(57)【要約】【課題】ダイヤフラム構造のセンサ素子を備えたシリコン製マイクロセンサにおいて、センサ特性を良好に保ちつつ薄肉部の損傷を確実に防止することを目的とする。【解決手段】ガスセンサ１０の接着用凹部４１の底面４１Ｂには所定の深さの凹所４２が形成されている。この凹所４２は、接着用凹部４１にシート状の接着部材４８を介してセンサ素子５０が接着されたときに密閉状態となる。【選択図】　　　　図２
2004093470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン製基板の薄肉部に検出機構の少なくとも一部が配設されたセンサ素子と該センサ素子の装着用のケースを備えたシリコン製マイクロセンサであって、
前記薄肉部は、前記センサ素子の一部を除去することによって形成されており、
前記センサ素子は、該センサ素子と前記ケースとの間に形成された空隙が気密となるように、該ケースに装着され、
該空隙に連通され、所定容積の内部空間を有する副室を、前記薄肉部から離間した位置に設けた
シリコン製マイクロセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコン製マイクロセンサであって、
前記薄肉部と前記シリコン製基板とにより囲まれた空隙部を、ダイヤフラム室として構成し、
前記空隙には該ダイヤフラム室内の空隙が含まれる
シリコン製マイクロセンサ。
【請求項３】
前記ダイヤフラム室内の空隙の容積が１ｍｍ３以下である請求項２に記載のシリコン製マイクロセンサ。
【請求項４】
前記副室の内部空間の容積は、前記ダイヤフラム室内の空隙の容積と同等以上である請求項２または３に記載のシリコン製マイクロセンサ。
【請求項５】
前記副室は前記ケースに形成された凹所である請求項１ないし４のいずれかに記載のシリコン製マイクロセンサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のシリコン製マイクロセンサであって、
前記センサ素子を前記ケースに装着する接着材を備え、
該接着材を用いた前記センサ素子の装着により、前記副室の内部空間が気密とされた
シリコン製マイクロセンサ。
【請求項７】
前記センサ素子の前記検出機構が配設された側に撥水フィルタを備えた請求項１から６のいずれかに記載のシリコン製マイクロセンサ。
【請求項８】
前記撥水フィルタが、前記薄肉部から離間した状態で設けられた請求項７に記載のシリコン製マイクロセンサ。
【請求項９】
請求項８に記載のシリコン製マイクロセンサであって、
前記センサ素子の前記ケースに装着される装着面の反対側には、前記検出機構からの検出信号を前記ケース側に導く信号線が所定の間隔で複数設置されており、
前記撥水フィルタは、該信号線が設置された部位を含む範囲に、該信号線から離間した状態で設けられた
シリコン製マイクロセンサ。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載のシリコン製マイクロセンサであって、
前記センサ素子は、前記ケースに装着される装着面上に、前記検出機構に接続される電極を備えると共に、
前記ケースは、前記センサ素子が装着される被装着面上に、前記電極に対応する位置関係で、前記電極からの電気信号を受け取る端子を備え、
前記センサ素子の装着面が、導電性を有する接着層を介して前記ケースの被装着面に装着された
シリコン製マイクロセンサ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のシリコン製マイクロセンサであって、
前記センサ素子は、接着層を介して前記ケースに装着されており、
該接着層がシート状の接着部材によって形成された
シリコン製マイクロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出機構を備えたセンサ素子をケースに装着することにより構成されたシリコン製マイクロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン製マイクロセンサは、様々な用途、例えば、ガスの性状変化を検出してガス濃度を測定するといった用途に広く用いられている。このようなシリコン製マイクロセンサに使用されるセンサ素子には、半導体マイクロマシニング技術を用いることにより、検出機構が配設される配設部を該配設部を支持する支持部よりも薄肉（薄膜の状態のものを含む）とした構造を有するものがある。この構造のセンサ素子では、薄肉とされた配設部（以下、薄肉部という）と支持部との間に、薄肉部を内壁の一つとした空隙部が形成される。このような空隙部を備えたセンサ素子の構造のことを、以下、「ダイヤフラム構造」と言う。また、センサ素子に形成された空隙部のことを、以下、「ダイヤフラム部或いはダイヤフラム室」と言う。このようなダイヤフラム構造は、例えば、検出機構がガスの燃焼熱を検出することによりガス濃度を測定するシリコン製マイクロセンサでは、センサ素子において検出機構と他の部位とを熱的に絶縁したり、センサ素子がケースに装着された状態において検出機構の熱容量を小さくする等の役割を果たしている。
【０００３】
このような薄肉部を備えたセンサ素子は、従来、ペースト状の接着剤でケースに装着されていた。このような装着により、ダイヤフラム室内の空隙は、センサ素子が装着されたケース面（被装着面）とセンサ素子の薄肉部との間に気密とされた状態で設けられていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９２３２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の構成では、センサ素子やケースに生じた熱がダイヤフラム室内の空隙に伝達されることにより、気密とされた空隙内の気体（通常は空気）の圧力が上昇し、厚みの薄い薄肉部に損傷を生じるおそれがあった。
【０００６】
一方、ダイヤフラム室内の空隙の気密状態を解除し、この空隙とケースの外側とを連通すれば、空隙内の気体の圧力上昇を抑制することができる。しかしながら、外気が導入された場合に空隙内で結露が生じ得るため、水滴に起因してセンサ特性が劣化してしまうという別の問題を招致するおそれがあった。
【０００７】
そこで本発明は、上記の課題を解決し、ダイヤフラム構造のセンサ素子を備えたシリコン製マイクロセンサにおいて、センサ特性を良好に保ちつつ薄肉部の損傷を確実に防止することを目的として、以下の構成を採った。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明のシリコン製マイクロセンサは、
シリコン製基板の薄肉部に検出機構の少なくとも一部が配設されたセンサ素子と該センサ素子の装着用のケースを備えたシリコン製マイクロセンサであって、前記薄肉部は、前記センサ素子の一部を除去することによって形成されており、
前記センサ素子は、該センサ素子と前記ケースとの間に形成された空隙が気密となるように、該ケースに装着され、
該空隙に連通され、所定容積の内部空間を有する副室を、前記薄肉部から離間した位置に設けたこと
を要旨とする。
【０００９】
本発明のシリコン製マイクロセンサでは、薄肉部から離間した位置に設けられた所定容積の内部空間を有する副室が、前記センサ素子の前記ケースへの装着によってセンサ素子とケースとの間に形成された気密状態の空隙に連通される。このような副室は、薄肉部近傍の温度変化に起因する気体（薄肉部付近に存する気密化された気体）の圧力の変化を緩和する働きを有する。即ち、このような副室を設けることにより、薄肉部付近において気密状態とされる気体（通常は空気）の体積が、副室の内部空間分増大される。従って、センサ素子の装着部位の周辺に熱が加わった場合に、薄肉部付近において気密状態とされた気体の圧力が上昇しにくくなり、薄肉部の損傷が生じにくくなる。加えて、副室の内部空間は気密状態とされるので、ケース外部からの外気の副室への進入が阻止され、副室内で結露が発生しにくくなる。このため、副室に臨むセンサ素子に水滴が付着する蓋然性が低くなり、センサ特性が良好に保たれる。よって、本発明によれば、良好なセンサ特性を維持しつつ、薄肉部の損傷を確実に防止することができる。
【００１０】
センサ素子の一部を除去することにより形成され、センサ素子の薄肉部と前記シリコン製基板とにより囲まれた空隙部を、ダイヤフラム室として構成し、前記空隙にはダイヤフラム室内の空隙が含まれる構成とすることも好適である。こうすれば、センサ素子自体に設けられた空隙が副室の内部空間に繋がり、薄肉部付近において気密状態とされる気体の体積が、更にダイヤフラム室内の空隙分増大される。従って、薄肉部付近において気密状態とされた気体の圧力上昇がより生じにくくなる。
【００１１】
センサ素子自体に形成されたダイヤフラム室内の空隙の容積を１ｍｍ３以下としてもよい。こうすれば、センサ素子が微小な場合にも対応することができる。
【００１２】
副室の内部空間の容積をダイヤフラム室内の空隙の容積と同等以上とすることも望ましい。こうすれば、薄肉部付近において気密状態とされる気体の体積がより一層増大されるので、薄肉部付近において気密状態とされた気体の圧力上昇がより一層生じにくくなる。また、副室がケースに形成された凹所であることも好ましい。
【００１３】
センサ素子をケースに装着する接着材を備え、該接着材を用いた前記センサ素子の装着により、副室の内部空間が気密とされる構成としても差し支えない。こうすれば、センサ素子をケースに接着することによって副室への外気の進入が防止されるので、副室内の結露を防止するために複雑な構造を採る必要がなく、シリコン製マイクロセンサの製造が容易となる。
【００１４】
センサ素子の検出機構が配設された側に撥水フィルタを設けることも好適である。こうすれば、検出対象物が存在する領域で水滴が生じた場合に、この水滴がセンサ素子の薄肉部に及びにくくなる。従って、センサ特性を良好に保つことができる。
【００１５】
撥水フィルタが、薄肉部から離間した状態で設けられる構成としてもよい。こうすれば、撥水フィルタに吸着された水滴成分が薄肉部に及びにくくなる。従って、薄肉部を十全に保護することができる。
【００１６】
センサ素子のケースに装着される装着面の反対側に、検出機構からの検出信号をケース側に導く信号線が所定の間隔で複数設置されている場合には、この信号線が設置された部位を含む範囲に、撥水フィルタを、該信号線から離間した状態で設けることが好ましい。こうすれば、信号線に水滴成分が及びにくくなる。従って、信号線間の短絡を防止することが可能となり、安定した検出動作を確保することができる。
【００１７】
センサ素子が、ケースに装着される装着面上に検出機構に接続される電極を備えると共に、ケースが、センサ素子が装着される被装着面上に、電極に対応する位置関係で、電極からの電気信号を受け取る端子を備えている場合には、センサ素子の装着面を、導電性を有する接着層を介してケースの被装着面に装着する構成を採ることができる。この構成によれば、センサ素子がケースに装着されることにより、電極と端子とが接着層を介して導通される。従って、様々な設置環境下において安定した検出動作を確保することができる。
【００１８】
センサ素子が接着層を介してケースに装着されており、該接着層がシート状の接着部材によって形成された構成を採ってもよい。こうすれば、接着部材の厚みを変えることによりセンサ素子の表面位置を自由に調節することが可能となり、検出の精度を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を、以下の順序で説明する。
Ａ．実施例（接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０）
Ａ−１．接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の全体構成
Ａ−２．センサ素子５０の構成
Ａ−３．素子ケース４０の構成
Ａ−４．接着部材４８の構成
Ａ−５．センサ素子５０と素子ケース４０との導通構造
Ａ−６．ガスセンサ１０の製造工程
Ａ−７．作用効果
Ｂ．変形例
【００２０】
Ａ．実施例：
Ａ−１．接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の全体構成：
図１は本発明の一実施例である接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の平面を示す説明図であり、図２は図１に示した接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を２−２線に沿って切断したときの断面を示す説明図である。
【００２１】
接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０（以下、ガスセンサ１０という）は、可燃性ガスの燃焼に伴って電気抵抗値が変化することを利用して可燃性ガスの濃度を検出するセンサであり、例えば、自動車の燃料電池ユニットに搭載され、水素の漏れを測定する目的などに用いられる。
【００２２】
ガスセンサ１０は、半導体のセンサ素子５０が装着される素子ケース４０と、この素子ケース４０に接続された回路基板８０とを備えている。このように構成されたガスセンサ１０は、図２に太矢印で示すように、素子ケース４０のセンサ素子５０が装着された領域に入ってきた被測定ガスをセンサ素子５０によって検出し、被測定ガス量に対応した電気信号を回路基板８０に出力する。
【００２３】
なお、上記の素子ケース４０を、図２に二点鎖線で示すように、被測定ガスの入口２０ａないし出口２０ｂが形成された合成樹脂製の取付用筐体２０に装着してガスセンサを構成し、被測定ガスの流路を形成するパイプ等に取付用筐体２０を装着してガスセンサを使用することとしてもよい。
【００２４】
Ａ−２．センサ素子５０の構成：
図３はセンサ素子５０を模式的に表わす説明図である。図３（Ａ）はセンサ素子５０の上面を表わしており、図３（Ｂ）はセンサ素子５０の底面を表わしている。図３（Ｃ）は図３（Ｂ）に示したセンサ素子５０を３Ｃ−３Ｃ線に沿って切断したときの断面形状を表わしている。これらの図に示すように、センサ素子５０は、シリコン製基板５１と、絶縁薄膜５２ａ，５２ｂと、検出機構５３と、絶縁保護膜５５とを備えている。
【００２５】
シリコン製基板５１は、縦が３ｍｍ、横が５ｍｍのシリコン製の平板である。シリコン製基板５１の上層には絶縁薄膜５２ａが形成されている。この絶縁薄膜５２ａの表面がセンサ素子５０の素子表面５０Ａとなる。この素子表面５０Ａに後述する検知用ヒータ５３ａが配設される。シリコン製基板５１の下層には、後述する空隙部５１ａに相当する部分を除いて、絶縁薄膜５２ｂが形成されている。この絶縁薄膜５２ｂの表面がセンサ素子５０の素子裏面５０Ｂとなる。この素子裏面５０Ｂが、後述する素子ケース４０の接着用凹部４１の底面４１Ｂに接着部材４８を介して接着される。なお、絶縁薄膜５２ａ，５２ｂは、シリコン製基板５１を酸化することによって形成される酸化膜、ＣＶＤ等によって形成された窒化硅素膜、窒化膜、酸窒化膜、ＴａｘＯｙ膜及びこれらの積層膜等のひとつ以上の膜によって構成される。
【００２６】
検出機構５３は、検知用ヒータ５３ａと、この検知用ヒータ５３ａの上方に位置する触媒膜５３ｂから構成されている。検知用ヒータ５３ａは、通常、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケル−クロム）、Ａｕ（金）およびＣｒ（クロム）等の正の温度抵抗係数が大きい導電体によって形成されている。触媒膜５３ｂは、被測定ガスの燃焼を促す触媒であり、対象となるガスによって適宜材質を選択することができる。例えば、水素ガス等の可燃性ガスに適用する場合には、触媒として、Ｐｔ（白金）及びＰｄ（パラジウム）等の貴金属の単層膜、またはＰｔ（白金）及びＰｄ（パラジウム）等をＡｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉＯ２（酸化シリコン）に担持させたものを用いることができる。また、絶縁保護膜５５との密着強度を向上させるために、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）およびＮｂ（ニオブ）等の金属層を下層に設けることもできる。
【００２７】
センサ素子５０は、既述したダイヤフラム構造を有している。即ち、図３に示すように、検出機構５３が配設される部位の下方には、センサ素子５０の一部を除去することにより、角錐台形状の空隙部５１ａが設けられている。これにより、検出機構５３の配設される部位は、他の部位（絶縁薄膜５２ｂが形成されたシリコン製基板５１を備えた部位　以下、支持部５９という）よりも薄肉の薄肉部５４とされ、支持部５９によって支持される。これにより、薄肉部５４を内壁の一つとした空隙部５１ａ（ダイヤフラム室）内には、薄肉部５４と支持部５９との厚みの差に応じた深さの空隙５１ｂが形成される。本実施例では、空隙５１ｂが、特許請求の範囲における「ダイヤフラム室内の空隙」に相当する。
【００２８】
本実施例では、空隙５１ｂが約１ｍｍ３の容積を有する構成としたが、空隙５１ｂの容積は空隙部５１ａの形状を変更することにより適宜定めることができる。こうした空隙５１ｂの存在により、検出機構５３の熱容量を小さくすることや検出機構５３とシリコン製基板５１とを熱的に絶縁することが可能となる。なお、空隙部５１ａの部位においては、絶縁薄膜５２ｂが形成されず、シリコン製基板５１が露出した状態とされている。
【００２９】
絶縁保護膜５５は、絶縁薄膜５２ａ，５２ｂと同様の材質及び形成方法により作製され、検知用ヒータ５３ａと電極５６との間の配線層等を覆うように配設される。これにより、検知用ヒータ５３ａと電極５６との間の配線の汚染や損傷を防止することができる。
【００３０】
電極５６は、検知用ヒータ５３ａに接続される配線の引き出し部位である。本実施例では、４個の電極５６がコンタクトホールを介して素子表面５０Ａに露出している。電極５６の材質はＡｌ（アルミニウム）またはＡｕ（金）を用いることができる。さらに、Ａｕ（金）を用いる場合は、絶縁保護膜５５との密着強度を向上させるために、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）およびＮｂ（ニオブ）等の金属層を下層に設けることもできる。
【００３１】
Ａ−３．素子ケース４０の構成：
図４は、センサ素子５０が装着される前の接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の平面を示す説明図であり、図５は図４に示した接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を５−５線に沿って切断したときの矢視断面形状を示す説明図である。図４ないし図５に示すように、樹脂成形された素子ケース４０は、被測定ガスが流入される側にセンサ素子５０が配置される配置面４０Ａを備える。この配置面４０Ａには、センサ素子５０が収納される接着用凹部４１が設けられている。この接着用凹部４１の底面４１Ｂに、センサ素子５０の素子裏面５０Ｂが接着部材４８を介して接着される（図２を参照）。
【００３２】
接着用凹部４１の底面には、所定の深さの凹所４２が形成されている。本実施例では、凹所４２の内部空間４２ｂの容積は、センサ素子５０に形成された空隙５１ｂの容積（約１ｍｍ３）と同等である約１ｍｍ３とされている。この内部空間４２ｂの容積は凹所４２の形状を変更することにより適宜定めることができる。本実施例では、上記の凹所４２が、特許請求の範囲における「副室」に相当する。
【００３３】
凹所４２は、センサ素子５０を接着用凹部４１に接着した状態において、センサ素子５０の空隙部５１ａとほぼ対向する位置に形成される（図２を参照）。このため、ガスセンサ１０では、センサ素子５０の空隙部５１ａが素子ケース４０の凹所４２に連通され、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂが凹所４２の内部空間４２ｂに接続されている（図２を参照）。
【００３４】
また、図１ないし図２に示すように、接着用凹部４１の底面における凹所４２の開口面積は、センサ素子５０の素子裏面５０Ｂにおける空隙部５１ａの開口面積よりも若干小さい面積に形成されており、凹所４２は素子裏面５０Ｂにおける空隙部５１ａに包含されている。
【００３５】
Ａ−４．接着部材４８の構成：
以上のように構成されたセンサ素子５０と素子ケース４０とは、接着部材４８によって接着される。この接着部材４８の平面，断面を、それぞれ図６（Ａ），図６（Ｂ）に示した。図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示した接着部材４８を６Ｂ−６Ｂ線に沿って切断したときの矢視断面形状を表わしている。
【００３６】
接着部材４８は表裏両面が粘着面とされたシート状の部材であり、各粘着面は熱硬化性を有する。接着部材４８の平面形状（貼付面積）は、基となるシートを適当な形状に切断することにより、自由に定めることができる。本実施例では、図６（Ａ）に示すように、接着用凹部４１の底面４１Ｂとほぼ同じ面積分の貼付面積を有する接着部材４８を採用している。
【００３７】
接着部材４８の略中央部には、センサ素子５０の素子裏面５０Ｂにおける空隙部５１ａの面積分のシートがくり抜き形状で切除されることにより、穴部４８ｐが形成されている。このような形状を採ることにより、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂは穴部４８ｐを介して凹所４２内の空間４２ｂに繋がっている（図２を参照）。よって、接着部材４８が凹所４２を塞いでしまったり、接着部材４８が凹所４２に侵入してしまうといったことが防止される。
【００３８】
また、穴部４８ｐ内には、穴部４８ｐの開口面積と接着部材４８の厚みとの積に相当する体積分の空隙４８ｂが形成されている。
【００３９】
また、上記のような穴部４８ｐが形成された接着部材４８を用いてセンサ素子５０を接着することにより、空隙部５１ａの外周付近の素子裏面５０Ｂである空隙部外周裏面５０Ｂｇ（図６（Ａ）において斜線ハッチングで示した部分）は、その全面において接着部材４８に接着する。このように空隙部外周裏面５０Ｂｇの全面が接着部材４８に接着することで、センサ素子５０が、該センサ素子５０ないし接着部材４８の内部（素子裏面５０Ｂと底面４１Ｂとの間）に空隙５１ｂおよび空隙４８ｂを残して装着され、空隙５１ｂおよび空隙４８ｂが気密状態となる。加えて、空隙５１ｂおよび空隙４８ｂに対向する位置に設けられた凹所４２内の空間４２ｂが接着部材４８ないしセンサ素子５０によって密閉されるので、相互に連通された空隙５１ｂ，空隙４８ｂおよび空間４２ｂが気密状態とされる。従って、センサ素子５０の素子表面５０Ａ側から回り込んできた外気（図６（Ａ）において白抜き矢印で示す）が空隙５１ｂに進入することを防止することができる。
【００４０】
本実施例では、接着部材４８は、センサ素子５０が接着用凹部４１に完全に接着したときにセンサ素子５０の素子表面５０Ａと素子ケース４０の配置面４０Ａとが略面一となる状態（図２を参照）を実現する厚みｄ１を有する。具体的には、５００μｍの深さの接着用凹部４１に４００μｍの厚みのセンサ素子５０を装着するに際して、１００μｍｍのシート厚の接着部材４８を採用している。この接着部材４８は、シート厚が１０μｍ以上のものの中から好適な厚みのものを適宜選択して採用することができる。なお、将来、センサ素子５０の接着用凹部４１への確実な接着を１０μｍ以下のシート厚で実現する接着部材が出現した場合には、このような接着部材を採用することも可能である。上記の接着部材４８の材料としては、エポキシやポリイミド等を用いることができる。
【００４１】
Ａ−５．センサ素子５０と素子ケース４０との導通構造
素子ケース４０には、センサ素子５０と回路基板８０の間の導通路として４本のリード４５が埋設されている。各リード４５の一端は、素子ケース４０外部に引き出されており、回路基板８０に接続される。各リード４５の他端は、素子ケース４０の配置面４０Ａに露出されており、端子４５ａとして形成されている。この端子４５ａは、素子表面５０Ａの各電極５６との接続に用いられる（図１および図２を参照）。
【００４２】
図１および図２に示したように、信号線５７は、低粘度の絶縁性樹脂材料から形成された充填材５８ｂによりモールドされている。また、素子ケース４０の配置面４０Ａないしセンサ素子５０の素子表面５０Ａには、検出機構５３が設けられた部位と信号線５７が設けられた部位とを区画する区画材５８ａが設けられている。
【００４３】
区画材５８ａは、信号線５７が設けられた部位に流し込まれた充填材５８ｂが検出機構５３が設けられた部位に流れ込むことを防止する役割を果たす。充填材５８ｂは、検出機構５３が設けられた部位に流れ込もうとする際に区画材５８ａにより堰き止められる。こうした区画材５８ａにより、充填材５８ｂが検出機構５３に流出することに起因する検出機構５３の損傷を防止することができる。
【００４４】
なお、上記の充填材５８ｂおよび区画材５８ａの樹脂材料として、エポキシやウレタンなどの樹脂を用い、これらの重合度を変えることにより粘度を調節しても差し支えない。また、樹脂製の板材で形成された区画材５８ａを、素子ケース４０の配置面４０Ａないしセンサ素子５０の素子表面５０Ａに接着する構成としても差し支えない。
【００４５】
上記のように構成されたガスセンサ１０では、検出機構５３に被測定ガスが流入されると、被測定ガス中の水素などの可燃性ガスが触媒膜５３ｂに接触して燃焼し、発生した燃焼熱が検知用ヒータ５３ａに伝わることで、正の抵抗温度係数の材料を用いた検知用ヒータ５３ａの電気抵抗値が増加する。増加後の電気抵抗値は、電気信号の形態で、電極５６，信号線５７，リード４５を通じて回路基板８０に送出される。回路基板８０は、受け取った電気抵抗値を、予め定められた電気抵抗の基準値と比較し、両者の差異に基づいて可燃性ガスの濃度を測定する。
【００４６】
Ａ−６．ガスセンサ１０の製造工程：
次に、本実施例における接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を製造する工程について説明する。
【００４７】
Ａ−６−１．素子ケース４０，回路基板８０，センサ素子５０，接着部材４８の準備：
まず、図３ないし図６に示した形状の素子ケース４０，回路基板８０，センサ素子５０，接着部材４８を準備する。素子ケース４０は、リード４５をインサートした樹脂射出成形により製造することができる。
【００４８】
Ａ−６−２．センサ素子５０の素子ケース４０への接着：
図７は接着用凹部４１にセンサ素子５０が接着され、信号線５７の絶縁処理がなされる様子を示す説明図である。この図７では図２に対応する要部断面の様子を略記して示している。上記のように各部材が準備された後、図７（Ａ）に示すように、素子ケース４０の接着用凹部４１の底面４１Ｂに、接着部材４８を介してセンサ素子５０を装着する。具体的には、まず、底面４１Ｂに接着部材４８を敷設した後、敷設された接着部材４８上に適度に加熱されたセンサ素子５０の素子裏面５０Ｂを配置し、素子表面５０Ａ方向からセンサ素子５０を圧着する。つまり、センサ素子５０から放射される余熱が接着部材４８の表裏面に伝わることにより、接着部材４８の表裏面の熱硬化性の粘着剤が粘着性を帯びる。このような粘着性を帯びた状態での圧着により、底面４１Ｂにセンサ素子５０の素子裏面５０Ｂが接着される。センサ素子５０が接着用凹部４１に完全に接着したときには、図７（Ｂ）に示すように、センサ素子５０の素子表面５０Ａと素子ケース４０の配置面４０Ａとがほぼ同一面になる。なお、センサ素子５０を素子ケース４０に接着する手順は、センサ素子５０の素子表面５０Ａに接着部材４８を貼着した後に、このセンサ素子５０を接着用凹部４１の底面４１Ｂに配置し、素子表面５０Ａ方向からセンサ素子５０を圧着するという手順に変更することができる。
【００４９】
また、接着部材４８には、空隙部５１ａないし凹所４２の面積分の穴部４８ｐが形成されているので、空隙部５１ａの外周付近の素子裏面５０Ｂである空隙部外周裏面５０Ｂｇ（図６（Ａ）において斜線ハッチングで示した部分）は、その全面において接着部材４８に接着する。これにより、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂの周囲が封止され、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂおよび凹所４２内の空間４２ｂが密閉された状態となる。従って、センサ素子５０の素子表面５０Ａ側から回り込んできた外気（図６（Ａ）において白抜き矢印で示す）が空隙５１ｂや凹所４２に進入することが防止される。
【００５０】
上記のような穴部４８ｐが形成された接着部材４８を用いてセンサ素子５０を接着することにより、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂは穴部４８ｐを介して凹所４２に好適に連通され（図２を参照）、接着部材４８が凹所４２を塞いでしまったり、接着部材４８が凹所４２に侵入してしまうといったことが防止される。次に、センサ素子５０の各電極５６と各リード４５の端子４５ａとをボンディングにより信号線５７で接続する。
【００５１】
Ａ−６−３．信号線５７のモールド：
次に、信号線５７を絶縁性樹脂材でモールドする。具体的には、まず、センサ素子５０の素子表面５０Ａ上および素子ケース４０の配置面４０Ａ上に高粘度の絶縁性樹脂材料を塗布することにより区画材５８ａを縦壁状に立設する。区画材５８ａは、センサ素子５０の上面に置かれたときに盛り上がるような高粘度（１５０Ｐａ・ｓ以上）の絶縁性樹脂材料から形成されている。続いて、信号線５７の上方から低粘度の絶縁性樹脂材料を流し込むことにより信号線５７を充填材５８ｂで被覆する。本実施例では、充填材５８ｂとして、低粘度（１５０Ｐａ・ｓ未満、好ましくは１５Ｐａ・ｓ以下）の樹脂材料を用いているため、充填材５８ｂは信号線５７の裏側にまで流れ込む。これにより、信号線５７は充填材５８ｂに密着して覆われた状態となる。こうした被覆後の状態を図７（Ｃ）に示した。
【００５２】
図７（Ｃ）に示した素子ケース４０を９−９線に沿って切断したときの矢視断面形状を図８に示す。図８に示すように、センサ素子５０の接着用凹部４１への接着後には、センサ素子５０の素子表面５０Ａと素子ケース４０の配置面４０Ａとが略面一状態となる。よって、センサ素子５０と素子ケース４０という異なる部品の間に、素子表面５０Ａと配置面４０Ａを跨いで区画材５８ａを設けた場合に、素子表面５０Ａと配置面４０Ａとの段差によって素子表面５０Ａと区画材５８ａとの間や配置面４０Ａと区画材５８ａとの間に隙間が生じることがない。従って、このような隙間から充填材５８ｂが検出機構５３方向に流出することが有効に阻止され、検出機構５３に向かおうとする充填材５８ｂは区画材５８ａによって十全に堰き止められる。
【００５３】
Ａ−６−４．回路基板８０との接続：
次に、素子ケース４０の各リード４５の一端を回路基板８０にハンダ付けすることにより、各リード４５の端子４５ａと回路基板８０との結線を行なう。これによりガスセンサ１０が完成する。
【００５４】
Ａ−７．作用効果：
以上説明したように、上記実施例のガスセンサ１０では、素子ケース４０の接着用凹部４１の底面４１Ｂに凹所４２が設けられる。この凹所４２は、センサ素子５０の薄肉部５４の下方に設けられた空隙部５１ａに対向した状態で密閉される。これにより、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂが凹所４２内の空間４２ｂに繋がり、薄肉部５４付近に密閉される空気の体積が増大されるので、薄肉部５４付近に密閉された空気の圧力上昇が生じにくくなる。従って、薄肉部５４の損傷を確実に防止することができる。しかも、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂおよび凹所４２内の空間４２ｂは密閉された状態とされるので、素子ケース４０外部から空隙部５１ａおよび凹所４２への外気の進入が阻止され、空隙部５１ａおよび凹所４２内で結露が発生しにくくなる。従って、凹所４２に臨むセンサ素子５０に水滴が付着する蓋然性が低くなり、良好なセンサ特性を維持することができる。更に、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂおよび凹所４２内の空間４２ｂの密閉状態は、接着部材４８を用いたセンサ素子５０の装着によって実現されるので、結露防止のための複雑な構造を採る必要がなく、シリコン製マイクロセンサの製造が容易となる。
【００５５】
また、上記実施例のガスセンサ１０では、センサ素子５０が、空隙部５１ａないし凹所４２の面積分の穴部４８ｐが形成されたシート状の接着部材４８を用いて接着される。このようなシート状の接着部材４８を用いることで、不要な接着剤が空隙部５１ａ内や凹所４２内に流れ込んで、硬化等熱がかかる場合に薄肉部が破損するといったことを防止することができる。従って、ダイヤフラム構造のセンサ素子５０が有する良好な損傷防止特性を十全に確保することができる。
【００５６】
上記実施例のガスセンサ１０では、センサ素子５０がシート状の接着部材４８を用いて素子ケース４０に装着されるので、接着部材４８の厚みを変えることによりセンサ素子５０の素子表面５０Ａの位置を自由に調節することが可能となり、上記実施例のように素子ケース４０の配置面４０Ａと面一とした場合には、被測定ガスが素子表面５０Ａと素子ケース４０の配置面４０Ａとの段差部分に当たって乱流を引き起こすといった事態が防止される。従って、被測定ガスの円滑な流れを確保してガス濃度検出の正確性を高めることができる。
【００５７】
なお、上記実施例のガスセンサ１０は、例えば、燃料電池ユニットの水素の漏れを検知するセンサに適用することができる。即ち、燃料電池ユニットでは、水素極と空気極とにそれぞれ水素、空気（酸素）を流し、これを化学反応させることにより電気を発生させており、上記実施例のガスセンサ１０を、燃料電池ユニットにおいて湿度の高い箇所（水分を燃料電池セルの電解質まで導く水分導入部）に水素が混入しているのを検出するセンサとして用いることが可能である。
【００５８】
Ｂ．変形例：
上記実施例のガスセンサ１０の変形例について図９から図１６を参照しつつ説明する。この図９ないし図１６では図７（Ｃ）に対応する断面を示している。図９ないし図１６に示すガスセンサ１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，９１０は、上記実施例におけるガスセンサ１０とほぼ共通の各部を備える。図９ないし図１６では、この共通の各部につき、符号の十の位以下を上記実施例で用いた符号と同じ数字ないし英字を用いて表わしている。
【００５９】
図９は第１変形例を示す説明図である。図９に示すように、第１変形例としてのガスセンサ１１０は、センサ素子１５０の装着向きが上記実施例と異なっている。即ち、ガスセンサ１１０では、薄肉部１５４の空隙部１５１ａ側の面に検出機構１５３を備えたセンサ素子１５０が、この空隙部１５１ａ側の面を素子表面１５０Ａとして素子ケース４０の接着用凹部４１に装着されている。センサ素子１５０は、該センサ素子１５０ないし接着部材４８の内部（素子裏面１５０Ｂと底面４１Ｂとの間）に穴部４８ｐ内の空隙４８ｂを残して装着される。これにより、薄肉部１５４に対向する穴部４８ｐ内の空隙４８ｂおよび凹所４２内の空間４２ｂは、上記実施例と同様に接着部材４８を用いたセンサ素子１５０の装着によって密閉され、空隙４８ｂおよび空間４２ｂが気密状態となる。このような構成によっても、薄肉部１５４付近に密閉された空気の体積が凹所４２内の空間４２ｂ分増大されるので、上記実施例と同様に、良好なセンサ特性を維持しつつ薄肉部１５４の損傷を防止することができる。
【００６０】
図１０は第２変形例を示す説明図である。図１０に示すように、第２変形例としてのガスセンサ２１０は、素子ケース２４０の外部表面２４０Ｃ（被測定ガスの最も近くに位置する面）に撥水フィルタ６０を設ける点で上記実施例と異なっている。この撥水フィルタ６０は、図１０に示すように、センサ素子５０の薄肉部５４を含む素子表面５０Ａや検出機構５３と共に、４本の信号線５７が設置されたモールド部分を覆い、素子表面５０Ａから距離ｒ１だけ離間して装着されている。このような構成によれば、被測定ガスの流路において水滴が生じた場合に、水滴が撥水フィルタ６０に吸着される。この撥水フィルタ６０と素子表面５０Ａとの間には距離ｒ１が確保されているので、撥水フィルタ６０に吸着された水滴成分が薄肉部５４に及びにくくなる。従って、素子表面５０Ａや薄肉の薄肉部５４を十全に保護することができる。加えて、撥水フィルタ６０はモールド部分を覆う態様で設けられるので、各信号線５７に水滴成分が及びにくくなる。従って、信号線５７間の短絡を十全に防止することが可能となり、安定した検出動作を確保することができる。
【００６１】
図１１は第３変形例を示す説明図である。この第３変形例は、図９に示した第１変形例のガスセンサ１１０に撥水フィルタ３６０を設けた構成例を表わしている。第３変形例としてのガスセンサ３１０は、図１１に示すように、４本の信号線５７が設置されたモールド部分を覆わずに撥水フィルタ３６０を設ける点で第２変形例と異なっている。また、撥水フィルタ３６０は、センサ素子１５０の素子表面１５０Ａに、薄肉部１５４から距離ｒ２（即ち、空隙部１５１ａの深さ分）だけ離間した状態で装着されている。このような構成によっても、撥水フィルタ３６０と薄肉部１５４との間に距離ｒ２が確保されるので、撥水フィルタ３６０に吸着された水滴成分が薄肉部１５４に及びにくくなる。従って、薄肉部１５４を好適に保護することができる。
【００６２】
なお、第２変形例および第３変形例では、撥水フィルタ６０，３６０が薄肉部５４，１５４から離間した状態で装着されているが、勿論、撥水フィルタ４６０が薄肉部５４に直接に装着される構成としてもよい。こうした構成例を第４変形例のガスセンサ４１０として図１２に示した。このような構成によっても、被測定ガスの流路において生じた水滴は、まず撥水フィルタ４６０に吸着され、直接に薄肉部５４に及ばない。従って、薄肉部５４を保護することができる。
【００６３】
図１３は第５変形例を示す説明図である。この第５変形例は、図９に示した第１変形例のガスセンサ１１０における電極１５６と端子４５ａとの導通構造を変更した例を表わしている。図１３に示すように、第５変形例としてのガスセンサ５１０は、センサ素子５５０の素子裏面５５０Ｂ側に電極５５６を設けると共に、この電極５５６と導通されるリード５４５の端子５４５ａを、素子ケース５４０の接着用凹部５４１の底面５４１Ｂに露出した状態で設けている。こうしたセンサ素子５５０を接着用凹部５４１に接着する際には、異方導電性を有するシート状接着部材５４８（本例においては、厚み方向にのみ特異に導電性を示す接着部材）が用いられる。こうすれば、接着用凹部５４１にセンサ素子５５０を接着することにより、センサ素子５５０の電極５５６と素子ケース５４０の端子５４５ａとが接着部材５４８を介して導通される。従って、様々な設置環境下において安定した検出動作を確保することができる。例えば、シリコン製マイクロセンサ５１０が振動の多い場所に設置された場合には、信号線での接続の場合と比較して断線が起こりにくくなる。また、被測定ガスの流路において水滴が生じ得る環境下にシリコン製マイクロセンサ５１０が設置された場合には、電極５５６と端子５４５ａとの接続部位がセンサ素子５５０で覆われているので、生じた水滴が電極５５６と端子５４５ａとの接続部位に及びにくく、ショートが起こりにくくなる。他方、製造段階においても、センサ素子の電極５５６と素子ケース５４０内のリード５４５の端子５４５ａとを接続する工程や電極５５６と端子５４５ａとの間の信号線をモールドする工程が不要となり、製造効率を高めることができる。
【００６４】
上記実施例ないし変形例では、素子ケース４０に凹所４２を形成したが、これ以外の手法によって凹所４２に相当する空間を設けることも可能である。こうした構成例を第６変形例として図１４に示した。第６変形例としてのガスセンサ６１０では、図１４に示すように、接着部材６４８の厚みを上記実施例における厚みｄ１よりも厚くすることにより、素子裏面５０Ｂと接着用凹部６４１の底面６４１Ｂとの間に間隙６４８ｂが形成されている。こうすれば、製造段階において接着用凹部６４１に凹所を形成することなく薄肉部５４に臨む間隙６４８ｂが設けられ、薄肉部５４周辺の空気容積が拡大される。従って、製造効率をより高めつつ、薄肉部５４の損傷防止特性を確保することができる。なお、上記の間隙６４８ｂに対向する位置の接着用凹部６４１に更に凹所を形成した場合には、センサ素子５０の空隙部５１ａ内の空隙５１ｂが間隙６４８ｂないし凹所内の空間に繋がって空気領域がより拡大されるので、上記の損傷防止特性をより一層向上することができる。
【００６５】
図１５は第７変形例としてのガスセンサ７１０を示す説明図である。第７変形例としてのガスセンサ７１０では、上部ケース７４０と下部ケース８４０という二つの部材を密着することにより一の素子ケースが構成される。上部ケース７４０の接着用凹部７４１の底面７４１Ｂには、接着されるセンサ素子５０の空隙部５１ａとほぼ対向する位置に開孔部７４１ｈが設けられている。下部ケース８４０には、開孔部７４１ｈと対向する位置に凹所８４２が形成されている。開孔部７４１ｈは、凹所８４２の入口部分とほぼ同じ面積で形成されている。このような構成によれば、凹所８４２内の空間８４２ｂ容積の調節を下部ケース８４０のみの形状変更によって実現することが可能となり、上部ケース７４０が共通化される。従って、種々の熱環境に対応したガスセンサを簡便に提供することができる。
【００６６】
上記実施例ないし変形例では、素子ケース４０の接着用凹部４１にセンサ素子５０を装着したが、このような接着用凹部４１を設けず、フラットな配置面９４０Ａにセンサ素子５０を装着する構成としても差し支えない。このように構成されたガスセンサ９１０を第８変形例として図１６に示した。このようなガスセンサ９１０によれば、素子ケース４０の薄型化を図ることや、凹所４２の深さを深くして凹所４２の容積の増大化を図ることができる。
【００６７】
なお、この発明は上記実施例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る。例えば、上記した実施例や各種の変形例を適宜組み合わせて実施することも可能である。
【００６８】
上記の実施例や変形例ではシート状の接着部材を用いたが、これ以外の接着部材（例えば、ペースト状の接着剤）を用いても差し支えない。
【００６９】
また、素子ケース４０に凹所４２を設けることにより特許請求の範囲における「副室」を実現し、薄肉部５４近傍の温度変化に起因する空気（薄肉部５４付近に存する気密化された空気）の圧力の変化を緩和したが、凹所４２以外の態様によって「副室」を実現することも可能である。例えば、空隙部５１ａ内の空隙５１ｂに連通される空気室をセンサ素子５０自体に設け、薄肉部５４付近に密閉される空気の体積を空気室分だけ増大させる構成などを考えることができる。
【００７０】
上記実施例では、本発明を可燃性ガスの濃度を検出するガスセンサ１０に適用したが、これに限定されるものではなく、本発明を可燃性ガス以外のガス（例えば、ＮＯｘ等の排気ガス）の検出に適用することも可能である。また、本発明を流量センサや加速度センサ等に適用することも可能である。
【００７１】
また、特許請求の範囲における「ケース」として、上記実施例では、樹脂成形された素子ケース４０を挙げたが、これに限定されるものではなく、例えば、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、ガラスセラミックなどからなるセラミック基板、或いは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ樹脂、ＰＰＥ樹脂などの樹脂や、これらの樹脂とガラス繊維やポリエステル繊維などの繊維との複合材料、三次元網目構造のフッ素樹脂にエポキシ樹脂などを含浸させた樹脂複合材料を用いてなる基板も含まれる。更に、セラミック基板とこれらの樹脂や複合材料とを組み合わせてなる基板なども含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の平面を示す説明図である。
【図２】図１に示した接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を２−２線に沿って切断したときの断面を示す説明図である。
【図３】センサ素子５０を模式的に表わす説明図である。
【図４】センサ素子５０が装着される前の接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０の平面を示す説明図である。
【図５】図４に示した接触燃焼式可燃性ガスセンサ１０を５−５線に沿って切断したときの矢視断面形状を示す説明図である。
【図６】接着部材４８を示す説明図である。
【図７】接着用凹部４１にセンサ素子５０が接着され、信号線５７の絶縁処理がなされる様子を示す説明図である。
【図８】図７（Ｃ）に示した素子ケース４０を９−９線に沿って切断したときの矢視断面形状を示す説明図である。
【図９】第１変形例を示す説明図である。
【図１０】第２変形例を示す説明図である。
【図１１】第３変形例を示す説明図である。
【図１２】第４変形例を示す説明図である。
【図１３】第５変形例を示す説明図である。
【図１４】第６変形例を示す説明図である。
【図１５】第７変形例を示す説明図である。
【図１６】第８変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，９１０…接触燃焼式可燃性ガスセンサ
２０…取付用筐体
２０ａ…入口
２０ｂ…出口
４０，２４０，５４０，６４０…素子ケース
４０Ａ，２４０Ａ，５４０Ａ，６４０Ａ，７４０Ａ，９４０Ａ…配置面
４１，４４１，５４１，６４１，７４１…接着用凹部
４１Ｂ，４４１Ｂ，５４１Ｂ，６４１Ｂ，７４１Ｂ…底面
４２，２４２，５４２，８４２，９４２…凹所
４２ｂ，２４２ｂ，５４２ｂ，８４２ｂ，９４２ｂ…空間
４５，５４５…リード
４５ａ，１４５ａ，５４５ａ…端子
４８，４４８，５４８，６４８…接着部材
４８ｂ，６４８ｂ…空隙
４８ｐ…穴部
５０，１５０，５５０…センサ素子
５０Ａ，１５０Ａ，５５０Ａ…素子表面
５０Ｂ，１５０Ｂ，５５０Ｂ…素子裏面
５０Ｂｇ…空隙部外周裏面
５１…シリコン製基板
５１ａ，１５１ａ，５５１ａ…空隙部
５１ｂ，１５１ｂ，５５１ｂ…空隙
５２ａ，５２ｂ…絶縁薄膜
５３，１５３，５５３…検出機構
５３ａ…検知用ヒータ
５３ｂ…触媒膜
５４，１５４，５５４…薄肉部
５５…絶縁保護膜
５６，１５６，５５６…電極
５７…信号線
５８ａ，２５８ａ…区画材
５８ｂ…充填材
５９…支持部
６０，３６０，４６０…撥水フィルタ
８０…回路基板
６４８ｂ…間隙
７４０…上部ケース
７４１ｈ…開孔部
８４０…下部ケース
【図１】
2004093470.tif 000003
【図２】
2004093470.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004093470.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004093470.tif 000009
【図８】
2004093470.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004093470.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004093470.tif 000014
【図１３】
2004093470.tif 000015
【図１４】
2004093470.tif 000016
【図１５】
2004093470.tif 000017
【図１６】
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