(57)【要約】      （修正有）【課題】配線との接合強度が向上して検出対象ガスを安定して検出可能なガス検出素子を提供する。【解決手段】検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス感知層１０７ｂと、ガス感知層に接続されている電極１０７ａと、電極の表面に形成されて配線が接合される感知電極層１０８，１０９と、を有するガス検出素子。【選択図】図３
2018036062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス感知層と、
前記ガス感知層に接続されている電極と、
前記電極の表面に形成されて配線が接合される感知電極層と、を有する
ことを特徴とするガス検出素子。
【請求項２】
前記検出対象ガスを選択的に検出できるように前記ガス感知層を加熱するヒータ層と、
前記ヒータ層の表面に形成されて配線が接合されるヒータ電極層と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス検出素子。
【請求項３】
前記電極と前記感知電極層との間には、前記電極と前記感知電極層とを接合する感知中間層が形成されており、
前記ヒータ層と前記ヒータ電極層との間には、前記ヒータ層と前記ヒータ電極層とを接合するヒータ中間層が形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス検出素子。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載のガス検出素子と、
前記ガス感知層の電気的特性の変化に基づいて前記検出対象ガスを検出する検出部と、を有する
ことを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検出素子及びガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料用ガスや、燃料用ガスが不完全燃焼することで生じた一酸化炭素ガス等を検出するガス検出素子が知られている。このようなガス検出素子として、検知対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化するガス感応部を有する検知素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に係る検知素子では、ガス感応部に接続されている一対の電極に電圧を印加して求められるガス感応部の抵抗値変化に基づいて、検知対象ガスの濃度を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９７４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る検知素子では、電極に接続される配線を通じてガス感応部に電圧が印加される。ここで、電極と配線との接合強度が低いと、微小な衝撃や振動等により電極と配線との接合界面が剥離し、ガス感応部の抵抗値が変動してガス濃度の測定精度が低下する可能性がある。また、電極と配線とが完全に剥離して断線し、検知対象ガスを検出できなくなる可能性がある。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、配線との接合強度が向上して検出対象ガスを安定して検出可能なガス検出素子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】
【０００７】
本発明の一態様におけるガス検出素子によれば、検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス感知層と、前記ガス感知層に接続されている電極と、前記電極の表面に形成されて配線が接合される感知電極層と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、配線との接合強度が向上して検出対象ガスを安定して検出可能なガス検出素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態におけるガス検出装置の概略構成を例示する図である。
【図２】実施形態におけるガスセンサの断面概略図である。
【図３】実施形態におけるガス検出素子の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
図１は、実施形態におけるガス検出装置１００の構成を例示する図である。
【００１２】
図１に示されるように、ガス検出装置１００は、ガスセンサ１、制御部２、警報器３を有する。
【００１３】
ガスセンサ１は、ガス検出素子１０を有し、検出対象ガスを検出する。検出対象ガスは、例えば、燃料用ガス（主成分はメタン）、燃料用ガスが不完全燃焼時に発生する一酸化炭素ガス、水素ガス等である。
【００１４】
制御部２は、駆動部２１及び検出部２２を有し、ガスセンサ１に接続されている。制御部２が有する各部の機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭから読み出してＲＡＭと協働して実行するプログラムや、複数の回路等により実現される。
【００１５】
駆動部２１は、ガス検出素子１０のヒータ層に通電して発熱させることでガス感知層を加熱し、ガス感知層の電気的特性変化に基づいて検出対象ガスを検出できるようにガス検出素子１０を駆動させる。
【００１６】
検出部２２は、ガス検出素子１０のガス感知層の電気的特性の変化を検出し、ガスセンサ１の周囲雰囲気における検出対象ガスの濃度を検出する。より具体的には、検出部２２は、ガス検出素子１０のガス感知層の抵抗値に基づいて検出対象ガスの濃度を検出する。また、検出部２２は、検出対象ガスの濃度が所定値以上の場合に、検出信号を警報器３に送信する。
【００１７】
警報器３は、制御部２に接続されており、検出部２２から検出信号を受信した場合に音を発したりランプを点灯させたりすることで、検出対象ガスが検出されたことを報知する。
【００１８】
なお、ガス検出装置１００には、操作入力を行う操作入力部、制御部２の検出部２２による検出結果を表示する表示部等が設けられてもよい。
【００１９】
図２は、実施形態におけるガスセンサ１の断面概略図である。
【００２０】
図２に示されるように、ガスセンサ１は、ガス検出素子１０、ケース１２、フィルタ体１８、リード端子１９を有する。以下では、ガスセンサ１におけるケース１２の開口１３側を上、リード端子１９側を下として説明するが、ガスセンサ１の取り付け姿勢を限定するものではない。
【００２１】
ガス検出素子１０は、段付き円板状のセンサベース１１の上面に固定されている。ガス検出素子１０の構成については後述する。リード端子１９は、センサベース１１から下方に突出するように設けられており、不図示の配線により上端がガス検出素子１０に接続されている。制御部２が設けられているプリント基板にリード端子１９が接合されることで、ガスセンサ１のガス検出素子１０と、制御部２の駆動部２１及び検出部２２とが接続される。
【００２２】
ケース１２は、筒状に形成されており、下端側がセンサベース１１の周縁に固定されてガス検出素子１０の周囲を覆っている。ケース１２の上壁には、ガスが流通する開口１３が形成されている。
【００２３】
第１メッシュ１５は、開口１３を塞ぐようにケース１２の内部に取り付けられている。第２メッシュ１６は、第１メッシュ１５の下方に所定の間隔を空けてケース１２の内部に取り付けられている。第３メッシュ１７は、第２メッシュ１６の下方に所定の間隔を空けてケース２０の内部に取り付けられている。第３メッシュ１７は、防爆のために２重メッシュとなっている。
【００２４】
第１メッシュ１５、第２メッシュ１６、及び第３メッシュ１７は、それぞれステンレス製のネットであり、第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂの押さえとして機能する。また、第２メッシュ１６は、第１フィルタ１８ａと第２フィルタ１８ｂの仕切りとして機能する。
【００２５】
フィルタ体１８は、ケース１２の開口１３とガス検出素子１０との間に設けられている。フィルタ体１８は、開口１３から流入する検出対象ガスをガス検出素子１０側に通過させ、非検出対象ガスを吸着する。フィルタ体１８は、第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂを有する。
【００２６】
第１フィルタ１８ａは、第１メッシュ１５と第２メッシュ１６との間に設けられており、開口１３から流入する検出対象ガスを通過させて非検出対象ガスを吸着する。第１フィルタ１８ａは、無数の通気孔が形成されているフィルタケース（不図示）と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状（粉状、球状、破砕状）の活性炭とを有する。
【００２７】
第２フィルタ１８ｂは、第１フィルタ１８ａの下側に積層されるように、第２メッシュ１６と第３メッシュ１７との間に設けられている。第２フィルタ１８ｂは、開口１３から流入する検出対象ガスを通過させ、第１フィルタ１８ａを通過した非検出対象ガスを吸着する。第２フィルタ１８ｂは、無数の通気孔が形成されているフィルタケース（不図示）と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状（粉状、球状、破砕状）の活性炭とを有する。
【００２８】
第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂに吸着材として設けられている活性炭は、気相においてファンデルワールス力による物理的吸着を行う。活性炭は、例えば、アルコール蒸気、シロキサン化合物、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣ類等といった非検出対象ガスを吸着し、燃料用ガスの主成分であるメタン、プロパン、ブタン、一酸化炭素、水素等の検出対象ガスは吸着しない。
【００２９】
このため、開口１３からケース１２の内部に流入した非検出対象ガスは、大部分が第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂに吸着し、ガス検出素子１０に到達するのは極微量となる。また、開口１３からケース１２の内部に流入した検出対象ガスは、極微量が第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂに吸着するものの、大部分が第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂを通過してガス検出素子１０に到達する。
【００３０】
このように、ガスセンサ１では、第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂが非検出対象ガスを除去することで、ガス検出素子１０が検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
【００３１】
なお、本実施形態におけるガスセンサ１では、フィルタ体１８が第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂの２つのフィルタで構成されているが、１つ又は３つ以上のフィルタで構成されてもよい。また、第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂの吸着材は、活性炭に限られるものではなく、例えばシリカゲル等であってもよい。また、第１フィルタ１８ａ及び第２フィルタ１８ｂには、それぞれ異なる吸着材が用いられてもよい。
【００３２】
図３は、実施形態におけるガス検出素子１０の断面概略図である。
【００３３】
図３に示されるように、ガス検出素子１０は、シリコン基板１０１、熱絶縁支持層１０２、ヒータ層１０３、電気絶縁層１０６、ガス検出部１０７を有する。なお、図３に示されているガス検出素子１０は、説明のために各部の大きさや厚さが適宜変更されている。
【００３４】
シリコン基板１０１は、ガス検出部１０７に対応する部分に貫通孔１０１ａが形成されている。
【００３５】
熱絶縁支持層１０２は、シリコン基板１０１の貫通孔１０１ａを覆ってダイアフラム構造となるように、シリコン基板１０１の上面に形成されている。熱絶縁支持層１０２は、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａ、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂ、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１０２ｃの三層構造となっている。
【００３６】
熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａは、熱絶縁層である。熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａにより、ヒータ層１０３において生じた熱がシリコン基板１０１に伝わりにくくなる。また、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａは、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるシリコン基板１０１の貫通孔１０１ａの形成を容易にする。
【００３７】
ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂは、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａの上面側に積層されている。ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１０２ｃは、電気絶縁層であり、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂの上面側に積層されている。
【００３８】
ヒータ層１０３は、Ｔａ／ＰｔＷ／Ｔａ膜であり、スパッタリングによりＣＶＤ−ＳｉＯ２層１０２ｃの上面にＴａ膜、ＰｔＷ膜、及びＴａ膜がこの順に連続成膜されることで形成されている。
【００３９】
ヒータ層１０３の表面には、配線が接合されるヒータ電極層１０５が形成されている。ヒータ電極層１０５には、例えばワイヤボンディングにより配線が接合される。ヒータ層１０３とヒータ電極層１０５との間には、ヒータ層１０３とヒータ電極層１０５とを接合するヒータ中間層１０４が形成されている。
【００４０】
ヒータ層１０３は、ヒータ電極層１０５に接合される配線やリード端子１９等を通じて制御部２の駆動部２１に接続され、駆動部２１から通電されて発熱することでガス検出部１０７を加熱する。
【００４１】
電気絶縁層１０６は、例えばＳｉＯ２膜であり、ヒータ層１０３、ヒータ中間層１０４、及びヒータ電極層１０５を覆うように熱絶縁支持層１０２の上面に形成されている。電気絶縁層１０６には、例えばフォトリソグラフィにより配線とヒータ電極層１０５との接合部分に開口１０６ａが形成されている。
【００４２】
ガス検出部１０７は、一対の電極１０７ａ、ガス感知層１０７ｂ、ガス選択燃焼層１０７ｃを有する。
【００４３】
電極１０７ａは、Ｔａ／Ｐｔ膜であり、スパッタリングにより電気絶縁層１０６の上面にＴａ膜、Ｐｔ膜がこの順に連続成膜されることで形成されている。Ｔａ膜により、Ｐｔ膜と電気絶縁層１０６との接合強度が高められている。
【００４４】
電極１０７ａの表面には、配線が接合される感知電極層１０９が形成されている。感知電極層１０９には、例えばワイヤボンディングにより配線が接合される。電極１０７ａと感知電極層１０９との間には、電極１０７ａと感知電極層１０９とを接合する感知中間層１０８が形成されている。電極１０７ａは、感知電極層１０９に接合される配線やリード端子１９等を通じて制御部２の検出部２２に接続されている。
【００４５】
ガス感知層１０７ｂは、各電極１０７ａの少なくとも一部を覆うように電気絶縁層１０６の上面に形成されている。なお、ガス感知層１０７ｂは、例えば、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等の金属酸化物を主成分として形成される。
【００４６】
ガス選択燃焼層１０７ｃは、例えば、Ｐｄ、ＰｄＯ、Ｐｔ等の少なくとも一種の触媒を担持した焼結体である。ガス選択燃焼層１０７ｃは、例えば、触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結体であり、ガス感知層１０７ｂを覆うように形成されている。
【００４７】
ガス選択燃焼層１０７ｃは、検出対象ガスよりも酸化活性の強い還元性の非検出対象ガスの燃焼反応を促進させることで、被検出対象ガスを酸化除去できる。ガス選択燃焼層１０７ｃによってガス感知層１０７ｂに到達する検出対象ガスの濃度が高まり、より高感度に検出対象ガスの検出を行うことが可能になる。なお、ガス選択燃焼層１０７ｃは、例えば、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｉ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ゼオライト等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。
【００４８】
ガス感知層１０７ｂは、例えば、ｎ型金属酸化物半導体のＳｎＯ２層であり、表面に酸素を吸着する。酸素は、電子受容性が強く負電荷吸着するため、ガス感知層１０７ｂの表面に吸着する際に、ガス感知層１０７ｂ内から電子を取り込む。このため、ガス感知層１０７ｂは、表面に酸素が吸着すると内部の電子密度が減少し、導電率が低下して高抵抗化する。
【００４９】
酸素が吸着したガス感知層１０７ｂがヒータ層１０３により３００℃〜５００℃程度に加熱されると、検出対象ガスのＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ等の燃焼反応が起こる。これらの可燃性ガスの燃焼反応により、ガス感知層１０７ｂの表面に吸着している酸素（Ｏ２−）が消費され、吸着酸素にトラップされていた吸着酸素電子が自由電子としてガス感知層１０７ｂ内に戻される。このため、ガス感知層１０７ｂは、内部の電子密度が増加し、導電率が増大して低抵抗化する。
【００５０】
検出対象ガス（ＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ）の燃焼反応式は以下の通りである。
【００５１】
ＣＨ４＋４Ｏ２−（ａｄ）⇒ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋８ｅ
Ｈ２＋Ｏ２−（ａｄ）⇒Ｈ２Ｏ＋２ｅ
ＣＯ＋Ｏ２−（ａｄ）⇒ＣＯ２＋２ｅ
ガス検出装置１００の駆動部２１は、ヒータ電極層１０５に接合されている配線を通じてヒータ層１０３に間欠的に通電することで、ガス感知層１０７ｂを所定の周期で加熱する。検出部２２は、感知電極層１０９に接合されている配線を通じてガス感知層１０７ｂの電気的特性として抵抗値を検出し、検出した抵抗値に基づいて検出対象ガスの濃度を求める。
【００５２】
ガス選択燃焼層１０７ｃは、ガス感知層１０７ｂを覆い、ヒータ層１０３に加熱されて非検出対象ガスを燃焼することで、ガス感知層１０７ｂに到達する検出対象ガスの濃度を高める。ガス選択燃焼層１０７ｃは、例えば、高沸点の炭化水素系ガス、エタノールやＶＯＣ等の非検出対象ガスを選択的に燃焼し、ＣＨ４等の検出対象ガスは通過させる。
【００５３】
本実施形態におけるガスセンサ１では、上記したように、フィルタ体１８において非検出対象ガスが吸着除去されるが、フィルタ体１８を通過した非検出対象ガスはガス選択燃焼層１０７ｃにおいて燃焼される。このため、ガスセンサ１は、ガス検出素子１０のガス感知層１０７ｂに到達する非検出対象ガスが低減され、検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
【００５４】
また、本実施形態におけるガス検出素子１０では、ヒータ層１０３の表面に配線が接合されるヒータ電極層１０５が形成されている。また、電極１０７ａの表面に配線が接合される感知電極層１０９が形成されている。配線が接合されるヒータ電極層１０５及び感知電極層１０９は、例えば、配線材料と合金を形成可能な材料で形成することが好ましい。例えば、配線材料がＡｕの場合には、ヒータ電極層１０５及び感知電極層１０９として、Ａｕ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ合金膜等を形成する。配線材料がＣｕの場合には、ヒータ電極層１０５及び感知電極層１０９として、Ｃｕ膜、Ｃｕ合金膜等を形成する。また、配線材料がＡｌの場合には、ヒータ電極層１０５及び感知電極層１０９として、Ａｌ膜、ＡｌＳｉ膜、Ａｌ合金膜等を形成する。ヒータ電極層１０５、感知電極層１０９、及び配線材料には、接合強度及び熱伝導率が高いＡｕを用いることが好ましい。また、Ｃｕを用いることでコストを低減することができる。
【００５５】
また、ヒータ中間層１０４及び感知中間層１０８は、例えば、Ｔｉ膜、Ｃｒ膜、Ｎｉ膜、Ｔａ膜等である。ヒータ中間層１０４により、ヒータ層１０３とヒータ電極層１０５とが接合される。同様に、感知中間層１０８により、電極１０７ａと感知電極層１０９とが接合される。
【００５６】
本実施形態におけるガス検出素子１０では、上記したように、ヒータ電極層１０５を介してヒータ層１０３と配線とが接続される。また、感知電極層１０９を介して電極１０７ａと配線とが接続される。ヒータ電極層１０５及び感知電極層１０９を、それぞれヒータ層１０３及び電極１０７ａよりも配線との接合強度が高い材料を用いて形成することで、配線と、ヒータ層１０３及び電極１０７ａとの接続信頼性を高めることができる。
【００５７】
このため、衝撃や振動等による配線とヒータ電極層１０５との剥離や断線等が低減し、安定的にヒータ層１０３に通電してガス感知層１０７ｂを所望の温度に加熱することができる。また、同様に配線と感知電極層１０９との剥離や断線等が低減し、ガス感知層１０７ｂにおける抵抗変化の検出結果に基づいて、安定的に且つ高精度に検出対象ガスの濃度を検出することが可能になっている。
【００５８】
以上で説明したように、本実施形態におけるガス検出素子１０によれば、配線との接合強度が向上して安定的に検出対象ガスを検出することが可能になる。
【００５９】
以上、実施形態に係るガス検出素子及びガス検出装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【００６０】
例えば、ヒータ中間層１０４及びヒータ電極層１０５は、ヒータ層１０３の上面全体に設けられなくてもよく、配線との接合部に電極パッドとして部分的に形成されてもよい。同様に、感知中間層１０８及び感知電極層１０９は、電極１０７ａの上面全体に設けられなくてもよく、配線との接合部に電極パッドとして部分的に形成されてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１  ガスセンサ
２  制御部
１０  ガス検出素子
２１  駆動部
２２  検出部
１００  ガス検出装置
１０３  ヒータ層
１０４  ヒータ中間層
１０５  ヒータ電極層
１０７  ガス検出部
１０７ａ  電極
１０７ｂ  ガス感知層
１０７ｃ  ガス選択燃焼層
１０８  感知中間層
１０９  感知電極層
【図１】
2018036062.tif 000003
【図２】
2018036062.tif 000004
【図３】
2018036062.tif 000005