(57)【要約】【課題】断熱性を向上することができるセンサ保持基板及びセンサモジュールを提供する。【解決手段】発熱部又は感熱部を有するセンサ１４を保持するセンサ保持基板１２Ａであって、基板本体１６と、前記基板本体１６に一端が支持された複数の電極２０，２２，２４，２６とを備え、前記基板本体１６表面との間に断熱空間１９を介して前記複数の電極２０，２２，２４，２６の他端において前記センサ１４を支持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部又は感熱部を有するセンサを保持するセンサ保持基板であって、
基板本体と、
前記基板本体に一端が支持された複数の電極と
を備え、
前記基板本体表面との間に断熱空間を介して前記複数の電極の他端において前記センサを支持するセンサ保持基板。
【請求項２】
前記電極は、前記基板本体表面から突出した台座部に支持されたパッド部と、前記パッド部に一体に形成され前記断熱空間へ突き出した梁部とを有する請求項１記載のセンサ保持基板。
【請求項３】
前記電極は、前記基板本体表面に対し垂直方向に延びた柱状部を有する請求項１記載のセンサ保持基板。
【請求項４】
前記電極は、半田ボールを有する請求項１記載のセンサ保持基板。
【請求項５】
前記梁部は、一端から他端へ向かって先細形状である請求項２記載のセンサ保持基板。
【請求項６】
前記梁部は、少なくとも１つの屈曲部を有する請求項２記載のセンサ保持基板。
【請求項７】
前記梁部の先端には前記センサとの間に配置される接合部が設けられ、前記接合部はＡｕＳｎ、ＡｕＡｌ、ＡｕＡｇのいずれかを含む請求項２記載のセンサ保持基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項記載のセンサ保持基板と、前記複数の電極の他端に支持されたセンサとを備えるセンサモジュール。
【請求項９】
前記センサの幅方向長さは、前記電極の幅方向長さの１〜３倍である請求項８記載のセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ保持基板及びセンサモジュールに関し、特に発熱部又は感熱部を有するセンサを備えるセンサモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサとして、例えば産業用途向けガスセンサは、高い信頼性のある巻き線型ガスセンサが現在でも主流である。しかし巻き線型ガスセンサは、消費電力が大きく、量産性・耐衝撃性が低いという問題がある。これに対し、量産性・耐衝撃性に優れたＭＥＭＳ式ガスセンサの開発・製品化がなされているが、感ガス材の体積が小さくなるため、長期安定性に課題がある。耐衝撃性や長期安定性を重要視する製品においては、積層セラミック技術を用いたガスセンサが用いられている（例えば、特許文献１）。上記特許文献１には、複数のセラミックシートを重ねて形成されたＮＯｘを検出するセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８６４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の場合、開口部を有するセラミックシートを中間に挟むことにより、内部に中空部を設ける構造であるため、センサが大型化してしまい、消費電力が増大してしまう、という懸念がある。センサの消費電力を低減するには、センサで発生した熱を他へ逃がさずにセンサに留めておくことが有効である。
【０００５】
本発明は、断熱性を向上することができるセンサ保持基板及びセンサモジュール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】
本発明に係るセンサ保持基板は、発熱部又は感熱部を有するセンサを保持するセンサ保持基板であって、基板本体と、前記基板本体に一端が支持された複数の電極とを備え、前記基板本体表面との間に断熱空間を介して前記複数の電極の他端において前記センサを支持する。
【０００７】
本発明に係るセンサモジュールは、上記センサ保持基板と、前記複数の電極の他端に支持されたセンサとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基板本体から浮いた状態でセンサを支持し、センサで生じた熱が基板本体に直接伝わるのを防ぐことにより、断熱性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係るセンサモジュールを示す斜視図である。
【図２】センサを示す斜視図であり、図２Ａは底面から見た斜視図、図２Ｂは感ガス基板の斜視図である。
【図３】本実施形態に係るセンサモジュールの縦端面図である。
【図４】本実施形態に係るセンサモジュールの製造方法を段階的に示す縦端面図であり、図４Ａは基板を用意した段階、図４Ｂはホトレジストを選択的に除去した段階、図４Ｃは金属膜の一部をエッチングにより除去した段階、図４Ｄは電極上にセンサを固定した段階、図４Ｅは基板本体の一部をエッチングにより除去した段階を示す図である。
【図５】電極の変形例を示す平面図である。
【図６】変形例（１）に係るセンサモジュールの縦端面図であり、図６Ａはピラーを用いた例、図６Ｂは半田ボールを用いた例を示す図である。
【図７】変形例（２）に係るセンサモジュールの平面図である。
【図８】変形例（２）に係るセンサモジュールのエッチング工程を段階的に示す縦断面図であり、図８Ａは初期段階、図８Ｂは終了段階を示す図である。
【図９】変形例（３）に係るセンサモジュールのセンサを示す平面図である。
【図１０】変形例（４）に係る梁部の長さが異なるセンサモジュールを示す平面図であり、図１０Ａは１．０ｍｍ、図１０Ｂは１．５ｍｍ、図１０Ｃは２．０ｍｍ、図１０Ｄは２．０ｍｍでかつ屈曲部を有する場合の図である。
【図１１】梁部の長さと断熱性との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
（全体構成）
図１に示すように、センサモジュール１０Ａは、センサ保持基板１２Ａと、センサ１４とを備える。センサ保持基板１２Ａは、平板矩形状の基板本体１６と、第１電極２０，第２電極２２，第３電極２４，第４電極２６とを有する。基板本体１６は、フレキシブルプリント基板や、表面に酸化膜を有するＳｉ基板を用いることができる。基板本体１６の一表面には、複数、本実施形態の場合４個の台座部１８が形成されている。当該台座部１８は、基板本体１６の一表面から突出した突起であり、基板本体１６の対向する辺にそれぞれ２個ずつ、平行に配置されている。センサ１４とセンサ保持基板１２Ａの間を空気断熱する観点から、台座部１８の高さは、10μｍ以上が好ましい。
【００１２】
第１電極２０，第２電極２２，第３電極２４，第４電極２６は、台座部１８にそれぞれ１個ずつ固定されている。本明細書では、第１電極２０，第２電極２２，第３電極２４，第４電極２６を特に区別しない場合、総称して電極と呼ぶ。電極は、銅や金などの導電性材料で形成されている。電極は、台座部１８に固定されたパッド部２１と、パッド部２１に一体に形成され、基板本体１６の中央に向かって突出した梁部２３とを有する。パッド部２１は、図示しない外部配線と電気的に接続するため、大きい表面積を有するのが好ましい。本図の場合、パッド部２１は正方形状である。梁部２３は、センサ１４から基板本体１６への熱伝導を抑制するため、幅方向長さがパッド部２１の一辺の長さより短い縦長矩形状であり、基端がパッド部２１の一辺の中央に接続されている。梁部２３は、例えば、幅方向長さが500〜1000μｍ、厚さが0.2〜1.0μｍである。
【００１３】
センサ１４は、平板矩形状であり、発熱部（本図には図示しない）を有するガスセンサである。センサ１４は、基板本体１６の中央に配置される。センサ１４は、基板本体１６に接触せずに、第１電極２０，第２電極２２，第３電極２４，第４電極２６によって保持されている。
【００１４】
図２Ａに示すように、センサ１４は、感ガス基板３２と、当該感ガス基板３２に重ねて設けられた加熱基板３４とを有する。加熱基板３４は、表面の四隅近傍に、合計４個設けられた第１実装パッド３０，第２実装パッド３１，第３実装パッド３３，第４実装パッド３５を有する。感ガス基板３２は、感ガス材としてのＳｎＯ２（酸化第二錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｆｅ２Ｏ３（三酸化二鉄）を含有したセラミックス基板である。
【００１５】
発熱部３６は、加熱基板３４の表面に設けられている。発熱部３６は、金や白金などの発熱体材料で形成された金属膜である。加熱基板３４は、セラミックス基板である。発熱部３６は、感ガス基板３２の全体を加熱するように、加熱基板３４の表面をジグザグに蛇行して形成されている。発熱部３６の一端は第１実装パッド３０、他端は第２実装パッド３１と一体に形成されている。
【００１６】
図２Ｂに示すように、感ガス基板３２は、第１電極パッド３７，第２電極パッド３９と、第１櫛形電極４１，第２櫛形電極４３とを有する。第１電極パッド３７は、第１櫛形電極４１と一体に形成されており、第２電極パッド３９は、第２櫛形電極４３と一体に形成されている。第３実装パッド３３は、スルーホール（図示しない）を通じて、第１電極パッド３７に接続されている。同様に、第４実装パッド３５は、スルーホール（図示しない）を通じて、第２電極パッド３９に接続されている。
【００１７】
上記のセンサ１４は、積層セラミック技術により形成することができる。センサ１４の大きさは、特に制限されないが、例えば、一辺の長さが0.2〜1.0ｍｍ、厚さが0.02〜0.1ｍｍである。センサ１４は、加熱基板３４を下側、感ガス基板３２を上側にしてセンサ保持基板１２Ａに実装される。
【００１８】
図３に示すように、センサ１４は、両側部において梁部２３の先端に支持されている。梁部２３は、基端がパッド部２１及び台座部１８を介して基板本体１６に支持され、先端が基板本体１６に支持されていない自由端であり、いわゆる片持ち梁構造である。
【００１９】
センサ１４の第１実装パッド３０及び第２実装パッド３１と梁部２３の先端とは、接合部２８を介して、互いに接合されている。本図には表れていないが、センサ１４の第３実装パッド３３，第４実装パッド３５も同様に、別の梁部２３の先端と接合部２８を介して接合されている。接合部２８は、例えば、半田を用いることができる。また接合部２８は、ＡｕＳｎ、ＡｕＡｌ及びＡｕＡｇのいずれか１種を含む。接合部２８に上記共晶材料を用いることによって、センサモジュール１０Ａは、より高温での使用条件でも、安定して使用することができる。
【００２０】
基板本体１６表面の上方に配置されたセンサ１４は、底面１５と、基板本体１６の一表面との間に断熱空間１９が形成された状態で、梁部２３に支持されている。上記のようにして、センサ１４は、基板本体１６に対し、浮いた状態で支持されている。本図の場合、第１実装パッド３０は第３電極２４、第２実装パッド３１は第２電極２２、第３実装パッド３３は第４電極２６、第４実装パッド３５は第１電極２０に、それぞれ接合される。第２電極２２及び第３電極２４間には、加熱用の電圧が印加される。第１電極２０及び第４電極２６間には、検知用の電圧が印加される。
【００２１】
センサモジュール１０Ａの製造方法を、図４を参照して説明する。まず、導電膜が積層された基板、例えばポリイミドで形成された基板本体１６上に銅膜４０を積層した銅ポリイミド基板を用意する（図４Ａ）。銅ポリイミド基板は、フレキシブルプリント回路で用いられる汎用的な基板を用いることができるので、コストを低減することができる。
【００２２】
次いで銅膜上にホトレジスト４２を選択的に形成する（図４Ｂ）。その後ホトレジスト４２が形成されていない部分の銅膜４０を、エッチングにより除去する（図４Ｃ）。次いで、ホトレジスト４２をアセトンなどの有機溶媒を用いて除去する。この段階において、基板本体１６上に、パッド部２１及び梁部２３が形作られる。
【００２３】
続いて接合部２８を介して梁部２３上にセンサ１４を接合する（図４Ｄ）。センサ１４を基板本体１６上に実装する際は、電子部品をプリント基板に配置する実装機を用いることができる。最後に、センサ１４直下を含む基板本体１６の表面をエッチングすると、パッド部以外の部分が等方的にエッチングされることにより台座部１８が形成される（図４Ｅ）。以上により片持ち梁構造の梁部２３が形成され、当該梁部２３により支持されたセンサ１４を有するセンサモジュール１０Ａを形成することができる。
【００２４】
（作用及び効果）
上記センサモジュール１０Ａは、ガス検出時において、第２電極２２及び第３電極２４から第２実装パッド３１及び第１実装パッド３０を通じて電圧を印加することにより、発熱部３６を加熱する。これにより感ガス基板３２が検出対象のガスを検出するのに適した温度に加熱される。この状態でセンサモジュール１０Ａが検出対象のガスを含有する気体に曝されることにより、感ガス基板３２が当該気体に曝されると、感ガス基板３２の電気抵抗値が変動する。感ガス基板３２の電気抵抗値に基づく出力信号が、第３実装パッド３３及び第４実装パッド３５を通じて、第４電極２６及び第１電極２０から出力される。
【００２５】
センサ１４は、積層セラミック技術により形成することができるので、小型化することができる。センサ１４を小型することに伴い、発熱部３６も小型化することができるので、センサモジュール１０Ａは、消費電力を低減することができる。また積層セラミック技術は、多様な電子部品で広く使われている技術であることから、センサ１４は、信頼性を確保したまま、量産性、歩留りを向上することができる。
【００２６】
センサ１４は、基板本体１６から浮いた状態で支持されていることにより、加熱された発熱部３６により生じた熱が基板本体１６に直接伝わるのを防いで、断熱性を向上することができる。このようにしてセンサモジュール１０Ａは、センサ１４の断熱性を向上したことにより、より消費電力を低減することができる。
【００２７】
センサ１４を支持する梁部２３は、幅方向長さがパッド部２１の一辺の長さより短く形成されていることにより、加熱された発熱部３６により生じた熱が基板本体１６へ逃げるのを抑制する。このようにセンサモジュール１０Ａは、センサ１４の断熱性をより向上することができる。なお、従来のガスセンサで用いられているボンディングワイヤに比べ、梁部２３は断面積が大きいので、センサモジュール１０Ａは、機械的強度に優れ、高い耐衝撃性も得られる。
【００２８】
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００２９】
例えば、図５に示すように、電極４４は、パッド部２１と、パッド部２１に接続された基端から、先端へ向かって先細形状の梁部４６とを有することとしてもよい。本図の場合、梁部４６は、基端から第１梁部４８、第２梁部５０、及び第３梁部５２が一体に形成されている。第２梁部５０は、第１梁部４８より幅方向長さが短く形成されている。第３梁部５２は、第２梁部５０より幅方向長さが短く形成されている。第３梁部５２の先端には接合パッド５４が設けられている。接合パッド５４は、センサ１４に設けられた第１実装パッド３０，第２実装パッド３１，第３実装パッド３３，第４実装パッド３５と同じ大きさを有するのが好ましい。発熱部３６を効率的に加熱する観点から、梁部４６の材料は発熱部３６に比べ、単位長さ当たりの電気抵抗が小さい導電性材料が望ましい。一方、梁部４６の断面積、すなわち幅方向長さや厚さを大きくすると、加熱された発熱部３６により生じた熱が基板本体１６へ逃げてしまいやすくなる。本変形例のように、梁部４６が先細形状であることにより、パッド部２１近傍で梁部４６が発熱するのを防ぐとともに、加熱された発熱部３６により生じた熱が梁部４６を通じて基板本体１６へ逃げるのをより抑制することができる。
【００３０】
上記実施形態の場合、センサ１４は片持ち梁構造の梁部２３によって、基板本体１６から浮いた状態で支持されている場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば図６Ａに示すように、センサモジュール１０Ｂは、パッド部２１に接続され、基板本体１６表面に対し垂直方向に延びた柱状部６２を有している。センサ１４は、柱状部６２の先端において、接合部（図示しない）を介して接合されている。柱状部は、電極２１と同様の導電性材料で形成され、その高さは、200〜1000μｍが好ましい。本変形例の場合、基板本体５６に形成される穴の開口は、センサ１４より小さくすることができる。
【００３１】
また図６Ｂに示すように、センサモジュール１０Ｃは、パッド部２１に接続された半田ボール６４を有している。センサ１４は、半田ボール６４の上端において、接合されている。接合後における半田ボールの高さは、100〜500μｍが好ましい。上記センサモジュール１０Ｂ，１０Ｃは、センサ１４を基板本体５６から浮いた状態で支持することができるので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
上記実施形態では、１個の基板本体に対し１個のセンサ１４を接合して、センサモジュール１０Ａを製造する方法について説明したが、本発明はこれに限らない。複数のセンサモジュール１０Ａを作製できるより大きい面積の基板本体に、４個を一組とした電極群を複数形成し、一組ごとにセンサ１４を接合し、基板本体の適所に台座部１８を形成した後、一組に対応した位置で、センサモジュール１０Ａを切り出す。このように製造することにより、一度に複数のセンサモジュール１０Ａを製造することができる。
【００３３】
上記実施形態の場合、センサ１４を４個の電極（梁部）で支持する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、センサ１４の構成に合わせて、２個又は３個の電極（梁部）で支持してもよい。
【００３４】
上記実施形態では、センサ１４が、ガスセンサである場合について説明したが、例えばセンサ１４は、フローセンサ、温度センサ、ボロメータに適用することができる。またセンサ１４は、感熱部を有する例として、赤外線センサなどにも適用することができる。センサモジュールは断熱性が高いので、感熱部を有するセンサ１４の検出感度を向上することができる。
【００３５】
図７を参照して、製造工程を最適化することができる構造について説明する。本図に示すセンサモジュール１０Ｄのセンサ１４の幅方向長さＤ１は、梁部２３の幅方向長さＤ２の１〜３倍である。図８Ａに示すように、基板本体１６の表面を等方性エッチングすると、長さＤ１の方が長さＤ２より長いので、センサ１４よりも梁部２３の方が先に基板本体１６から離れる。さらに等方性エッチングを進めることによって、図８Ｂに示すように、センサ１４が基板本体１６から離れる。したがってセンサ１４の幅方向長さＤ１が、梁部２３の幅方向長さＤ２により近い方が、全体のエッチング時間を短縮することができる。センサ１４の幅方向長さとは、センサ１４が長方形状の場合、対向する長辺の間の長さであり、センサ１４が正方形状の場合、対向する辺の間の長さをいう。本変形例の場合、長さＤ１は、製造工程を最適化するうえで、長さＤ２の１〜３倍であるのが好ましく、１〜２倍であるのがより好ましい。長さＤ１は長さＤ２と等しいのが最も好ましい。
【００３６】
図９に示すように、センサ７０は、複数の開口部７２を格子状に配置した形状でもよい。開口部７２は、センサ１４の厚さ方向に貫通した開口である。開口部７２は、本図の場合、平面視において四角形であるが、本発明はこれに限定されず、例えば、三角形や、六角形などでもよい。本図の場合、開口部７２同士の間隔、及びセンサ７０の外縁と開口部７２の間隔が、幅長さＤ１である。幅長さＤ１を上記範囲に制限することによって、図７に示すセンサモジュール１０Ｄと同様の効果が得られる。
【００３７】
センサが発熱部を有する場合、発熱部で生じた熱は、梁部を通じてパッド部から基板本体へ逃げる。同様に、センサが感熱部を有する場合、外部からセンサへ与えられた熱量によって生じた熱は、梁部を通じてパッド部から基板本体へ逃げる。いずれの場合も、センサから梁部及びパッド部を通じて基板本体へ熱が逃げることによって、消費電力の増加や検出感度の低下を招く。梁部を通じてパッド部から基板本体へ逃げる熱を低減するには、梁部の長さを長くすることが有効である。
【００３８】
梁部は、屈曲部を設けることによって、パッド部からセンサまでの直線距離よりも梁部の長さを長くすることができる。屈曲部は、パッド部と同一平面上に位置するのが、好ましい。同一平面とは、完全な同一平面に限らず、完全な同一平面から若干厚さ方向にずれた平面を含む。センサモジュールは、梁部に屈曲部を設けることによって、断熱性と小型化を実現することができる。さらに、梁部に屈曲部を設けることによって、同じ長さで屈曲部を有さない梁部に比べ、梁部が熱膨張した際、センサと接合部の間に生じる応力を低減することができる。
【００３９】
図１０に示すセンサモジュールのモデルを用いて、パッド部からセンサまでの梁部の長さと断熱性との関係をシミュレーションによって調べた。センサの材質はＡｌ２Ｏ３、環境設定は自然対流とし、センサの温度を４００℃としたときのパッド部の温度を計算して求めた。図１０Ａのセンサモジュール１０Ｅは梁部７４の長さが１．０ｍｍ、図１０Ｂのセンサモジュール１０Ｆは梁部７６の長さが１．５ｍｍ、図１０Ｃのセンサモジュール１０Ｇは梁部７８の長さが２．０ｍｍ、図１０Ｄのセンサモジュール１０Ｈは梁部８０の長さが２．０ｍｍで２個の屈曲部８２を有する例である。その結果を図１１に示す。図１１は、横軸が梁部の長さ（ｍｍ）、左側の縦軸がパッド部の温度（℃）、左側の縦軸が梁部長さ１ｍｍの消費電力に対する消費電力比、○のプロットがパッド部の温度、×のプロットが消費電力を示す。本図から、梁部の長さが短いほど、パッド部の温度及び消費電力比が上昇し、断熱性が低下することが分かった。また梁部の長さが２ｍｍ程度でパッド部温度の低減効果、及び消費電力の低減効果は飽和すると共に、屈曲部を有する場合でもパッド部の温度はほとんど変わらない。このことから、梁部に屈曲部を形成して直線状の梁部よりも長さを長くすることで、センサモジュールは、断熱性と小型化を実現することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  センサモジュール
１２Ａ  センサ保持基板
１４  センサ
１５  底面
１６  基板本体
１８  台座部
１９  断熱空間
２０，２２，２４，２６  第１〜第４電極（電極）
２１  パッド部
２３  梁部
２８  接合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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