(57)【要約】【課題】接触燃焼式ガスセンサ素子において、ガス感度および耐衝撃性を損なうことなく、検知素子と補償素子をワンチップに収め、実装が容易に行えること。【解決手段】絶縁基板の両面を貫通する孔上に、ヒーター部を２個以上形成し、触媒材料からなる焼結体が、各ヒーター部全体と、孔の一部を覆いながら基板の両面に露出しており、その貫通した孔の隙間から検知対象ガスが流動できる。最終的に形成されるガスセンサは、耐衝撃性と検知対象ガスに対する応答速度が向上し、また、各素子と導通を取る電極が表面に集約されることで実装が容易になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結体に接触したガスの燃焼により発生した燃焼熱によってヒーター部の電気的な特性値が変化し、その特性値の変化に基づいて可燃性ガスの存在を検知する接触燃焼式ガスセンサであって、
絶縁基板に備えるヒーター部の両面に焼結体と、
前記絶縁基板を貫通する孔とを有する接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】
前記ヒーター部が、前記孔上を架橋していることを特徴とする請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項３】
前記焼結体は前記絶縁基板上に露出していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスやメタンガス等を検知対象とする可燃性ガスセンサには接触燃焼式ガスセンサ、半導体式ガスセンサ等が有り、いずれも可燃性ガスの検知に利用する熱源を内蔵している。
例えば、接触燃焼式ガスセンサ素子には、ヒーター部を有し、それに装備された燃焼触媒上で生成した可燃性ガスの接触燃焼熱によるヒーター部の抵抗値変化を電圧変化として出力することにより可燃性ガスの存在を検知するものである。
【０００３】
図１４に示すように、従来より接触燃焼式ガスセンサには、検知対象ガスを燃焼させるために、燃焼触媒材料３と、ガスの燃焼熱を効率よくヒーターコイル１に伝える熱伝導層材料２から成る焼結体と、ガスの燃焼熱により電気的特性値が変化するヒーターコイル１とからなり、ヒーターコイル１が焼結体中に埋め込まれた構造となっている。
【０００４】
ヒーターコイル１の両端部は、それぞれ外部接続用の電極ピンに接続されて支持されている。
【０００５】
また、接触燃焼式ガスセンサとして、小型化や低消費電力を目的としたシリコンチップ型のガスセンサもある。そして、熱容量を低減し高感度化を目的として、例えば貫通孔を有するシリコン基板に白金膜をジグザグ状に架橋支持した構造のガスセンサがある（例えば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６４８６５号公報（第１４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
接触燃焼式ガスセンサでは、同じガス濃度であれば、検知素子から出力される電圧の変化量は大きい方が良い。この出力電圧の変化量が大きいということは、ガス感度が高いということである。そのため、触媒表面で検知対象ガスが接触燃焼を起こし、その燃焼熱は出来るだけ損失を抑えながら効率よくヒーター部へ伝達されなくてはならない。
【０００８】
また、接触燃焼式ガスセンサでは、同じガス濃度であれば、検知素子から出力される電圧ができるだけ短時間で安定する方が好ましい。出力電圧の安定に要する時間が短いということは、応答速度が速いということである。応答速度を速くするには、焼結体内に熱源となるヒーター部が燃焼熱を効率よく受けて、抵抗値変化が効率よく起こるようにすればよい。
【０００９】
しかし、上記特許文献１に開示されているガスセンサの場合、図１３のように触媒材料としての白金膜３１，３２，３５、すなわち白金膜３０は測温抵抗体として使われており、検知対象ガス以外のたとえば空気が白金膜の表面に吹きつけた場合でも抵抗値が変化してしまい誤作動を起こす危険がある。
【００１０】
また、上記特許文献１に開示されているガスセンサの場合、触媒としての白金膜３０が貫通孔上をジグザグに架橋したままの構造であるため、耐衝撃性が弱く、車載用に使うのは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる接触燃焼式ガスセンサは、焼結体に接触したガスの燃焼により発生した燃焼熱によってヒーター部の電気的な特性値が変化し、その特性値の変化に基づいて可燃性ガスの存在を検知するガスセンサであって、絶縁基板に設けたヒーター部の両面に焼結体を有し、絶縁基板を貫通する孔を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、ヒーター部が、孔上を架橋していることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、焼結体は絶縁基板上に露出していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に関わる接触燃焼式ガスセンサによれば、ヒーター部そのものが絶縁基板に設けた貫通した孔上を架橋する構造であるため、ヒーター部の両面が焼結体に覆われるため有効に活用できる。また、ヒーター部直下に土台となる膜が存在しないため、熱容量を下げることができる。
【００１５】
また、孔に形成される多孔質の焼結体が絶縁基板上に露出する構造となり、絶縁基板の両面から検知対象ガスが来た場合でも迅速に応答できる。
【００１６】
また、ヒーター部が、孔の上を架橋して２個以上形成しており、焼結体を形成したときに焼結体の隙間に検知対象ガスが流れることが出来るため、ガス感度と応答速度が向上する。
【００１７】
また、触媒材料からなるスラリーがヒーター部を覆いながら、孔の側壁に沿って充填され、焼き固められるので、ヒーター部の耐衝撃性が向上する。
【００１８】
触媒材料は焼結体となって孔の側壁に固着しているため、シリコン基板から剥離しにくい構造になっており、耐衝撃性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に図面を参照して、本発明の接触燃焼式ガスセンサの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１(a)は本発明の実施の形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面をあらわし、Ａ−Ａにおける断面図を(b)に示す。ここでは、ヒーター部と接している側の面を絶縁基板の表面、ヒーター部と接していない面を裏面とする。また、表面と裏面をあわせて両面とする。
【００２１】
図１（a）の表面にある焼結体１１は焼結前にスラリー状で孔の側壁に充填される。
【００２２】
図２は焼結体を形成する前の接触燃焼式ガスセンサをあらわしている。絶縁基板である絶縁膜５の表面と裏面を貫通する孔１０がある。この孔１０の側壁で焼結体を形成することにより、焼結体表面で検知対象ガスが燃焼したときに発生した熱損失を抑えてヒーター部９に伝えることができる。
【００２３】
ヒーター部９は、２個以上形成されており、孔１０上を架橋している。本実施形態のように架橋を繰り返すジグザグの構成にすると配線長を長くとることができる。また、ヒー
ター部９は孔１０の長軸方向と平行に架橋してもよい。
【００２４】
本発明はヒーター部９の表面および裏面を利用することができるため、従来技術のようなヒーター部の片面を利用する構造と比べ、検知対象ガスに対するガス感度が向上する。
【００２５】
ヒーター部を２個以上、複数形成することで、各ヒーター部の間にできる貫通した孔には、検知対象ガスが流動する。また、ヒーター部を複数形成することで、各ヒーター部を検知素子、補償素子もしくは固定抵抗というように分担することができ、最終的にひとつの基板の中で接触燃焼式ガスセンサとしての機能を果たすことができる。
【００２６】
ヒーター部９の両端には電極部１２があり、センサの外部と導通できるようになっている。
【００２７】
図３は本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの裏面から見た平面図である。裏面にも焼結体１１が露出する構造になっている。また、絶縁膜５とシリコン基板４は段差になり、裏面から見ると凹状になっている。これは、シリコン基板４の一部をエッチングによって取り除いて全体の熱容量を下げることができ、検知対象ガスが燃焼により発生した熱損失を抑えることができる。
【００２８】
図１の(b)に示すように、焼結体１１は孔の側壁に固着するように形成されており、チップから剥離しにくい構造になっている。
【００２９】
ヒーター部９はタングステン膜またはチタン膜でできた硬質膜６と白金または白金を含む白金合金膜７の２層で形成することが好ましい。また、ヒーター部は金、白金、ロジウム、またはこれらを選択的に合金化した材料でもよいが、いずれか単一の材料で形成してもよい。
【００３０】
上記の貫通した孔と焼結体を有する接触燃焼式ガスセンサ（以下、実施例１）および貫通した孔を具備しないが焼結体を有する接触燃焼式ガスセンサ（以下、比較例１）を組み立てて検知対象ガスに対する応答性能を評価した。また、比較例１は特許文献１の実施例を参照して組み立てている。
【００３１】
上記の全ての評価例は、アルミナを主とした熱伝導層を形成した後、酸化スズおよび白金を主としたスラリー状の燃焼触媒材料を塗布して通電焼成を行い焼結体を形成して、接触燃焼式ガスセンサ素子として評価を行った。
【００３２】
上記構成で接触燃焼式ガスセンサとして組立て、検知対象ガスである水素、及びメタンガス４０００ppmに対するガスセンサの出力信号の９０％安定値への到達時間(以下、応答時間という)を評価した。
【００３３】
応答時間評価の結果、検知対象ガスである水素、及びメタンに対して応答時間が最も短かったのは、実施例１で、水素に対しては１．１秒、メタンに対しては２．１秒であった。比較例１は、水素に対しては２秒、メタンに対しては３秒であった。実施例１は水素とメタンにおいて比較例１を上回る早い応答時間を示した。
【００３４】
実施例１の応答時間が比較例１より短いのは、貫通した孔と焼結体を有することにより検知対象ガスが焼結体表面に吸着しやすく燃焼反応が進みやすいためである。この結果、触媒表面で燃焼した検知対象ガスから発生する燃焼熱は途中の熱損失を抑えながらヒーター部の両面に伝わると考えられる。また、センサの両面に焼結体が露出しているため、検知対象ガスを両面で捉えることが可能である。
【００３５】
製造方法について図１の(b)に示すＡ-Ａの断面を基に説明する。
【００３６】
図４に示すように、シリコン基板４表面にシリコンの酸化膜、もしくはシリコンの窒化膜、もしくはこれらを組み合わせて多層化した絶縁膜５を積層させる。
【００３７】
図５に示すように、絶縁膜５を積層後に、タングステンまたはチタンをスパッタによって積層させ、硬質膜６を形成する。
【００３８】
図６に示すように、硬質膜６を積層した後に白金もしくは白金を含む合金をスパッタによって積層させ、白金膜７を形成する。
【００３９】
図７に示すように、裏面からフォトリソグラフィー法などによりレジストパターンをマスクとしてドライエッチングにより、絶縁膜５が露出するまでドライエッチングを行い、凹部８を形成する。シリコン基板４をエッチングして、絶縁膜５、硬質膜６および白金膜７を残すことによって、ガスセンサ全体の熱容量を下げることができ、ガス感度が向上する。
【００４０】
図８に示すように、表面側から白金膜７と硬質膜６をフォトリソグラフィー法などによりレジストパターンをマスクとしてドライエッチングによりヒーター部９と電極部を形成する。
【００４１】
図９に示すように、再び裏面からフォトリソグラフィー法などによりレジストパターンをマスクとしてドライエッチングにより、絶縁膜５の一部をヒーター部９が露出する位置までエッチングを行い、孔１０を形成する。
【００４２】
孔１０の形状は四角形に限らず、楕円形でもよいし、コーナー部が湾曲していてもよいし、図１１のようなＴ字型を形成し、その両端にヒーター部９を形成してもよい。前述のような方法でドライエッチングを行うと孔上にヒーター部が蛇行した構造が完成する。
【００４３】
図１０のように、特に限定しないが、例えば、酸化スズ、白金、パラジウム、アルミナを含む触媒材料でできたスラリーは各ヒーター部９を覆いながら孔へ充填される。電極部を外部電源に接続して、通電しながらスラリーの水分を飛ばして完全に焼成させる。燃焼触媒材料の充填と焼成を３回から５回に分けて分割して焼成を行い、焼結体１１および貫通した孔１６を形成する。分割して焼成することで、所望の形状を構成することが容易になる。このとき、各ヒーター部を覆う触媒材料の選択によって、検知素子または補償素子としての特性が決まる。
【００４４】
図１２のようにヒーター部９と焼結体１１をそれぞれ３個以上形成し各焼結体の間に貫通した孔１６を設けてもよい。貫通した孔を２個以上設けることで、検知対象ガスの流動性が向上する。
【００４５】
本実施例にある検知素子と補償素子とを直列に接続した第１の直列回路と、同じ抵抗値の２個の固定抵抗を直列に接続した第２の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、その第１の直列回路と第２の直列回路の接続点間に直流電圧を印加して、検知素子と補償素子との接続点と２個の固定抵抗の接続点との間の電圧を検出信号として出力させる。固定抵抗を絶縁膜上に形成し、ワンチップ化したセンサの構成でもよい。
【００４６】
以上に於いて、本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば
、ヒーター部の線幅、厚さ、長さ、基板上のレイアウト等は適宜変更可能である。
【００４７】
また、本発明を複数組み合わせることができ、適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかる接触燃焼式ガスセンサは、家庭用または産業用のガス漏れ検知装置に有用であり、特に、燃料電池に用いられる可燃性ガスを検知する装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（a）は本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面から見た平面図であり、（ｂ）はA-Aから切断した断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面から見た平面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの裏面から見た平面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図９】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図１０】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの製造工程における断面図である。
【図１１】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面から見た平面図である。
【図１２】本発明の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサの表面から見た平面図である。
【図１３】シリコンチップ型ガスセンサ素子の斜視図である。
【図１４】従来の接触燃焼式ガスセンサ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ヒーターコイル
２  熱伝導層材料
３  燃焼触媒材料
４  シリコン基板
５  絶縁膜
６  硬質膜
７  白金膜
８  凹部
９  ヒーター部
１０孔
１１焼結体
１２電極部
１３発熱抵抗体
１４薄膜絶縁体
１５架橋支持部
１６孔
１７焼結体
３０白金膜
３１白金膜
３２白金膜
３５白金膜
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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