検出素子を 2つ組み込んでいる力これは、 1つでも、 3つでも良い。さらに、ガス検出素子 8, 9に形成されるガス検出部 12, 13は被測定ガス中の特定ガスを検出することができればその材質は特に限定されず、また厚膜形成されたものであっても薄膜形成されたものであっても良！、。

Claims

請求の範囲

[1] ガス検出素子と、

前記ガス検出素子を搭載するセラミック配線基板と、

前記ガス検出素子を覆うように前記セラミック配線基板に装着される保護キャップであって、

前記セラミック配線基板に装着されたときに、当該セラミック配線基板とでガス測定空間を形成すると共に、外部力前記ガス測定空間に被測定ガスを導くためのガス取入れ口を有する金属製の保護キャップと、

を備えることを特徴とするガスセンサ。

[2] 請求項 1に記載のガスセンサであって、

前記保護キャップは、前記セラミック配線基板に非接着の状態で保持されて、るガスセンサ。

[3] 請求項 2に記載のガスセンサであって、

前記セラミック配線基板は、複数のセラミック絶縁層を積層した積層構造を有し、当該セラミック配線基板の外側面のうちで最表面となる表面最上層以外の層の外側面に窪み部を備え、

前記保護キャップは、前記セラミック配線基板の外側面に沿うように垂下突起部を有しており、前記垂下突起部には前記窪み部に嵌合する嵌合突起が形成されている

ガスセンサ。

[4] 請求項 3に記載のガスセンサであって、

前記セラミック配線基板は、積層構造の積層方向に沿ってみたときに略四角形の形状をなしており、前記窪み部は、少なくとも前記外側面のうちで対向する 2面に設けられている

ガスセンサ。

[5] 請求項 3又は 4に記載のガスセンサであって、

前記セラミック配線基板の前記外側面には、前記窪み部に前記嵌合突起が嵌合する位置まで前記垂下突起部を案内する案内凹部が設けられているガスセンサ。

[6] 請求項 1乃至請求項 5のいずれか一項に記載のガスセンサであって、

前記ガス検出素子は、ダイアフラム構造部を有し、当該ダイアフラム構造部にガス検出部を備える一方、

前記保護キャップは、前記セラミック配線基板のうちで前記ガス検出素子が搭載される搭載面に向かい合う天井部に複数の前記ガス取入れ口を有しており、

前記複数のガス取入れ口は、いずれも、上記天井部外部から前記搭載面に直交する方向に沿って見たとき、当該ガス取入れ口を通じて前記ガス検出素子のダイァフラム構造部が視認できない関係を満たすよう形成されてヽる

ガスセンサ。

[7] 請求項 6に記載のガスセンサであって、

前記ガス検出素子には、素子側電極が設けられ、

前記セラミック配線基板には、基板側電極が設けられ、

さらに、前記素子側電極と前記基板側電極とを接続する接続部が設けられ、前記複数のガス取入れ口は、いずれも、上記天井部外部から前記搭載面に直交する方向に沿って見たとき、当該ガス取入れ口を通じて前記接続部が視認できな、関係を満たすよう形成されてヽる

ガスセンサ。

[8] 請求項 1乃至請求項 7のいずれか一項に記載のガスセンサであって、

前記セラミック配線基板は、複数のセラミック絶縁層の間に内部配線層が形成された積層構造を有しており、

前記複数のセラミック絶縁層のうちで前記ガス検出素子が搭載されるセラミック絶縁層の前記ダイアフラム構造部に対面する部位に窪みが形成されている

ガスセンサ。

[9] 請求項 1乃至請求項 8のいずれか一項に記載のガスセンサであって、

前記セラミック配線基板のうちで前記ガス検出素子が搭載される側とは反対側に位置する底面は略平面に形成され、前記底面には当該ガスセンサが固着される回路基板に電気的に接続される外部電極が設けられている

ガスセンサ。

請求項 1乃至請求項 9のいずれか一項に記載のガスセンサであって、異なるガス種に反応する複数の前記ガス検出素子が前記セラミック配線基板に搭載される

ガスセンサ。