ガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサ
【課題】例えば排気ガスの流れるボイラー煙道のような劣悪な環境に設置されても長期間に亘って安定した出力特性を得ることができるガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサを提供する。
【解決手段】被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体１１３の一方の側に配置され、伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部１２０が配置され、かつ伝熱体を介して触媒担体の温度に対応する温度を温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有することで、温度検出部が被測定ガスによる悪影響を受けずに長期に亘る流量の検出が可能となる。
【解決手段】被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体１１３の一方の側に配置され、伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部１２０が配置され、かつ伝熱体を介して触媒担体の温度に対応する温度を温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有することで、温度検出部が被測定ガスによる悪影響を受けずに長期に亘る流量の検出が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で耐久性に優れた接触燃焼式ガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば一酸化炭素等の未燃焼ガスのみに高い感度を有して、例えば排気ガス中の未燃焼ガスである一酸化炭素の成分量を検出する接触燃焼式ガスセンサが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
係る特許文献１に記載の接触燃焼式ガスセンサは、ブリッジ回路を形成したガス検知素子と補償素子が、絶縁体のベースに貫通固定されている金属製のピンに保持され、これらにキャップが被せられている。このガス検知素子は、測温抵抗体及び測温抵抗体を被覆する酸化燃焼触媒層からなり、酸化燃焼触媒層は金触媒を担持したα酸化第二鉄微粉末と、白金触媒とパラジウム触媒とを担持したアルミナ粉末との混合物の焼結体からなっている。
【０００４】
そして、測温抵抗体とこれを覆う酸化燃焼触媒層を、例えば未燃焼ガスの含まれる排気ガス中に直接晒し、未燃焼ガスの燃焼に伴う酸化燃焼触媒層の温度上昇を測温抵抗体の抵抗値変化に換算し、補償素子を含んだブリッジ回路を介して未燃焼ガスの成分量を検出するようになっている。
【特許文献１】特開平８−２２６９０９号（３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載されたような接触燃焼式ガスセンサによると、全体が大型化してセンサ自体のコスト高を招いたり、設置場所に制約を受けるなどの不都合がある。そのため、近年ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）技術を使った非常に小型の接触燃焼式ガスセンサが用いられている。
【０００６】
上記のようなガスセンサでは、センサ構成材料にとって悪環境となるガスも被測定対象として選ばれるケースもあり、また粉塵などもあるため、そのような被測定環境によりセンサ寿命が短くなることもある。センサ寿命が短いほどメンテナンス（あるいはセンサ交換）の頻度も多くなり、動作保証や運用コストの問題が生じる。
【０００７】
本発明は、触媒層と測温抵抗体が直接的に接合されることが寿命に影響すると考え、この問題を解決して、長期間に亘って安定した出力特性を得ることができるガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のガスセンサチップは、
被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体の一方の側に配置され、前記伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部が配置され、かつ前記伝熱体を介して前記触媒担体の温度に対応する温度を前記温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有すること特徴としている。
【０００９】
請求項１に記載のガスセンサチップがこのような被測定ガスに接触する触媒担体とこのガスに接触しない温度検出部とが伝熱体を介して一方の面と他方の面に配置されるいわゆるバックサイド構造を有することで、温度検出部が被測定ガスによる悪影響を受けずに長期に亘る流量の検出が可能となる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載のガスセンサチップは、
シリコンからなるベース板と、
前記ベース板の一方の面に配置された測温抵抗体及びこれに電気的に接続された電極と、
前記ベース板の前記測温抵抗体と対向する反対側に備わり、当該測温抵抗体との間に当該ベース板の薄肉部を形成する凹み部と、
前記凹み部の内面の少なくとも前記薄肉部の表面に形成されたシリコン多孔質層と、
前記シリコン多孔質層によって担持された酸化燃焼触媒と、
前記ベース板の測温抵抗体側に接続されたガラス台座と、を有し、
前記ベース板の測温抵抗体形成面と反対側にガスを流すようにしたことを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載のガスセンサチップがこのような構成を有することで、測温抵抗体が、ベース板のガスが流れる側と反対側に形成されるようになる。そのため、特にボイラー煙道を流れる排気ガス中の未燃焼ガスを測定する場合に、温度検出部分が排気ガスに接触することがないため、前記のような温度検出部分の電極腐食や配線短絡などの劣化を引き起こすことは無い。そのため、ＭＥＭＳ技術による非常に小型のガスセンサチップであっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って安定して検出することができる。
【００１２】
これに伴って、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量を例えばボイラーの燃焼制御装置にフィードバックすることで燃焼装置の燃焼効率を最適化したり、ボイラー自体の性能劣化をいち早く検出したりすることを可能とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載のガスセンサは、
センサ支持体の同一面に前記ガラス台座を接着することによって並べて配置された請求項１記載のガスセンサチップを２つ備え、
前記各ガスセンサチップから前記ベース板のガスが流れる側と反対側に延在形成された電極取出し部を有し、
前記一方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含んだ状態で前記センサ支持体に備わると共に、前記他方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含まない状態で前記センサ支持体に備わっていることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載のガスセンサがこのような構成を有することで、酸化燃焼触媒を備えたガスセンサチップと酸化燃焼触媒を備えないガスセンサチップとの測温抵抗体の出力を比較することにより、排気ガス自体の温度変化や周囲の温度変化の影響を受けず、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスの燃焼による温度変化のみを検出することができる。これによって、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量をより正確に検出することが可能となる。
【００１５】
また、測温抵抗体がガスに直接触れないことにより、ガスセンサチップ自体の耐久性が高まるので、ガスセンサのメンテナンスの頻度を低下させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、例えば排気ガスの流れるボイラー煙道のような劣悪な環境に設置されても長期間に亘って安定した出力特性を得ることができるガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００及びこれを備えたガスセンサ１０を図面を参照しながら詳細に説明する。最初に本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００を、ベース板１１０の測温抵抗体形成面に対する垂直方向に沿って示した断面図である。
【００１８】
このガスセンサチップ１００は、図１に示すように、ベース板１１０と、ベース板１１０の一方の面にパターニングされた測温抵抗体１２０と、ベース板１１０の測温抵抗体１２０と対向する反対側に形成された凹み部１３０と、凹み部１３０の内面に備わったシリコン多孔質層１４０と、シリコン多孔質層１４０によって担持された酸化燃焼触媒１５０と、ベース板１１０の測温抵抗体側に接続されたガラス台座１６０とを有している。そして、ベース板１１０の測温抵抗体１２０と反対側、即ち凹み部１３０の形成面側にガスを流すようになっている（図１中の白抜きの矢印参照）。
【００１９】
ベース板１１０はシリコン基板からなり、一方の面に絶縁層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）層１１１が形成され、窒化シリコン層１１１の上面中央部に白金（Ｐｔ）の測温抵抗体１２０がパターニングされている。また、窒化シリコン層１１１の上面両側には、金（Ａｕ）でできた電極パッド１２１が測温抵抗体１２０を挟むように形成されている。
【００２０】
なお、この測温抵抗体１２０は、ヒータを兼ねた自己発熱型の測温抵抗体であり、所定電流を流すことによって、通常のボイラー煙道内雰囲気では触媒担体部温度を２８０℃まで上昇させることができる。
【００２１】
また、測温抵抗体１２０から電極パッド１２１までは白金の配線パターン（図示せず）が延在形成され、この測温抵抗体１２０と配線パターンは図示しない窒化シリコン層からなる絶縁膜で覆われている。なお、電極パッド１２１には、後述する電極取出し用ピン１２５の先端に備わったスプリング１２６が押圧されて電極取出し用ピン１２５を介して測温抵抗体１２０に電流を流すようになっている。
【００２２】
また、ベース板上の窒化シリコン層１１１の両端部は、シリコン基板が直接露出しており、この接合領域１１２の一部にガラス台座１６０が陽極接合されている。ガラス台座１６０は、例えばパイレックス（登録商標）ガラス等のホウ珪酸ガラスからなり、電極パッド１２１に対応する部分に電極取出し用の孔１６１が形成され、それ以外は、窒化シリコン層上に形成された測温抵抗体１２０を所定の間隔だけ隔てて覆うようになっている。
【００２３】
ベース板１１０の測温抵抗体１２０と対向する反対側面には、この測温抵抗体１２０に対応する大きさの開口部を有する凹み部１３０が形成されている。そして、この凹み部１３０の底面（図中上面）が測温抵抗体１２０の形成領域に対応してベース板１１０の薄肉部１１３となっている。
【００２４】
この薄肉部１１３は、後述する酸化燃焼触媒１５０によって発生した熱を測温抵抗体１２０に伝熱させる伝熱体であって、触媒担体をなすシリコン多孔質層１４０の温度に対応する温度を測温抵抗体１２０に伝える伝熱体としての役目を果たすと共に、この熱が周囲のベース板１１０に対して極力伝わらないようにしている。
【００２５】
凹み部１３０の内面、即ち測温抵抗体１２０に対応する薄肉部１１３と、凹み部１３０の側壁面１３３に形成されたシリコン多孔質層１４０は、酸化燃焼触媒１５０の担体としての役目を果たしている。
【００２６】
シリコン多孔質層１４０によって担持された酸化燃焼触媒１５０は、白金とパラジウム（Ｐｄ）含んだ触媒液をシリコン多孔質層１４０に含浸させた後に焼成させることでこのシリコン多孔質層１４０に担持されている。
【００２７】
また、本実施形態ではボイラーの排気ガス中の未燃焼ガスである一酸化炭素を含むガスは、ベース板１１０の測温抵抗体１２０が形成された面と反対側の面に沿って流れるようになっている。
【００２８】
続いて、係るガスセンサチップ１００を備えたガスセンサ１０について説明する。図２は、このガスセンサ１０の全体構成を概略的に示した断面図である。ガスセンサ１０は、センサ支持体１１と、センサ支持体１１の同一面上に並べて配置された２つのガスセンサチップ１００，１００’を備えている。
【００２９】
なお、各ガスセンサチップ１００，１００’は、それぞれガラス台座１６０をセンサ支持体１１に接着することで並んで配置されている。そして、一方のガスセンサチップ１００は、上述したようにシリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０が担持されており、他方のガスセンサチップ１００’には、シリコン多孔質層１４０’によって酸化燃焼触媒が担持されていない状態でセンサ支持体１１に配置されている。なお、２つのガスセンサチップ１００，１００’のその他の構成については、全く同一となっている。
【００３０】
なお、他方のガスセンサチップ１００’には、シリコン多孔質層１４０’によって酸化燃焼触媒が担持されていない状態でセンサ支持体１１に配置されているので、一方のガスセンサチップ１００の薄肉部１１３に対応する他方のガスセンサチップ１００’ の薄肉部は、触媒担体をなすシリコン多孔質層１４０’の温度に対応する温度を測温抵抗体１２０に伝える伝熱体としての役目を果たすようになっている。
【００３１】
センサ支持体１１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）でできており、図２に示すように、基台部１２と、基台部１２から突出した突出部１３からなり、上述したガスセンサチップは突出部１３の上面１３ａにガラス台座１６０を介して接着固定されている。突出部１３の一部には、ガスセンサチップ１００，１００’の電極パッド１２１から電極取出し用ピン１２５を取り出すための電極取出し孔１２ｂが形成され、この電極取出し孔１２ｂに挿通した電極取出し用ピン１２５によって、センサ支持体１１のガスセンサチップ配置側と反対側の凹み部に電極取出し用ピン１２５を導出するようになっている。
【００３２】
なお、電極取出し用ピン１２５のガスセンサチップ側端部１２５ａには、導電性のスプリング１２６が備わり、このスプリング１２６の弾性力を介して電極取出し用ピン１２５のガスセンサチップ側端部１２５ａとガスセンサチップ１００の電極パッド１２１とが互いに電気的に確実に導通するようになっている。また、電極取出し用ピン１２５は、ハーメチックシール１２７を介して電極取出し孔１２ｂに密封支持されている。なお、このハーメチックシール１２７は、電極取出し用ピン１２５とその周囲のセンサ支持体１１との間の電気的絶縁を図る役目も果たしている。
【００３３】
そして、この４本の電極取出し用ピン１２５の先端には、ここで図示しない電線が接続され、測温抵抗体１２０に電力を供給すると共に、測温抵抗体１２０と協働して公知のホイートストンブリッジ回路を形成し、酸化燃焼触媒１５０を有するガスセンサチップ１００の温度と酸化燃焼触媒１５０を有さないガスセンサチップ１００’の温度との差を電圧値として出力するようになっている。
【００３４】
続いて、係るガスセンサチップ１００，１００’を備えたガスセンサ１０の作用について説明する。
【００３５】
図３は、上述したガスセンサ１０をボイラー（図示せず）の排気ガスが流れる煙道５０に設置した状態を示している。なお、図３では、説明の理解の容易化を図るために、煙道５０に対してガスセンサ１０をかなり大きく描いている。しかしながら、実際にはガスセンサチップ１００，１００’はＭＥＭＳ技術によって製造されているので、ガスセンサ１０はボイラーの煙道５０に対して非常に小さいものとなっている。
【００３６】
図３の設置状態から明らかなように、ガスセンサチップ１００，１００’の測温抵抗体が煙道５０の排気ガスの流れる方向とは反対側となるようにベース板に位置している。
【００３７】
ここで、ボイラーの煙道５０を排気ガスが図中白抜きの矢印に示すように流れると、煙道内の温度は約２００℃まで上昇する。そして、図２に示すガスセンサチップ１００，１００’の電極取出し用ピン１２５を介して、ヒータを兼ねた測温抵抗体１２０に電力を供給し、触媒担持部温度を２８０℃まで加熱する。この加熱によってその排気ガス中に含まれる一酸化炭素（未燃焼ガス）がシリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０が担持された一方のガスセンサチップ１００の凹み部１３０に入り込み、この酸化燃焼触媒１５０と反応して燃焼する。この一酸化炭素の燃焼によって、シリコン多孔質層１４０において発生した熱がガスセンサチップ１００の薄肉部１１３を介して測温抵抗体１２０に伝わる。これによって、一方のガスセンサチップ１００の測温抵抗体１２０の抵抗値がこの伝熱に基づく温度上昇によって僅かに変化する。
【００３８】
一方、シリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０を担持していない方のガスセンサチップ１００’ではこのような一酸化炭素（未燃焼ガス）の燃焼による温度上昇が生じず、これのみに基づく測温抵抗体の抵抗値変化も生じない。
【００３９】
従って、これら酸化燃焼触媒１５０を備えた一方のガスセンサチップ１００と酸化燃焼触媒１５０を備えない他方のガスセンサチップ１００’の各測温抵抗体によって検出された電圧値を、上述した電極取出し用ピン１２５に接続された電線（図示せず）とで構成されるホイートストンブリッジ回路を介して電圧値として検出することで、両者の抵抗値の変化に基づく酸化燃焼触媒１５０によって未燃焼ガスが燃焼した際に生じる温度上昇を排気ガス自体の温度変化の影響を受けずに測定することができる。
【００４０】
このように酸化燃焼触媒１５０を備えたガスセンサチップ１００と酸化燃焼触媒１５０を備えていないガスセンサチップ１００’の発熱量を相対的に比較することによって、ボイラーの煙道内において常に生じている排気ガス自体の僅かな温度変化をキャンセルし、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスである一酸化炭素の燃焼による発熱量だけ検出することができる。その結果、ボイラーの煙道内の排気ガス中に含まれる一酸化炭素の成分量を正確に測定することができ、これをボイラーの燃焼制御装置にフィードバックして最適な燃焼制御を行ったり、一酸化炭素の成分が極端に多い場合は、ボイラー自体の劣化や異常発生と判断してボイラーの燃焼を強制的に停止したりすることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態におけるガスセンサ１０は、上述のように排気ガスが流れる側と反対側に測温抵抗体１２０が備わっているので、従来のガスセンサのように温度検出部が被測定ガスに接触することによる電極腐食や配線短絡などがセンサの寿命を短くするのを回避でき、ＭＥＭＳ技術による小型のガスセンサチップ１００，１００’を備えたガスセンサ１０であっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って正確に検出することができる。
【００４２】
続いて、上述した実施形態に係るガスセンサチップ１００，１００’及びガスセンサ１０の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
最初に上述の実施形態の変形例に係るガスセンサチップ２００について説明する。この変形例に係るガスセンサチップ２００は、図４に示すように、測温抵抗体２２０の周囲において、測温抵抗体２２０の熱絶縁を図るための溝２１５が形成されている。なお、この溝２１５は、窒化シリコン層２１１を貫通してベース板２１０の測温抵抗体２２０と反対側面近くまで達する深さを有している。
【００４４】
そして、ベース板２１０の測温抵抗体２２０と対向する反対側面には、上述の実施形態と同様に測温抵抗体２２０に対応する大きさの開口部を有する凹み部２３０が形成されている。そして、この凹み部２３０の底面（図中上面）が測温抵抗体２２０の形成領域に対応する薄肉部２１３となっている。
【００４５】
また、本変形例に係るガスセンサチップ２００は、このような溝２１５を有することで、凹み部２３０の側方周面も測温抵抗体２２０の周囲に形成された溝２１５と協働して更なる薄肉部２１４を形成している。そして、これら薄肉部２１３，２１４と測温抵抗体２２０とを周囲のベース板２１０に対してより一層の熱絶縁を図るようになっている。凹み部２３０の内面、即ち測温抵抗体２２０に対応する薄肉部２１３と、溝２１５に対応する薄肉部２１４との内面に形成されたシリコン多孔質層２４０は、酸化燃焼触媒２５０の担体の役目を果している。
【００４６】
このように凹み部２３０の測温抵抗体２２０に対応する領域のみならず、凹み部２３０の側壁面と溝２１５との間に薄肉部２１４が形成されていることで、酸化燃焼触媒２５０によって発生した熱がその側方のベース板２１０に伝達し難くなると共に、測温抵抗体２２０に効率的に伝熱し、一酸化炭素が酸化燃焼触媒２５０に反応して発生する熱の発熱量をより正確に測定し、これによってガス中の一酸化炭素の成分量をより正確に求めることができる。
【００４７】
続いて、上述したガスセンサ１０の変形例について説明する。なお、上述の実施形態に係るガスセンサ１０と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
この変形例に係るガスセンサ２０は、上述のガスセンサ１０のように２つのガスセンサチップ１００，１００’を接着剤を介してセンサ支持体１１に固定する代わりに、図５に示すように、断熱性に優れた材質でできたチップホルダ２５をボルト２６等の締結具によってセンサ支持体２１に取付けるようになっている。
【００４９】
このような断熱性に優れたチップホルダ２５でガスセンサチップ２００，２００’をセンサ支持体２１に取付けることで、図６に示すように、このガスセンサ２０を例えばボイラー煙道５０に設置した場合に煙道５０の排気ガス（図中白抜きの矢印参照）に含まれる比較的大きな粉塵がガスセンサ２０に当ってもガスセンサ２０が破損することがなく、また、排気ガスの脈動で生じる振動の悪影響を受けることがなくなる。
【００５０】
このように本発明に係るガスセンサチップによると、測温抵抗体が、ベース板のガスが流れる側と反対側に形成されるようになる。そのため、そのため、特にボイラー煙道を流れる排気ガス中の未燃焼ガスを測定する場合に、温度検出部分が排気ガスに接触することがないため、前記のような温度検出部分の電極腐食や配線短絡などの劣化を引き起こすことは無い。そのため、ＭＥＭＳ技術による非常に小型のガスセンサチップであっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って安定して検出することができる。
【００５１】
これに伴って、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量を例えばボイラーの燃焼制御装置にフィードバックすることで燃焼装置の燃焼効率を最適化したり、ボイラー自体の性能劣化をいち早く検出したりすることを可能とする。
【００５２】
また、本発明に係るガスセンサチップを備えたガスセンサによると、酸化燃焼触媒を備えたガスセンサチップと酸化燃焼触媒を備えないガスセンサチップとの測温抵抗体の出力を比較することにより、排気ガス自体の温度変化や周囲の温度変化の影響を受けず、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスである一酸化炭素の燃焼による温度変化のみを検出することができる。これによって、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量をより正確に検出することが可能となる。
【００５３】
また、測温抵抗体がガスに直接触れないことにより、ガスセンサチップ自体の耐久性が高まるので、ガスセンサのメンテナンスの頻度を低下させることができる。
【００５４】
なお、上述した酸化燃焼触媒は白金とパラジウムの触媒液をシリコン多孔質層に含浸した後焼成させてガスセンサチップに付着させるようになっていたが、このような方法によらず、凹み部の内周面にシリコン多孔質層を形成させずに白金やパラジウムをメッキしたり、スパッタリングしたり、蒸着させることで酸化燃焼触媒をガスセンサチップに付着させても良い。
【００５５】
しかしながら、シリコン多孔質層を凹み部の内側面に形成してこのシリコン多孔質層内に酸化燃焼触媒を含ませた方が、触媒のガスに接する表面積を大きくすることができるので、同じ成分量の未燃焼ガスがガス中に含まれていてもその分だけ燃焼温度を上げることができ、未燃焼ガスの成分量を正確に測定することができる。
【００５６】
また、酸化燃焼触媒は、シリコン多孔質層の測温抵抗体に対応する領域にのみ含まれていても本発明の作用を発揮することは可能であるが、より好ましくは上述した実施形態及びその変形例のように凹み部の内側面全体に形成されたシリコン多孔質層に全体的に含まれているのが良い。
【００５７】
また、上述した変形例に係るガスセンサチップの溝は、測温抵抗体の周囲を囲むように連続して形成されていたが、このような溝の代わりに、この溝と同等の深さ及び溝の幅と同等の内径を有する多数の孔を溝と同等の領域に連続して形成しても良い。
【００５８】
なお、上述の実施形態及びその変形例については、一酸化炭素を未燃焼ガスとして記載したが、本発明は必ずしもこの一酸化炭素を検出するのみに限定されるものではなく、ガス中における水素やメタン等の未燃焼ガスの成分量を測定することにも適用できることは言うまでもない。
【００５９】
以上説明したように、従来の接触燃焼式一酸化炭素センサ等では、触媒に被測定ガスが接触して発熱する現象を利用し、その発熱を温度検出部により直接検出することでガス濃度を計測していた。
【００６０】
そして、この従来のガスセンサでは、センサ構成材料にとって悪環境となるガスも被測定対象として選ばれる場合もあり、例えばボイラー煙道中の排気ガスの場合等、被測定ガスの種類によりセンサ寿命が短くなることもあった。そして、センサ寿命が短いほどメンテナンス（或いはセンサ交換）の頻度も多くなり、動作保証や運用コストの問題が生じていた。
【００６１】
これは、従来の接触燃焼式ガスセンサの構造が、触媒担体が発熱部になり、その発熱を効率良く検出するために温度検出部が触媒担体に直接的に接合するように構成されていることに起因していた。
【００６２】
このような従来構造のガスセンサは、センサ構造設計の通常的な考え方に基づいて構成されていた訳であるが、状態変化の発生する構成要素（ガスセンサの場合は触媒担体）と検出機能となる構成要素（ガスセンサの場合は温度検出部）が、直接的に接合する位置関係になることが、いわゆるセンサ感度の向上に結びつくという意味合いで、極めて合理的な設計思想となっていた。
【００６３】
しかしながら、接触燃焼式センサでは、当然のことながら触媒担体が被測定ガスに直接接触することになる。これに伴い、上記合理的な設計思想に基づく構成を採用すると、温度検出部も被測定ガスに直接接触することが避けられなくなり、かつこの温度検出部が被測定ガスに接触することにより被測定ガス中に含まれる腐食成分によって腐食することが、センサ全体の寿命を短くしていたが、このような欠点に本発明の発明者が着眼し、その欠点を一気に解決したことに技術的意義が認められる。
【００６４】
これに加えて、別の観点から見ると所謂センサ感度の向上とセンサ寿命の長期化とがトレードオフ（二重背反）となっている状態において、必ずしもセンサ感度ばかりが産業応用上の最優先事項とは限らない。この点に鑑みて、センサ感度を若干犠牲にしたにしてもセンサ寿命を長くすることが可能な構造として、温度検出部と触媒担体が分離され、かつこれにより温度検出部が被測定ガスに接触しない位置に設置される本発明における所謂「バックサイド構造」を採用することが、本発明の課題解決に有効であることを本発明の発明者は明らかにしたことにも技術的意義がある。
【００６５】
即ち、本発明は、従来の合理的な設計思想に基づく構成が接触燃焼式センサのセンサ寿命に悪影響を及ぼしていることを解明したところに重要な着眼点があると言える。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスセンサチップを、ベース板の測温抵抗体形成面に対する垂直方向に沿って示す断面図である。
【図２】図１に示したガスセンサチップを備えた本実施形態に係るガスセンサの断面図である。
【図３】図２に示したガスセンサをボイラーの煙道内に設置した状態を示す断面図である。
【図４】図１に示したガスセンサチップの変形例を示す断面図である。
【図５】図２に示したガスセンサの変形例を示す断面図である。
【図６】図５に示したガスセンサをボイラーの煙道内に設置した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ ガスセンサ
１１ センサ支持体
１２ 基台部
１２ｂ 電極取出し孔
１３ 突出部
１３ａ 上面
２０ ガスセンサ
２１ センサ支持体
２５ チップホルダ
２６ ボルト
５０ 煙道
１００，１００’ ガスセンサチップ
１１０ ベース板
１１１ 窒化シリコン層
１１２ 接合領域
１１３ 薄肉部
１２０ 測温抵抗体
１２１ 電極パッド
１２５ 電極取出し用ピン
１２５ａ ガスセンサチップ側端部
１２６ スプリング
１２７ ハーメチックシール
１３０ 凹み部
１３３ 側壁面
１４０，１４０’ シリコン多孔質層
１５０ 酸化燃焼触媒
１６０ ガラス台座
１６１ 電極取出し用の孔
２００，２００’ ガスセンサチップ
２１１ 窒化シリコン層
２１０ ベース板
２１３，２１４ 薄肉部
２１５ 溝
２２０ 測温抵抗体
２３０ 凹み部
２４０ シリコン多孔質層
２５０ 酸化燃焼触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で耐久性に優れた接触燃焼式ガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば一酸化炭素等の未燃焼ガスのみに高い感度を有して、例えば排気ガス中の未燃焼ガスである一酸化炭素の成分量を検出する接触燃焼式ガスセンサが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
係る特許文献１に記載の接触燃焼式ガスセンサは、ブリッジ回路を形成したガス検知素子と補償素子が、絶縁体のベースに貫通固定されている金属製のピンに保持され、これらにキャップが被せられている。このガス検知素子は、測温抵抗体及び測温抵抗体を被覆する酸化燃焼触媒層からなり、酸化燃焼触媒層は金触媒を担持したα酸化第二鉄微粉末と、白金触媒とパラジウム触媒とを担持したアルミナ粉末との混合物の焼結体からなっている。
【０００４】
そして、測温抵抗体とこれを覆う酸化燃焼触媒層を、例えば未燃焼ガスの含まれる排気ガス中に直接晒し、未燃焼ガスの燃焼に伴う酸化燃焼触媒層の温度上昇を測温抵抗体の抵抗値変化に換算し、補償素子を含んだブリッジ回路を介して未燃焼ガスの成分量を検出するようになっている。
【特許文献１】特開平８−２２６９０９号（３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載されたような接触燃焼式ガスセンサによると、全体が大型化してセンサ自体のコスト高を招いたり、設置場所に制約を受けるなどの不都合がある。そのため、近年ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）技術を使った非常に小型の接触燃焼式ガスセンサが用いられている。
【０００６】
上記のようなガスセンサでは、センサ構成材料にとって悪環境となるガスも被測定対象として選ばれるケースもあり、また粉塵などもあるため、そのような被測定環境によりセンサ寿命が短くなることもある。センサ寿命が短いほどメンテナンス（あるいはセンサ交換）の頻度も多くなり、動作保証や運用コストの問題が生じる。
【０００７】
本発明は、触媒層と測温抵抗体が直接的に接合されることが寿命に影響すると考え、この問題を解決して、長期間に亘って安定した出力特性を得ることができるガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のガスセンサチップは、
被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体の一方の側に配置され、前記伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部が配置され、かつ前記伝熱体を介して前記触媒担体の温度に対応する温度を前記温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有すること特徴としている。
【０００９】
請求項１に記載のガスセンサチップがこのような被測定ガスに接触する触媒担体とこのガスに接触しない温度検出部とが伝熱体を介して一方の面と他方の面に配置されるいわゆるバックサイド構造を有することで、温度検出部が被測定ガスによる悪影響を受けずに長期に亘る流量の検出が可能となる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載のガスセンサチップは、
シリコンからなるベース板と、
前記ベース板の一方の面に配置された測温抵抗体及びこれに電気的に接続された電極と、
前記ベース板の前記測温抵抗体と対向する反対側に備わり、当該測温抵抗体との間に当該ベース板の薄肉部を形成する凹み部と、
前記凹み部の内面の少なくとも前記薄肉部の表面に形成されたシリコン多孔質層と、
前記シリコン多孔質層によって担持された酸化燃焼触媒と、
前記ベース板の測温抵抗体側に接続されたガラス台座と、を有し、
前記ベース板の測温抵抗体形成面と反対側にガスを流すようにしたことを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載のガスセンサチップがこのような構成を有することで、測温抵抗体が、ベース板のガスが流れる側と反対側に形成されるようになる。そのため、特にボイラー煙道を流れる排気ガス中の未燃焼ガスを測定する場合に、温度検出部分が排気ガスに接触することがないため、前記のような温度検出部分の電極腐食や配線短絡などの劣化を引き起こすことは無い。そのため、ＭＥＭＳ技術による非常に小型のガスセンサチップであっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って安定して検出することができる。
【００１２】
これに伴って、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量を例えばボイラーの燃焼制御装置にフィードバックすることで燃焼装置の燃焼効率を最適化したり、ボイラー自体の性能劣化をいち早く検出したりすることを可能とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載のガスセンサは、
センサ支持体の同一面に前記ガラス台座を接着することによって並べて配置された請求項１記載のガスセンサチップを２つ備え、
前記各ガスセンサチップから前記ベース板のガスが流れる側と反対側に延在形成された電極取出し部を有し、
前記一方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含んだ状態で前記センサ支持体に備わると共に、前記他方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含まない状態で前記センサ支持体に備わっていることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載のガスセンサがこのような構成を有することで、酸化燃焼触媒を備えたガスセンサチップと酸化燃焼触媒を備えないガスセンサチップとの測温抵抗体の出力を比較することにより、排気ガス自体の温度変化や周囲の温度変化の影響を受けず、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスの燃焼による温度変化のみを検出することができる。これによって、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量をより正確に検出することが可能となる。
【００１５】
また、測温抵抗体がガスに直接触れないことにより、ガスセンサチップ自体の耐久性が高まるので、ガスセンサのメンテナンスの頻度を低下させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、例えば排気ガスの流れるボイラー煙道のような劣悪な環境に設置されても長期間に亘って安定した出力特性を得ることができるガスセンサチップ及びこれを備えたガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００及びこれを備えたガスセンサ１０を図面を参照しながら詳細に説明する。最初に本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガスセンサチップ１００を、ベース板１１０の測温抵抗体形成面に対する垂直方向に沿って示した断面図である。
【００１８】
このガスセンサチップ１００は、図１に示すように、ベース板１１０と、ベース板１１０の一方の面にパターニングされた測温抵抗体１２０と、ベース板１１０の測温抵抗体１２０と対向する反対側に形成された凹み部１３０と、凹み部１３０の内面に備わったシリコン多孔質層１４０と、シリコン多孔質層１４０によって担持された酸化燃焼触媒１５０と、ベース板１１０の測温抵抗体側に接続されたガラス台座１６０とを有している。そして、ベース板１１０の測温抵抗体１２０と反対側、即ち凹み部１３０の形成面側にガスを流すようになっている（図１中の白抜きの矢印参照）。
【００１９】
ベース板１１０はシリコン基板からなり、一方の面に絶縁層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）層１１１が形成され、窒化シリコン層１１１の上面中央部に白金（Ｐｔ）の測温抵抗体１２０がパターニングされている。また、窒化シリコン層１１１の上面両側には、金（Ａｕ）でできた電極パッド１２１が測温抵抗体１２０を挟むように形成されている。
【００２０】
なお、この測温抵抗体１２０は、ヒータを兼ねた自己発熱型の測温抵抗体であり、所定電流を流すことによって、通常のボイラー煙道内雰囲気では触媒担体部温度を２８０℃まで上昇させることができる。
【００２１】
また、測温抵抗体１２０から電極パッド１２１までは白金の配線パターン（図示せず）が延在形成され、この測温抵抗体１２０と配線パターンは図示しない窒化シリコン層からなる絶縁膜で覆われている。なお、電極パッド１２１には、後述する電極取出し用ピン１２５の先端に備わったスプリング１２６が押圧されて電極取出し用ピン１２５を介して測温抵抗体１２０に電流を流すようになっている。
【００２２】
また、ベース板上の窒化シリコン層１１１の両端部は、シリコン基板が直接露出しており、この接合領域１１２の一部にガラス台座１６０が陽極接合されている。ガラス台座１６０は、例えばパイレックス（登録商標）ガラス等のホウ珪酸ガラスからなり、電極パッド１２１に対応する部分に電極取出し用の孔１６１が形成され、それ以外は、窒化シリコン層上に形成された測温抵抗体１２０を所定の間隔だけ隔てて覆うようになっている。
【００２３】
ベース板１１０の測温抵抗体１２０と対向する反対側面には、この測温抵抗体１２０に対応する大きさの開口部を有する凹み部１３０が形成されている。そして、この凹み部１３０の底面（図中上面）が測温抵抗体１２０の形成領域に対応してベース板１１０の薄肉部１１３となっている。
【００２４】
この薄肉部１１３は、後述する酸化燃焼触媒１５０によって発生した熱を測温抵抗体１２０に伝熱させる伝熱体であって、触媒担体をなすシリコン多孔質層１４０の温度に対応する温度を測温抵抗体１２０に伝える伝熱体としての役目を果たすと共に、この熱が周囲のベース板１１０に対して極力伝わらないようにしている。
【００２５】
凹み部１３０の内面、即ち測温抵抗体１２０に対応する薄肉部１１３と、凹み部１３０の側壁面１３３に形成されたシリコン多孔質層１４０は、酸化燃焼触媒１５０の担体としての役目を果たしている。
【００２６】
シリコン多孔質層１４０によって担持された酸化燃焼触媒１５０は、白金とパラジウム（Ｐｄ）含んだ触媒液をシリコン多孔質層１４０に含浸させた後に焼成させることでこのシリコン多孔質層１４０に担持されている。
【００２７】
また、本実施形態ではボイラーの排気ガス中の未燃焼ガスである一酸化炭素を含むガスは、ベース板１１０の測温抵抗体１２０が形成された面と反対側の面に沿って流れるようになっている。
【００２８】
続いて、係るガスセンサチップ１００を備えたガスセンサ１０について説明する。図２は、このガスセンサ１０の全体構成を概略的に示した断面図である。ガスセンサ１０は、センサ支持体１１と、センサ支持体１１の同一面上に並べて配置された２つのガスセンサチップ１００，１００’を備えている。
【００２９】
なお、各ガスセンサチップ１００，１００’は、それぞれガラス台座１６０をセンサ支持体１１に接着することで並んで配置されている。そして、一方のガスセンサチップ１００は、上述したようにシリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０が担持されており、他方のガスセンサチップ１００’には、シリコン多孔質層１４０’によって酸化燃焼触媒が担持されていない状態でセンサ支持体１１に配置されている。なお、２つのガスセンサチップ１００，１００’のその他の構成については、全く同一となっている。
【００３０】
なお、他方のガスセンサチップ１００’には、シリコン多孔質層１４０’によって酸化燃焼触媒が担持されていない状態でセンサ支持体１１に配置されているので、一方のガスセンサチップ１００の薄肉部１１３に対応する他方のガスセンサチップ１００’ の薄肉部は、触媒担体をなすシリコン多孔質層１４０’の温度に対応する温度を測温抵抗体１２０に伝える伝熱体としての役目を果たすようになっている。
【００３１】
センサ支持体１１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）でできており、図２に示すように、基台部１２と、基台部１２から突出した突出部１３からなり、上述したガスセンサチップは突出部１３の上面１３ａにガラス台座１６０を介して接着固定されている。突出部１３の一部には、ガスセンサチップ１００，１００’の電極パッド１２１から電極取出し用ピン１２５を取り出すための電極取出し孔１２ｂが形成され、この電極取出し孔１２ｂに挿通した電極取出し用ピン１２５によって、センサ支持体１１のガスセンサチップ配置側と反対側の凹み部に電極取出し用ピン１２５を導出するようになっている。
【００３２】
なお、電極取出し用ピン１２５のガスセンサチップ側端部１２５ａには、導電性のスプリング１２６が備わり、このスプリング１２６の弾性力を介して電極取出し用ピン１２５のガスセンサチップ側端部１２５ａとガスセンサチップ１００の電極パッド１２１とが互いに電気的に確実に導通するようになっている。また、電極取出し用ピン１２５は、ハーメチックシール１２７を介して電極取出し孔１２ｂに密封支持されている。なお、このハーメチックシール１２７は、電極取出し用ピン１２５とその周囲のセンサ支持体１１との間の電気的絶縁を図る役目も果たしている。
【００３３】
そして、この４本の電極取出し用ピン１２５の先端には、ここで図示しない電線が接続され、測温抵抗体１２０に電力を供給すると共に、測温抵抗体１２０と協働して公知のホイートストンブリッジ回路を形成し、酸化燃焼触媒１５０を有するガスセンサチップ１００の温度と酸化燃焼触媒１５０を有さないガスセンサチップ１００’の温度との差を電圧値として出力するようになっている。
【００３４】
続いて、係るガスセンサチップ１００，１００’を備えたガスセンサ１０の作用について説明する。
【００３５】
図３は、上述したガスセンサ１０をボイラー（図示せず）の排気ガスが流れる煙道５０に設置した状態を示している。なお、図３では、説明の理解の容易化を図るために、煙道５０に対してガスセンサ１０をかなり大きく描いている。しかしながら、実際にはガスセンサチップ１００，１００’はＭＥＭＳ技術によって製造されているので、ガスセンサ１０はボイラーの煙道５０に対して非常に小さいものとなっている。
【００３６】
図３の設置状態から明らかなように、ガスセンサチップ１００，１００’の測温抵抗体が煙道５０の排気ガスの流れる方向とは反対側となるようにベース板に位置している。
【００３７】
ここで、ボイラーの煙道５０を排気ガスが図中白抜きの矢印に示すように流れると、煙道内の温度は約２００℃まで上昇する。そして、図２に示すガスセンサチップ１００，１００’の電極取出し用ピン１２５を介して、ヒータを兼ねた測温抵抗体１２０に電力を供給し、触媒担持部温度を２８０℃まで加熱する。この加熱によってその排気ガス中に含まれる一酸化炭素（未燃焼ガス）がシリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０が担持された一方のガスセンサチップ１００の凹み部１３０に入り込み、この酸化燃焼触媒１５０と反応して燃焼する。この一酸化炭素の燃焼によって、シリコン多孔質層１４０において発生した熱がガスセンサチップ１００の薄肉部１１３を介して測温抵抗体１２０に伝わる。これによって、一方のガスセンサチップ１００の測温抵抗体１２０の抵抗値がこの伝熱に基づく温度上昇によって僅かに変化する。
【００３８】
一方、シリコン多孔質層１４０によって酸化燃焼触媒１５０を担持していない方のガスセンサチップ１００’ではこのような一酸化炭素（未燃焼ガス）の燃焼による温度上昇が生じず、これのみに基づく測温抵抗体の抵抗値変化も生じない。
【００３９】
従って、これら酸化燃焼触媒１５０を備えた一方のガスセンサチップ１００と酸化燃焼触媒１５０を備えない他方のガスセンサチップ１００’の各測温抵抗体によって検出された電圧値を、上述した電極取出し用ピン１２５に接続された電線（図示せず）とで構成されるホイートストンブリッジ回路を介して電圧値として検出することで、両者の抵抗値の変化に基づく酸化燃焼触媒１５０によって未燃焼ガスが燃焼した際に生じる温度上昇を排気ガス自体の温度変化の影響を受けずに測定することができる。
【００４０】
このように酸化燃焼触媒１５０を備えたガスセンサチップ１００と酸化燃焼触媒１５０を備えていないガスセンサチップ１００’の発熱量を相対的に比較することによって、ボイラーの煙道内において常に生じている排気ガス自体の僅かな温度変化をキャンセルし、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスである一酸化炭素の燃焼による発熱量だけ検出することができる。その結果、ボイラーの煙道内の排気ガス中に含まれる一酸化炭素の成分量を正確に測定することができ、これをボイラーの燃焼制御装置にフィードバックして最適な燃焼制御を行ったり、一酸化炭素の成分が極端に多い場合は、ボイラー自体の劣化や異常発生と判断してボイラーの燃焼を強制的に停止したりすることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態におけるガスセンサ１０は、上述のように排気ガスが流れる側と反対側に測温抵抗体１２０が備わっているので、従来のガスセンサのように温度検出部が被測定ガスに接触することによる電極腐食や配線短絡などがセンサの寿命を短くするのを回避でき、ＭＥＭＳ技術による小型のガスセンサチップ１００，１００’を備えたガスセンサ１０であっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って正確に検出することができる。
【００４２】
続いて、上述した実施形態に係るガスセンサチップ１００，１００’及びガスセンサ１０の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
最初に上述の実施形態の変形例に係るガスセンサチップ２００について説明する。この変形例に係るガスセンサチップ２００は、図４に示すように、測温抵抗体２２０の周囲において、測温抵抗体２２０の熱絶縁を図るための溝２１５が形成されている。なお、この溝２１５は、窒化シリコン層２１１を貫通してベース板２１０の測温抵抗体２２０と反対側面近くまで達する深さを有している。
【００４４】
そして、ベース板２１０の測温抵抗体２２０と対向する反対側面には、上述の実施形態と同様に測温抵抗体２２０に対応する大きさの開口部を有する凹み部２３０が形成されている。そして、この凹み部２３０の底面（図中上面）が測温抵抗体２２０の形成領域に対応する薄肉部２１３となっている。
【００４５】
また、本変形例に係るガスセンサチップ２００は、このような溝２１５を有することで、凹み部２３０の側方周面も測温抵抗体２２０の周囲に形成された溝２１５と協働して更なる薄肉部２１４を形成している。そして、これら薄肉部２１３，２１４と測温抵抗体２２０とを周囲のベース板２１０に対してより一層の熱絶縁を図るようになっている。凹み部２３０の内面、即ち測温抵抗体２２０に対応する薄肉部２１３と、溝２１５に対応する薄肉部２１４との内面に形成されたシリコン多孔質層２４０は、酸化燃焼触媒２５０の担体の役目を果している。
【００４６】
このように凹み部２３０の測温抵抗体２２０に対応する領域のみならず、凹み部２３０の側壁面と溝２１５との間に薄肉部２１４が形成されていることで、酸化燃焼触媒２５０によって発生した熱がその側方のベース板２１０に伝達し難くなると共に、測温抵抗体２２０に効率的に伝熱し、一酸化炭素が酸化燃焼触媒２５０に反応して発生する熱の発熱量をより正確に測定し、これによってガス中の一酸化炭素の成分量をより正確に求めることができる。
【００４７】
続いて、上述したガスセンサ１０の変形例について説明する。なお、上述の実施形態に係るガスセンサ１０と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
この変形例に係るガスセンサ２０は、上述のガスセンサ１０のように２つのガスセンサチップ１００，１００’を接着剤を介してセンサ支持体１１に固定する代わりに、図５に示すように、断熱性に優れた材質でできたチップホルダ２５をボルト２６等の締結具によってセンサ支持体２１に取付けるようになっている。
【００４９】
このような断熱性に優れたチップホルダ２５でガスセンサチップ２００，２００’をセンサ支持体２１に取付けることで、図６に示すように、このガスセンサ２０を例えばボイラー煙道５０に設置した場合に煙道５０の排気ガス（図中白抜きの矢印参照）に含まれる比較的大きな粉塵がガスセンサ２０に当ってもガスセンサ２０が破損することがなく、また、排気ガスの脈動で生じる振動の悪影響を受けることがなくなる。
【００５０】
このように本発明に係るガスセンサチップによると、測温抵抗体が、ベース板のガスが流れる側と反対側に形成されるようになる。そのため、そのため、特にボイラー煙道を流れる排気ガス中の未燃焼ガスを測定する場合に、温度検出部分が排気ガスに接触することがないため、前記のような温度検出部分の電極腐食や配線短絡などの劣化を引き起こすことは無い。そのため、ＭＥＭＳ技術による非常に小型のガスセンサチップであっても一酸化炭素の成分量を長期に亘って安定して検出することができる。
【００５１】
これに伴って、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量を例えばボイラーの燃焼制御装置にフィードバックすることで燃焼装置の燃焼効率を最適化したり、ボイラー自体の性能劣化をいち早く検出したりすることを可能とする。
【００５２】
また、本発明に係るガスセンサチップを備えたガスセンサによると、酸化燃焼触媒を備えたガスセンサチップと酸化燃焼触媒を備えないガスセンサチップとの測温抵抗体の出力を比較することにより、排気ガス自体の温度変化や周囲の温度変化の影響を受けず、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスである一酸化炭素の燃焼による温度変化のみを検出することができる。これによって、排気ガス中の未燃焼ガスの成分量をより正確に検出することが可能となる。
【００５３】
また、測温抵抗体がガスに直接触れないことにより、ガスセンサチップ自体の耐久性が高まるので、ガスセンサのメンテナンスの頻度を低下させることができる。
【００５４】
なお、上述した酸化燃焼触媒は白金とパラジウムの触媒液をシリコン多孔質層に含浸した後焼成させてガスセンサチップに付着させるようになっていたが、このような方法によらず、凹み部の内周面にシリコン多孔質層を形成させずに白金やパラジウムをメッキしたり、スパッタリングしたり、蒸着させることで酸化燃焼触媒をガスセンサチップに付着させても良い。
【００５５】
しかしながら、シリコン多孔質層を凹み部の内側面に形成してこのシリコン多孔質層内に酸化燃焼触媒を含ませた方が、触媒のガスに接する表面積を大きくすることができるので、同じ成分量の未燃焼ガスがガス中に含まれていてもその分だけ燃焼温度を上げることができ、未燃焼ガスの成分量を正確に測定することができる。
【００５６】
また、酸化燃焼触媒は、シリコン多孔質層の測温抵抗体に対応する領域にのみ含まれていても本発明の作用を発揮することは可能であるが、より好ましくは上述した実施形態及びその変形例のように凹み部の内側面全体に形成されたシリコン多孔質層に全体的に含まれているのが良い。
【００５７】
また、上述した変形例に係るガスセンサチップの溝は、測温抵抗体の周囲を囲むように連続して形成されていたが、このような溝の代わりに、この溝と同等の深さ及び溝の幅と同等の内径を有する多数の孔を溝と同等の領域に連続して形成しても良い。
【００５８】
なお、上述の実施形態及びその変形例については、一酸化炭素を未燃焼ガスとして記載したが、本発明は必ずしもこの一酸化炭素を検出するのみに限定されるものではなく、ガス中における水素やメタン等の未燃焼ガスの成分量を測定することにも適用できることは言うまでもない。
【００５９】
以上説明したように、従来の接触燃焼式一酸化炭素センサ等では、触媒に被測定ガスが接触して発熱する現象を利用し、その発熱を温度検出部により直接検出することでガス濃度を計測していた。
【００６０】
そして、この従来のガスセンサでは、センサ構成材料にとって悪環境となるガスも被測定対象として選ばれる場合もあり、例えばボイラー煙道中の排気ガスの場合等、被測定ガスの種類によりセンサ寿命が短くなることもあった。そして、センサ寿命が短いほどメンテナンス（或いはセンサ交換）の頻度も多くなり、動作保証や運用コストの問題が生じていた。
【００６１】
これは、従来の接触燃焼式ガスセンサの構造が、触媒担体が発熱部になり、その発熱を効率良く検出するために温度検出部が触媒担体に直接的に接合するように構成されていることに起因していた。
【００６２】
このような従来構造のガスセンサは、センサ構造設計の通常的な考え方に基づいて構成されていた訳であるが、状態変化の発生する構成要素（ガスセンサの場合は触媒担体）と検出機能となる構成要素（ガスセンサの場合は温度検出部）が、直接的に接合する位置関係になることが、いわゆるセンサ感度の向上に結びつくという意味合いで、極めて合理的な設計思想となっていた。
【００６３】
しかしながら、接触燃焼式センサでは、当然のことながら触媒担体が被測定ガスに直接接触することになる。これに伴い、上記合理的な設計思想に基づく構成を採用すると、温度検出部も被測定ガスに直接接触することが避けられなくなり、かつこの温度検出部が被測定ガスに接触することにより被測定ガス中に含まれる腐食成分によって腐食することが、センサ全体の寿命を短くしていたが、このような欠点に本発明の発明者が着眼し、その欠点を一気に解決したことに技術的意義が認められる。
【００６４】
これに加えて、別の観点から見ると所謂センサ感度の向上とセンサ寿命の長期化とがトレードオフ（二重背反）となっている状態において、必ずしもセンサ感度ばかりが産業応用上の最優先事項とは限らない。この点に鑑みて、センサ感度を若干犠牲にしたにしてもセンサ寿命を長くすることが可能な構造として、温度検出部と触媒担体が分離され、かつこれにより温度検出部が被測定ガスに接触しない位置に設置される本発明における所謂「バックサイド構造」を採用することが、本発明の課題解決に有効であることを本発明の発明者は明らかにしたことにも技術的意義がある。
【００６５】
即ち、本発明は、従来の合理的な設計思想に基づく構成が接触燃焼式センサのセンサ寿命に悪影響を及ぼしていることを解明したところに重要な着眼点があると言える。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスセンサチップを、ベース板の測温抵抗体形成面に対する垂直方向に沿って示す断面図である。
【図２】図１に示したガスセンサチップを備えた本実施形態に係るガスセンサの断面図である。
【図３】図２に示したガスセンサをボイラーの煙道内に設置した状態を示す断面図である。
【図４】図１に示したガスセンサチップの変形例を示す断面図である。
【図５】図２に示したガスセンサの変形例を示す断面図である。
【図６】図５に示したガスセンサをボイラーの煙道内に設置した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ ガスセンサ
１１ センサ支持体
１２ 基台部
１２ｂ 電極取出し孔
１３ 突出部
１３ａ 上面
２０ ガスセンサ
２１ センサ支持体
２５ チップホルダ
２６ ボルト
５０ 煙道
１００，１００’ ガスセンサチップ
１１０ ベース板
１１１ 窒化シリコン層
１１２ 接合領域
１１３ 薄肉部
１２０ 測温抵抗体
１２１ 電極パッド
１２５ 電極取出し用ピン
１２５ａ ガスセンサチップ側端部
１２６ スプリング
１２７ ハーメチックシール
１３０ 凹み部
１３３ 側壁面
１４０，１４０’ シリコン多孔質層
１５０ 酸化燃焼触媒
１６０ ガラス台座
１６１ 電極取出し用の孔
２００，２００’ ガスセンサチップ
２１１ 窒化シリコン層
２１０ ベース板
２１３，２１４ 薄肉部
２１５ 溝
２２０ 測温抵抗体
２３０ 凹み部
２４０ シリコン多孔質層
２５０ 酸化燃焼触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体の一方の側に配置され、前記伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部が配置され、かつ前記伝熱体を介して前記触媒担体の温度に対応する温度を前記温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有すること特徴とするガスセンサチップ。
【請求項２】
シリコンからなるベース板と、
前記ベース板の一方の面に配置された測温抵抗体及びこれに電気的に接続された電極と、
前記ベース板の前記測温抵抗体と対向する反対側に備わり、当該測温抵抗体との間に当該ベース板の薄肉部を形成する凹み部と、
前記凹み部の内面の少なくとも前記薄肉部の表面に形成されたシリコン多孔質層と、
前記シリコン多孔質層によって担持された酸化燃焼触媒と、
前記ベース板の測温抵抗体側に接続されたガラス台座と、を有し、
前記ベース板の測温抵抗体形成面と反対側にガスを流すようにしたことを特徴とするガスセンサチップ。
【請求項３】
センサ支持体の同一面に前記ガラス台座を接着することによって並べて配置された請求項１記載のガスセンサチップを２つ備え、
前記各ガスセンサチップから前記ベース板のガスが流れる側と反対側に延在形成された電極取出し部を有し、
前記一方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含んだ状態で前記センサ支持体に備わると共に、前記他方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含まない状態で前記センサ支持体に備わっていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１】
被測定ガスに接触する触媒担体が伝熱体の一方の側に配置され、前記伝熱体の他方の側であって被測定ガスに接触しない領域に温度検出部が配置され、かつ前記伝熱体を介して前記触媒担体の温度に対応する温度を前記温度検出部が測定するようになったバックサイド構造を有すること特徴とするガスセンサチップ。
【請求項２】
シリコンからなるベース板と、
前記ベース板の一方の面に配置された測温抵抗体及びこれに電気的に接続された電極と、
前記ベース板の前記測温抵抗体と対向する反対側に備わり、当該測温抵抗体との間に当該ベース板の薄肉部を形成する凹み部と、
前記凹み部の内面の少なくとも前記薄肉部の表面に形成されたシリコン多孔質層と、
前記シリコン多孔質層によって担持された酸化燃焼触媒と、
前記ベース板の測温抵抗体側に接続されたガラス台座と、を有し、
前記ベース板の測温抵抗体形成面と反対側にガスを流すようにしたことを特徴とするガスセンサチップ。
【請求項３】
センサ支持体の同一面に前記ガラス台座を接着することによって並べて配置された請求項１記載のガスセンサチップを２つ備え、
前記各ガスセンサチップから前記ベース板のガスが流れる側と反対側に延在形成された電極取出し部を有し、
前記一方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含んだ状態で前記センサ支持体に備わると共に、前記他方のセンサチップは、前記酸化燃焼触媒を前記多孔質層に含まない状態で前記センサ支持体に備わっていることを特徴とするガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１８６２９２（Ｐ２００９−１８６２９２Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５７８３（Ｐ２００８−２５７８３）
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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