ガスセンサ
【課題】衝撃や振動等によるダイヤフラム構造体上に設けられた層状部の剥離を抑制すると共に、生産性に優れたガスセンサを提供する。
【解決手段】ダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄと、ダイヤフラム構造体の絶縁層上に形成されたガス検知層を含む層状部３１、４１と、ガス検知層を介して互いに接続する一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂ、４６Ａ，４６Ｂと、電極取出し辺３Ｐ、４Ｐに沿って設置されて検知電極に接続する一対の検知パッド３３、４３とを有するガス検出素子３、４と、検知パッドに接続する基板側パッド２３が表面に形成され、複数のガス検出素子が一列に並ぶよう実装された配線基板２とを備え、ガス検出素子の下面Ｒ１と配線基板の表面との間に介装される第１接着層６１，６２と、隣接するガス検出素子の下面Ｒ２同士を跨ぐように当該下面と配線基板の表面との間に介装される第２接着層６３とを備えるガスセンサ１０である。
【解決手段】ダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄと、ダイヤフラム構造体の絶縁層上に形成されたガス検知層を含む層状部３１、４１と、ガス検知層を介して互いに接続する一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂ、４６Ａ，４６Ｂと、電極取出し辺３Ｐ、４Ｐに沿って設置されて検知電極に接続する一対の検知パッド３３、４３とを有するガス検出素子３、４と、検知パッドに接続する基板側パッド２３が表面に形成され、複数のガス検出素子が一列に並ぶよう実装された配線基板２とを備え、ガス検出素子の下面Ｒ１と配線基板の表面との間に介装される第１接着層６１，６２と、隣接するガス検出素子の下面Ｒ２同士を跨ぐように当該下面と配線基板の表面との間に介装される第２接着層６３とを備えるガスセンサ１０である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板に複数のガス検出素子を搭載したガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス検出素子として、１つの基体上にガス検知層（感応膜）を設けた構造のものが用いられている。このガス検出素子は、ガス検知層に接触してガス検知層の電気的特性の変化を検出する一対の検知電極を有し、検知電極の検出値に応じて特定ガス成分の濃度を検出する。さらに、被測定ガス中の複数種のガス成分の濃度をそれぞれ検知するため、複数のガス検出素子を１つの配線基板（支持体）に実装したガスセンサも開発されている（特許文献１）。このガスセンサは、平面視多角形状のガス検出素子の一辺（取出し辺）に沿って検知電極に接続される検知パッドを配置して、その上で配線基板のパッドと検知パッドとをワイヤボンディング接続し、この取出し辺の裏面を配線基板に片持ち式にダイボンドで固定（接着）している。このように複数種のガス成分を検出可能なガスセンサは、例えば自動車のエアコンディショナーの内外気切替えを制御するフラップ開閉制御システムに用いられている。
又、複数のサーミスタをアレイ状に１個の半導体基板上に形成した赤外線検出素子の局所にダイボンドを塗布し、基板に固定して実装する方法が開示されている（特許文献２）。
これらの検出素子においては、半導体基板を含むダイヤフラム構造体を有し、このダイヤフラム構造体上にガス検知層やサーミスタを設けている。これにより、ガス検知層の熱が周囲に逃げ難くなり、検出精度を向上することができる。なお、ダイヤフラム構造体は、表裏面に貫通した空洞部を有するシリコン基板等の半導体基板と、空洞部の一方の開口部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層とを備える構造体として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2006-337110号公報
【特許文献２】特開平7-58134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、特許文献１記載の技術の場合、個々のダイヤフラム構造体のガス検出素子の固定が片持ち式であることから、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子が振動してガス検知層を含む層状部が剥離するおそれがある。
特許文献２記載の技術においても、赤外線検出素子の外周縁のみをダイボンドで固定しているため、赤外線検出素子上の個々のダイヤフラム構造体（サーミスタ）については一辺のみが単に固定されているに過ぎない。その結果、個々のダイヤフラム構造体の固定は片持ち式となり、ダイヤフラム構造体が振動する問題が同様に生じ易い。
【０００５】
そこで、本発明は、ダイヤフラム構造体上にガス検知層を含む層状部を有するガス検出素子の複数を配線基板に実装したガスセンサにおいて、衝撃や振動等による層状部の剥離を抑制すると共に、生産性に優れたガスセンサ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】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、表裏面を貫通した空洞部を有する半導体基板及び該空洞部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層を含むと共に、平面視多角形状をなすダイヤフラム構造体と、該ダイヤフラム構造体の前記絶縁層上に形成された少なくともガス検知層を含む層状部と、前記ガス検知層を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極と、前記ダイヤフラム構造体の周縁部の一辺である電極取出し辺に沿って設置されて前記一対の検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッドとを有するガス検出素子と、前記検知パッドに電気的に接続する基板側パッドが表面に一列に形成され、複数の前記ガス検出素子が、一列に、かつ前記電極取出し辺が前記電極パッドに対向して一方向に並ぶよう実装された配線基板とを備え、前記ガス検出素子の前記電極取出し辺に沿う下面と前記配線基板の表面との間に介装される第１接着層と、隣接する前記ガス検出素子の下面同士を跨ぐように当該下面と前記配線基板の表面との間に介装されると共に、前記第１接着層と離間して配置される第２接着層とを備える。
このようなガスセンサによれば、ダイヤフラム構造体を有するガス検出素子は、それぞれ第１接着層と第２接着層の少なくとも２箇所で配線基板に固定されるので、各ダイヤフラム構造体（ガス検出素子）が片持ち式でなく多点で固定される。その結果として、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子が振れて層状部が剥離することが抑制される。又、ガス検出素子のうち電極取出し辺に沿う下面に配置される第１接着層に離間して配置される第２接着層は、隣接するガス検出素子の下面同士を跨ぐように１箇所に配置されている。これにより、隣接するガス検出素子の各下面に別個に接着層を設ける必要がないので、生産効率が向上する。
【０００７】
前記絶縁層内には発熱抵抗体が埋設されており、前記ダイヤフラム構造体の前記空洞部を形成する壁面に前記第１及び第２接着層が付着していないことが好ましい。
空洞部を形成する壁面に第１，第２接着層が付着すると、発熱抵抗体で生じた熱の熱逃げが壁面に付着した第１，第２接着層を介して周囲に生じることになり、発熱抵抗体による加熱精度、ひいてはガス検知層によるガス検出精度が低下する場合がある。また、応力の発生によりダイヤフラム構造体に破損が生じる可能性もある。そこで、空洞部を形成する壁面に第１，第２接着層を付着させないことで、ガス検知層による検出精度の低下を抑制すると共に、ダイヤフラム構造体の破損を防止することができる。
【０００８】
前記配線基板の前記ガス検出素子に対向する表面には、前記周縁部のいずれかの辺を横断し、かつ前記空洞部に対向する部分に連通する通気凹部が設けられていることが好ましい。
このようなガスセンサによれば、接着層となる接着剤が周縁部全体へ広がっても、通気凹部には接着剤が広がらないため、通気凹部でダイヤフラム構造の内部と外部とが通気される。その結果として、ガス検出素子が加熱又は冷却された場合でも、ダイヤフラム構造内部の気圧の変動を抑制し、ダイヤフラム構造の破損を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ダイヤフラム構造体上にガス検知層を含む層状部を有するガス検出素子を、複数、配線基板に実装したガスセンサにおいて、衝撃や振動等による層状部の剥離を抑制すると共に、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。
【図２】保護キャップを外したガスセンサ本体の平面図である。
【図３】接着層によりガス検出素子を配線基板に固定（実装）する態様を示す平面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【図６】通気凹部を設けない場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図７】通気凹部を設けた場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図８】別の通気凹部を設けた場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図９】ガス検出素子の配線形態を示す平面図である。
【図１０】ガス検出素子の検知電極及びヒータ電極の形態を示す要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１０の分解斜視図、図２は保護キャップを外したガスセンサ本体１の平面図である。
図１において、ガスセンサ１０は、２つのガス検出素子３，４を搭載（実装）した配線基板（支持体）２からなるガスセンサ本体１と、このガスセンサ本体１（配線基板２）の被保護面２Ｓ及びこれに囲まれたキャビティ２１（凹部）を覆う保護カバー９とを備える。
【００１２】
ガス検出素子３、４は、いずれも平面視矩形状（平面視四角形状）をなしており、表裏面を貫通する空洞部３０１、４０１（図４参照）を有するシリコン基板と、空洞部３０１、４０１を覆うように各シリコン基板上に形成された絶縁層とを備えたダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄ（図４参照）を有している。そして、この各ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄ上（詳細には絶縁層上）には、ガス感応膜（特許請求の範囲の「ガス検知層」に相当）３１、４１がそれぞれ形成されている。又、詳しくは後述するが、ガス検出素子３、４は、ガス感応膜３１，４１を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極をそれぞれ有しており、検知電極によりガス感応膜３１，４１の電気的特性の変化（特定ガス成分の濃度に応じた抵抗値変化）を検出するようになっている。
そして、ガス検出素子３の一辺（図１、図２の下側の辺、特許請求の範囲の「電極取出し辺」に相当）上には、この検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッド３３（外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ）が形成されている。又、各ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの絶縁層内には、図示しないヒータ（発熱抵抗体）が埋設されており、上記電極取出し辺の上には、このヒータを通電する一対のヒータパッド３４（外側ヒータパッド３４Ａ，内側ヒータパッド３４Ｂ）が形成されている。このように、ガス検出素子３の電極取出し辺に沿って検知パッド３３及びヒータパッド３４を集約して配置することにより、ガス検出素子３とこれを実装する配線基板２との配線スペースをコンパクトにし、ガスセンサ１０の小型化が図られる。
【００１３】
なお、図１、図２の左側から、外側ヒータパッド３４Ａ，外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ，内側ヒータパッド３４Ｂが、この順に一列に電極取出し辺上に並んでおり、これらのパッドは、ワイヤボンディング可能になっている。
ガス検出素子４はガス検出素子３とほぼ同一の構成を有し、ガス検出素子３と同様な一対の検知パッド４３（外側検知パッド４３Ａ，内側検知パッド４３Ｂ）、及び一対のヒータパッド４４（外側ヒータパッド４４Ａ，内側ヒータパッド４４Ｂ）が一辺（図１、図２の下側の辺、特許請求の範囲の「電極取出し辺」に相当）上に形成されている。
【００１４】
配線基板２は、略直方体形状を有しており、略四角枠状の被保護面２Ｓに囲まれ、内部に２つのガス検出素子３，４を搭載する空間をなすキャビティ２１が凹設されている。配線基板２の対向する短辺の側壁は内側に凹んだ案内凹部２Ａ，２Ｂを構成している。また、この案内凹部２Ａ，２Ｂは、被保護面２Ｓの裏面２Ｅ側（図４参照）でさらに一段内側に凹み、係合凹部２Ｃ，２Ｄが形成されている。
又、配線基板２はセラミック絶縁層、具体的には４層のアルミナ質のセラミック絶縁層２４，２５，２６，２７を積層してなる多層基板である。そして、配線基板２の対向する長辺の側壁には、略半円筒、あるいは１／４円筒状に凹設されたいわゆるキャステレーションが複数形成されている。配線基板２の内部配線は、このキャステレーション部分に引き出され、さらにこのキャステレーションを通じて、図示しないこの配線基板２の裏面２Ｅまで引き回され、プリント配線基板などにハンダ付け接続可能となっている。
【００１５】
図４に示すように、配線基板２は、最下層に位置する略矩形平板状のセラミック絶縁層２４上に、後述する通気凹部２５Ａ（図示せず）を有するセラミック絶縁層２５が積層され、さらに、略矩形枠状のセラミック絶縁層２６が積層されている。さらに、この上には、セラミック絶縁層２６より幅細で略矩形枠状のセラミック絶縁層２７が積層されている。これにより、セラミック絶縁層２５がキャビティ２１の底部２１Ｂ（図５参照）を構成し、セラミック絶縁層２６がキャビティ２１内の段部２２を構成している。段部２２は被保護面２Ｓより段状に下がりつつ、底部２１Ｂを矩形枠状に囲んでいる。
そして、段部２２のうち、一辺（図１、図２の下側の辺）に相当するパッド形成辺部２２Ｐ（図２参照）には、５つの基板側パッド２３が一列に並んで形成されている。具体的には図２に示すように、図２の左から、基板側第１ヒータパッド２３Ａ，基板側第１検知パッド２３Ｂ，基板側共通パッド２３Ｃ，基板側第２検知パッド２３Ｄ，基板側第２ヒータパッド２３Ｅがこの順に一列に並んでいる。このように、パッド形成辺部２２Ｐに基板側パッド２３を集約して配置することにより、ガス検出素子３との配線スペースをコンパクトにし、ガスセンサ１０の小型化が図られる。
【００１６】
なお、これらの基板側パッド２３は、公知の構造によって外部と接続可能となっている。具体的には、基板側パッド２３は、それぞれ図示しない内部配線を通じて、配線基板２の側面に形成されたキャステレーションに引き出され、このキャステレーションに形成された導電層を通じて、その裏面２Ｅの接続パッド（図示しない）に接続している。これにより、プリント配線基板などの支持基板に、このガスセンサ１０を搭載することができる。
【００１７】
そして、配線基板２のキャビティ２１内には、パッド形成辺部２２Ｐに各ガス検出素子３、４の電極取出し辺が対向するようにして各ガス検出素子３、４が収容され、後述する第１，第２接着剤を介して両者が固定（接着）される。このようにして、複数（２個）のガス検出素子３，４が電極取出し辺を一方向に並ぶ（隣接する）ようにして配線基板２に搭載される。
さらに、図２に示すように、ガス検出素子３の外側ヒータパッド３４Ａは配線基板２の基板側第１ヒータパッド２３Ａに、外側検知パッド３３Ａは基板側第１検知パッド２３Ｂに、内側検知パッド３３Ｂ及び内側ヒータパッド３４Ｂは基板側共通パッド２３Ｃに、それぞれボンディングワイヤ５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄを介して接続される。
同様に、ガス検出素子４の内側ヒータパッド４４Ａ及び内側検知パッド４３Ａは基板側共通パッド２３Ｃに、外側検知パッド４３Ｂは基板側第２検知パッド２３Ｄに、外側ヒータパッド４４Ｂは基板側第２ヒータパッド２３Ｅに、それぞれボンディングワイヤ５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄを介して接続される。
【００１８】
なお、基板側共通パッド２３Ｃを共通の電位（接地電位）としても、ガス検出素子３、４の各ヒータに流す電流を別個に制御することができる。又、各ガス感応膜３１、４１の抵抗値も別個に測定することができる。そして、例えばガス検出素子３において、ＮＯｘ等の酸化性ガスの濃度変化を検知し、ガス検出素子４において、ＣＯ，ＨＣ等の還元性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００１９】
そして、後述する第１，第２接着層によりガス検出素子３，４が配線基板２に実装されてガスセンサ本体１が構成され、このガスセンサ本体１を保護すべく保護カバー９が取り付けられる。
保護カバー９は、略平板状で配線基板２の被保護面２Ｓ及びキャビティ２１を覆う大きさの保護プレート部９１と、この保護プレート部９１の両端部分から直角に折り曲げられて延びる係合部９２，９３とを有し、側面視、略コ字状となっている。このうち、保護プレート部９１には、複数の所定位置に通気孔９１Ａが穿孔され、この通気孔９１Ａを通じて、被測定ガスが２つのガス検出素子３，４に導かれる。また、保護プレート部９１には、この保護カバー９の取り付け方向を示す方向指示切り欠き９１Ｂがその周縁に形成されて、１８０度回転した状態で誤ってガスセンサ本体１（配線基板２）に取り付けられるのを防止している。また、係合部９２，９３には、それぞれその先端付近に、係止爪部９２Ａ等（係合部９３側は図示しない）が形成されている。
【００２０】
そして、保護カバー９の係合部９２，９３を配線基板２の案内凹部２Ａ，２Ｂに沿わせて、保護プレート部９１を配線基板２の被保護面２Ｓ及びキャビティ２１に近付ける。さらに、保護カバー９の係止爪部９２Ａ等を、配線基板２の係合凹部２Ｃ，２Ｄに係合させることで、保護カバー９がガスセンサ本体１（配線基板２）に係止される。
【００２１】
なお、配線基板としては、セラミック製の配線基板に限られず、樹脂製またはグレーズ製の配線基板であっても良い。また、配線基板とガス検出素子との接続は、両者のパッド同士をボンディングワイヤで接続するほか、ＴＡＢリードを用いることもできる。
【００２２】
次に、図３を参照し、第１接着層６１，６２、第２接着層６３によりガス検出素子３、４を配線基板２に固定（実装）する態様について説明する。まず、配線基板２のセラミック絶縁層２５上の所定位置に第１接着層６１，６２及び第２接着層６３となる接着剤を供給（塗着）した後、キャビティ２１内に２つのガス検出素子３，４を収容する。
これにより、ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐに沿う下面Ｒ１と配線基板２の表面との間に第１接着層６１が介装される。同様に、ガス検出素子４の電極取出し辺４Ｐに沿う下面Ｒ１と配線基板２の表面との間に第１接着層６２が介装される。
さらに、本発明の場合、隣接するガス検出素子３，４の下面Ｒ２同士（周縁部（辺）３Ｑ，４Ｑに沿う下面Ｒ２同士）を跨ぐ（つなぐ）１箇所の領域Ｒｘと、配線基板２の表面との間にも第２接着層６３が介装されている。なお、領域Ｒｘは下面Ｒ１を含まず、第２接着層６３は、第１接着層６１，６２と離間して配置される。
このようにして、ガス検出素子３、４は、それぞれＲ１とＲ２（Ｒｘ）の２箇所で配線基板２に固定（接着）されるので、ガス検出素子３、４のダイヤフラム構造部分が片持ち式でなく２点で固定される。その結果として、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子３，４が振れてガス感応膜３１，４１が剥離することが抑制される。
【００２３】
ここで、領域Ｒｘは、ガス検出素子３，４の下面Ｒ２同士をつなぐ１箇所に形成されている。これにより、ガス検出素子３，４の各下面Ｒ２にそれぞれ別個に（２箇所）接着層を設ける必要がなく、例えば、接着層（第２接着層６３）となる接着剤をノズルで点状（ドット状）に１箇所供給すればよいので、生産効率が向上する。さらに、図３の例では、領域Ｒｘの第２接着層６３は、辺３Ｑ，４Ｑのうち電極取出し辺３Ｐ、４Ｐと反対側の対辺３Ｒ、４Ｒ側に介装され、さらに配線基板２の段部２２寄りにはみ出し、全体として１つの円（ドット状）になっている。
なお、領域Ｒｘは辺３Ｑ，４Ｑの中央側に位置していてもよいが、ガス検出素子３、４のダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄ（図４参照）を確実に固定するためには、領域Ｒｘを電極取出し辺３Ｐ、４Ｐからできるだけ遠ざけ、辺３Ｑ，４Ｑの端に位置させるのがよい。
【００２４】
第１接着層６１，６２、第２接着層６３としては、エポキシ樹脂等の樹脂を用いることができるが、粘着テープ等を用いてもよい。
【００２５】
本発明において、「ガス検出素子の下面」とは、実装時にガス検出素子３，４が配線基板２に対向する面であり、「配線基板の表面」とは、実装時に配線基板２がガス検出素子３，４に対向する面である。
又、ガス検出素子３、４は、空洞部３０１、４０１が形成されたダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄを有し、「ガス検出素子の下面」には、空洞部３０１、４０１を形成する壁面３９Ａ、４９Ａ及び空洞部３０１、４０１に露出する絶縁層の表面は含まれないものとする。
【００２６】
図４は、図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。ガス検出素子３、４は、それぞれ周縁部３９Ｅ、４９Ｅから表面３Ｂ、４Ｂ側に向かって薄くなるダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄを有している。又、空洞部３０１、４０１は、周縁部３９Ｅ、４９Ｅからダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄへ向かって先細るテーパー状の壁面３９Ａ、４９Ａによって形成されている。
そして、ガス検出素子３，４同士の隣接する周縁部３９Ｅ、４９Ｅ（図３の下面Ｒ２）をつなぐ１箇所の領域Ｒｘと配線基板２の表面との間に、第２接着層６３が介装されている。
【００２７】
図５は、図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐに沿う周縁部３９Ｅの下面Ｒ１と配線基板２の表面との間には、第１接着層６１が介装され、領域Ｒｘと配線基板２の表面との間に第２接着層６３が介装されている。
又、ボンディングワイヤ５１Ｄを介して、ガス検出素子３の内側ヒータパッド３４Ｂが基板側共通パッド２３Ｃに接続されている。
【００２８】
なお、第１接着層６１、第２接着層６３がダイヤフラム構造体３９Ｄの空洞部３０１を形成する壁面３９Ａに付着しないよう、接着剤の供給（塗着）量が調整されている。空洞部３０１を形成する壁面３９Ａに第１，第２接着層６１，６３が付着すると、空洞部３０１の開口容積が小さくなり、ダイヤフラム構造体３９Ｄの絶縁膜の内部に配置されるヒータで生じた熱逃げが生じやすくなり、ヒータによるガス感応膜３１の加熱精度が低下し、ガス感応膜３１によるガス検出精度が低下する場合がある。
また、配線基板２のセラミック絶縁層２５には、電極取出し辺３Ｐに平行で、かつ電極取出し辺３Ｐと対辺３Ｒとのほぼ中間の位置に通気凹部２５Ａが形成されている。以下、通気凹部２５Ａの機能について説明する。
【００２９】
図６は、通気凹部２５Ａを設けない場合の接着剤６Ａの流動状態を示す平面図である。なお、接着剤６Ａは、硬化して第１接着層６１，６２、第２接着層６３となるものである。上記したガス検出素子３の下面Ｒ１及び領域Ｒｘに相当するセラミック絶縁層２５上に接着剤６Ａを供給（塗着）した後、ガス検出素子３を押し付けると、ガス検出素子３とセラミック絶縁層２５との隙間の毛管現象により、下面Ｒ１及び領域Ｒｘの接着剤６Ａが周囲へ広がってゆく。この場合、接着剤６Ａの供給量が多くなると、接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ，４９Ｅ全体へ広がり（図の矢印）、下面Ｒ１と領域Ｒｘの接着剤６Ａが離間した状態を保てずに繋がり、枠上の周縁部３９Ｅ全体が接着剤（接着層）で封止されることがある。すると、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの内部と外部とが通気されず、ガス検出素子３が加熱又は冷却された場合に、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの内部（空洞部３０１、４０１）の気圧が高くなりすぎ、あるいは低くなりすぎて、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄが破損するおそれがある。
【００３０】
そこで、図７に示すように、セラミック絶縁層２５上に、ガス検出素子３の周縁部のいずれかの辺（この例では、辺３Ｑ及びその対辺３Ｓ）を横断し、かつダイヤフラム構造体３９Ｄの空洞部３０１に対向する部分に連通する通気凹部２５Ａを設けると、接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ全体へ広がっても（図の矢印）、通気凹部２５Ａには接着剤６Ａが広がらないため、通気凹部２５Ａでダイヤフラム構造体３９Ｄ（空洞部３０１）の内部と外部とが通気される。その結果として、ガス検出素子３が加熱又は冷却された場合でも、ダイヤフラム構造体３９Ｄの内部の気圧の変動を抑制し、ダイヤフラム構造体３９Ｄの破損を防止することができる。ガス検出素子４についても同様に、通気凹部２５Ａは辺４Ｑ及びその対辺４Ｓを横断し、かつダイヤフラム構造対４９Ｄの空洞部４０１に対向する部分に連通する。
なお、図８に示すように、通気凹部２５Ａは、ガス検出素子３，４の周縁部の少なくともいずれか１つの辺（この例では、対辺３Ｓ、４Ｓ）を横断すればよい。この場合、辺３Ｑ、４Ｑ側で接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ，４９Ｅ全体へ広がっても、対辺３Ｓ、４Ｓ側では通気が可能となる。
【００３１】
次に、図９を参照し、ガス検知素子３（４）の詳細な構成について説明する。なお、ガス検知素子４は、ガス感応膜の構成が異なること以外はガス検知素子３と同一の構成を有するので、ガス検知素子３と同一部分については図９の符号に（）を付けて対応させ、説明を省略する。
ガス検知素子３は、矩形平板状のシリコン基板からなる半導体基板上に絶縁層を形成した上記のダイヤフラム構造体３９Ｄを有しており、その絶縁膜の内部であって、平面視したときに空洞部（図９において図示せず）に重なる位置に、２重渦巻き状のヒータ３８（図１０参照）が形成されている。さらにヒータ３８が埋設された絶縁層上には、互いに噛み合うように間隔を空けて配置された一対の櫛歯状の検知電極３６Ａ，３６Ｂ（図１０参照）が、互いに電気的に絶縁されつつ重なって形成されている。さらに検知電極３６Ａ，３６Ｂの上には、金属酸化物半導体（具体的にはＳｎＯ2）からなる矩形状のガス感応膜３１がこれらを覆うように被着して、一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂに電気的に接続している。なお、本実施例では、ガス感応膜３１は、ＳｎＯ2の表面に触媒としてのＡｕが分散して付着してなる。
従って、ヒータ３８に通電すると、ガス感応膜３１が加熱されて活性化し、ＮＯｘなどの酸化性ガス（第１のガス種）に反応して、その抵抗値が変化する。そこで、一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂ間におけるガス感応膜３１の抵抗値を測定することで、酸化性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００３２】
第１検知電極３６Ａ，３６Ｂの端部はガス感応膜３１の外まで引き出され、それぞれ検知接続配線３５Ａ，３５Ｂに電気的に接続している。同様に、ヒータ３８の端部は、それぞれヒータ接続配線３７Ａ，３７Ｂに電気的に接続している。
一方、ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐ上には、図９の左側から外側ヒータパッド３４Ａ，外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ、内側ヒータパッド３４Ｂが順に形成されている。そして、外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂにそれぞれ検知接続配線３５Ａ，３５Ｂが電気的に接続され、外側ヒータパッド３４Ａ，内側ヒータパッド３４Ｂにそれぞれヒータ接続配線３７Ａ，３７Ｂが電気的に接続されている。
【００３３】
なお、ガス検出素子４のガス感応膜４１の材質は、ＳｎＯ2の表面に触媒としてＰｄを分散させてなる。このため、ガス検出素子４は、ガス検出素子３とは異なり、ガス感応膜４１を加熱して活性化することで、ＣＯ，ＨＣなどの還元性ガス（第２のガス種）に反応して、その抵抗値が変化する。従って、一対の検知電極４６Ａ，４６Ｂ間におけるガス感応膜４１の抵抗値を測定することで、還元性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００３４】
又、ガス検出素子３，４の平面形状は四角形状に限らず、多角形状であればよく、その大きさ、厚み、各部材の配置も限定されるものではない。
ガス感応膜３１、４１としては、特定のガス種に反応してその電気的特性が変化するものであれ使用することができるが、例えば、酸化物半導体膜を挙げることができる。このガス感応膜に用いる酸化物半導体としては、上述したＳｎＯ2の他に、例えば、ＺｎＯ，ＷＯ3，Ｉｎ2Ｏ3，ＴｉＯ2，Ｖ2Ｏ5等が挙げられる。検知したいガス種に応じて、適宜その主体となる酸化物半導体の組成を選択すればよい。また、酸化物半導体の主体となる組成を共通とした上で、それに添加する触媒の種類を検知したいガス種に応じて適宜変更するようにしても良い。具体的には、ガス感応膜３１をＷＯ3を主体とした酸化物半導体で構成する一方、他のガス感応膜４１をＳｎＯ2を主体とした酸化物半導体で構成するガスセンサが挙げられる。
【００３５】
なお、本発明における「層状部」は、ガス感応膜（ガス検知層）単体からなる場合にはガス感応膜に相当し、ガス感応膜の表面に触媒（Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ等）が設けられている場合はガス感応膜と触媒の全体を指すものとする。又、ガス感応膜の内部に触媒を含有させた場合には、ガス感応膜が「層状部」に相当する。さらに、ガス感応膜（触媒を含有させた構成、触媒を非含有の構成の双方を含む）、又はガス感応膜と触媒からなる層をさらにガス透過性を有する保護層で覆っている場合は、ガス感応膜を含むこれらの各層（膜）の全体を「層状部」とする。なお、保護層としては、酸化チタン等の酸化物粒子を分散したゾルを塗工し、乾燥させてガス透過性としたものが挙げられる。
本発明においては、上記ガス感応膜を含む層状部の厚みが１μｍ以上であると本発明の効果が大きい。また、ガス感応膜を含めた層状部がスクリーン印刷等の厚膜形成される構成であると本発明の効果が大きい。これらの層状部は厚みが比較的厚いため、衝撃や振動等によって層状部が剥がれ易い傾向にあるため、本発明の第１，第２接着層によるガス検知素子の配線基板への固定（接着）の効果が有効に発揮されるためである。
【００３６】
絶縁層中に埋設されるヒータ（発熱抵抗体）としては、通電により発熱するものであればいずれのものでも良いが、例えば、導電路をなす材質を体積固有抵抗の高いものとしたり、導電路の線幅、断面積を小さくして抵抗を大きくするなどにより、発熱をさせる線状のヒータが挙げられる。この線状のヒータでは、導電路を直線状とするほか、ジグザグや二重渦巻きの形態などとすることもできる。また、抵抗体を平面状に配置して面全体を発熱させるヒータなども挙げられる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では２個のガス検出素子を配線基板に実装したが、３個以上のガス検出素子を配線基板に実装してもよい。この場合、図３のガス検出素子４の左側に第３のガス検出素子が並び、ガス検出素子４と第３のガス検出素子の隣接する周縁部の間に跨るように、領域Ｒｘと同様の第２接着層を配置すればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ガスセンサ
２ 配線基板
６１，６２ 第１接着層
６３ 第２接着層
２３ 基板側パッド
２５Ａ 通気凹部
３、４ ガス検出素子
３Ｐ、４Ｐ 電極取出し辺
３１、４１ ガス検知層（層状部）
３０１、４０１ 空洞部
３９Ａ、４９Ａ 空洞部を構成する壁面
３９Ｄ、４９Ｄ ダイヤフラム構造体
３９Ｅ、４９Ｅ 周縁部
３６Ａ，３６Ｂ、４６Ａ，４６Ｂ 検知電極
３３、４３ 検知パッド
Ｒ１ ガス検出素子の電極取出し辺に沿う下面
Ｒ２ ガス検出素子同士の隣接する周縁部に沿う下面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板に複数のガス検出素子を搭載したガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス検出素子として、１つの基体上にガス検知層（感応膜）を設けた構造のものが用いられている。このガス検出素子は、ガス検知層に接触してガス検知層の電気的特性の変化を検出する一対の検知電極を有し、検知電極の検出値に応じて特定ガス成分の濃度を検出する。さらに、被測定ガス中の複数種のガス成分の濃度をそれぞれ検知するため、複数のガス検出素子を１つの配線基板（支持体）に実装したガスセンサも開発されている（特許文献１）。このガスセンサは、平面視多角形状のガス検出素子の一辺（取出し辺）に沿って検知電極に接続される検知パッドを配置して、その上で配線基板のパッドと検知パッドとをワイヤボンディング接続し、この取出し辺の裏面を配線基板に片持ち式にダイボンドで固定（接着）している。このように複数種のガス成分を検出可能なガスセンサは、例えば自動車のエアコンディショナーの内外気切替えを制御するフラップ開閉制御システムに用いられている。
又、複数のサーミスタをアレイ状に１個の半導体基板上に形成した赤外線検出素子の局所にダイボンドを塗布し、基板に固定して実装する方法が開示されている（特許文献２）。
これらの検出素子においては、半導体基板を含むダイヤフラム構造体を有し、このダイヤフラム構造体上にガス検知層やサーミスタを設けている。これにより、ガス検知層の熱が周囲に逃げ難くなり、検出精度を向上することができる。なお、ダイヤフラム構造体は、表裏面に貫通した空洞部を有するシリコン基板等の半導体基板と、空洞部の一方の開口部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層とを備える構造体として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2006-337110号公報
【特許文献２】特開平7-58134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、特許文献１記載の技術の場合、個々のダイヤフラム構造体のガス検出素子の固定が片持ち式であることから、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子が振動してガス検知層を含む層状部が剥離するおそれがある。
特許文献２記載の技術においても、赤外線検出素子の外周縁のみをダイボンドで固定しているため、赤外線検出素子上の個々のダイヤフラム構造体（サーミスタ）については一辺のみが単に固定されているに過ぎない。その結果、個々のダイヤフラム構造体の固定は片持ち式となり、ダイヤフラム構造体が振動する問題が同様に生じ易い。
【０００５】
そこで、本発明は、ダイヤフラム構造体上にガス検知層を含む層状部を有するガス検出素子の複数を配線基板に実装したガスセンサにおいて、衝撃や振動等による層状部の剥離を抑制すると共に、生産性に優れたガスセンサ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】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、表裏面を貫通した空洞部を有する半導体基板及び該空洞部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層を含むと共に、平面視多角形状をなすダイヤフラム構造体と、該ダイヤフラム構造体の前記絶縁層上に形成された少なくともガス検知層を含む層状部と、前記ガス検知層を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極と、前記ダイヤフラム構造体の周縁部の一辺である電極取出し辺に沿って設置されて前記一対の検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッドとを有するガス検出素子と、前記検知パッドに電気的に接続する基板側パッドが表面に一列に形成され、複数の前記ガス検出素子が、一列に、かつ前記電極取出し辺が前記電極パッドに対向して一方向に並ぶよう実装された配線基板とを備え、前記ガス検出素子の前記電極取出し辺に沿う下面と前記配線基板の表面との間に介装される第１接着層と、隣接する前記ガス検出素子の下面同士を跨ぐように当該下面と前記配線基板の表面との間に介装されると共に、前記第１接着層と離間して配置される第２接着層とを備える。
このようなガスセンサによれば、ダイヤフラム構造体を有するガス検出素子は、それぞれ第１接着層と第２接着層の少なくとも２箇所で配線基板に固定されるので、各ダイヤフラム構造体（ガス検出素子）が片持ち式でなく多点で固定される。その結果として、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子が振れて層状部が剥離することが抑制される。又、ガス検出素子のうち電極取出し辺に沿う下面に配置される第１接着層に離間して配置される第２接着層は、隣接するガス検出素子の下面同士を跨ぐように１箇所に配置されている。これにより、隣接するガス検出素子の各下面に別個に接着層を設ける必要がないので、生産効率が向上する。
【０００７】
前記絶縁層内には発熱抵抗体が埋設されており、前記ダイヤフラム構造体の前記空洞部を形成する壁面に前記第１及び第２接着層が付着していないことが好ましい。
空洞部を形成する壁面に第１，第２接着層が付着すると、発熱抵抗体で生じた熱の熱逃げが壁面に付着した第１，第２接着層を介して周囲に生じることになり、発熱抵抗体による加熱精度、ひいてはガス検知層によるガス検出精度が低下する場合がある。また、応力の発生によりダイヤフラム構造体に破損が生じる可能性もある。そこで、空洞部を形成する壁面に第１，第２接着層を付着させないことで、ガス検知層による検出精度の低下を抑制すると共に、ダイヤフラム構造体の破損を防止することができる。
【０００８】
前記配線基板の前記ガス検出素子に対向する表面には、前記周縁部のいずれかの辺を横断し、かつ前記空洞部に対向する部分に連通する通気凹部が設けられていることが好ましい。
このようなガスセンサによれば、接着層となる接着剤が周縁部全体へ広がっても、通気凹部には接着剤が広がらないため、通気凹部でダイヤフラム構造の内部と外部とが通気される。その結果として、ガス検出素子が加熱又は冷却された場合でも、ダイヤフラム構造内部の気圧の変動を抑制し、ダイヤフラム構造の破損を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ダイヤフラム構造体上にガス検知層を含む層状部を有するガス検出素子を、複数、配線基板に実装したガスセンサにおいて、衝撃や振動等による層状部の剥離を抑制すると共に、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。
【図２】保護キャップを外したガスセンサ本体の平面図である。
【図３】接着層によりガス検出素子を配線基板に固定（実装）する態様を示す平面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【図６】通気凹部を設けない場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図７】通気凹部を設けた場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図８】別の通気凹部を設けた場合の接着剤の流動状態を示す平面図である。
【図９】ガス検出素子の配線形態を示す平面図である。
【図１０】ガス検出素子の検知電極及びヒータ電極の形態を示す要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ１０の分解斜視図、図２は保護キャップを外したガスセンサ本体１の平面図である。
図１において、ガスセンサ１０は、２つのガス検出素子３，４を搭載（実装）した配線基板（支持体）２からなるガスセンサ本体１と、このガスセンサ本体１（配線基板２）の被保護面２Ｓ及びこれに囲まれたキャビティ２１（凹部）を覆う保護カバー９とを備える。
【００１２】
ガス検出素子３、４は、いずれも平面視矩形状（平面視四角形状）をなしており、表裏面を貫通する空洞部３０１、４０１（図４参照）を有するシリコン基板と、空洞部３０１、４０１を覆うように各シリコン基板上に形成された絶縁層とを備えたダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄ（図４参照）を有している。そして、この各ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄ上（詳細には絶縁層上）には、ガス感応膜（特許請求の範囲の「ガス検知層」に相当）３１、４１がそれぞれ形成されている。又、詳しくは後述するが、ガス検出素子３、４は、ガス感応膜３１，４１を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極をそれぞれ有しており、検知電極によりガス感応膜３１，４１の電気的特性の変化（特定ガス成分の濃度に応じた抵抗値変化）を検出するようになっている。
そして、ガス検出素子３の一辺（図１、図２の下側の辺、特許請求の範囲の「電極取出し辺」に相当）上には、この検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッド３３（外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ）が形成されている。又、各ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの絶縁層内には、図示しないヒータ（発熱抵抗体）が埋設されており、上記電極取出し辺の上には、このヒータを通電する一対のヒータパッド３４（外側ヒータパッド３４Ａ，内側ヒータパッド３４Ｂ）が形成されている。このように、ガス検出素子３の電極取出し辺に沿って検知パッド３３及びヒータパッド３４を集約して配置することにより、ガス検出素子３とこれを実装する配線基板２との配線スペースをコンパクトにし、ガスセンサ１０の小型化が図られる。
【００１３】
なお、図１、図２の左側から、外側ヒータパッド３４Ａ，外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ，内側ヒータパッド３４Ｂが、この順に一列に電極取出し辺上に並んでおり、これらのパッドは、ワイヤボンディング可能になっている。
ガス検出素子４はガス検出素子３とほぼ同一の構成を有し、ガス検出素子３と同様な一対の検知パッド４３（外側検知パッド４３Ａ，内側検知パッド４３Ｂ）、及び一対のヒータパッド４４（外側ヒータパッド４４Ａ，内側ヒータパッド４４Ｂ）が一辺（図１、図２の下側の辺、特許請求の範囲の「電極取出し辺」に相当）上に形成されている。
【００１４】
配線基板２は、略直方体形状を有しており、略四角枠状の被保護面２Ｓに囲まれ、内部に２つのガス検出素子３，４を搭載する空間をなすキャビティ２１が凹設されている。配線基板２の対向する短辺の側壁は内側に凹んだ案内凹部２Ａ，２Ｂを構成している。また、この案内凹部２Ａ，２Ｂは、被保護面２Ｓの裏面２Ｅ側（図４参照）でさらに一段内側に凹み、係合凹部２Ｃ，２Ｄが形成されている。
又、配線基板２はセラミック絶縁層、具体的には４層のアルミナ質のセラミック絶縁層２４，２５，２６，２７を積層してなる多層基板である。そして、配線基板２の対向する長辺の側壁には、略半円筒、あるいは１／４円筒状に凹設されたいわゆるキャステレーションが複数形成されている。配線基板２の内部配線は、このキャステレーション部分に引き出され、さらにこのキャステレーションを通じて、図示しないこの配線基板２の裏面２Ｅまで引き回され、プリント配線基板などにハンダ付け接続可能となっている。
【００１５】
図４に示すように、配線基板２は、最下層に位置する略矩形平板状のセラミック絶縁層２４上に、後述する通気凹部２５Ａ（図示せず）を有するセラミック絶縁層２５が積層され、さらに、略矩形枠状のセラミック絶縁層２６が積層されている。さらに、この上には、セラミック絶縁層２６より幅細で略矩形枠状のセラミック絶縁層２７が積層されている。これにより、セラミック絶縁層２５がキャビティ２１の底部２１Ｂ（図５参照）を構成し、セラミック絶縁層２６がキャビティ２１内の段部２２を構成している。段部２２は被保護面２Ｓより段状に下がりつつ、底部２１Ｂを矩形枠状に囲んでいる。
そして、段部２２のうち、一辺（図１、図２の下側の辺）に相当するパッド形成辺部２２Ｐ（図２参照）には、５つの基板側パッド２３が一列に並んで形成されている。具体的には図２に示すように、図２の左から、基板側第１ヒータパッド２３Ａ，基板側第１検知パッド２３Ｂ，基板側共通パッド２３Ｃ，基板側第２検知パッド２３Ｄ，基板側第２ヒータパッド２３Ｅがこの順に一列に並んでいる。このように、パッド形成辺部２２Ｐに基板側パッド２３を集約して配置することにより、ガス検出素子３との配線スペースをコンパクトにし、ガスセンサ１０の小型化が図られる。
【００１６】
なお、これらの基板側パッド２３は、公知の構造によって外部と接続可能となっている。具体的には、基板側パッド２３は、それぞれ図示しない内部配線を通じて、配線基板２の側面に形成されたキャステレーションに引き出され、このキャステレーションに形成された導電層を通じて、その裏面２Ｅの接続パッド（図示しない）に接続している。これにより、プリント配線基板などの支持基板に、このガスセンサ１０を搭載することができる。
【００１７】
そして、配線基板２のキャビティ２１内には、パッド形成辺部２２Ｐに各ガス検出素子３、４の電極取出し辺が対向するようにして各ガス検出素子３、４が収容され、後述する第１，第２接着剤を介して両者が固定（接着）される。このようにして、複数（２個）のガス検出素子３，４が電極取出し辺を一方向に並ぶ（隣接する）ようにして配線基板２に搭載される。
さらに、図２に示すように、ガス検出素子３の外側ヒータパッド３４Ａは配線基板２の基板側第１ヒータパッド２３Ａに、外側検知パッド３３Ａは基板側第１検知パッド２３Ｂに、内側検知パッド３３Ｂ及び内側ヒータパッド３４Ｂは基板側共通パッド２３Ｃに、それぞれボンディングワイヤ５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄを介して接続される。
同様に、ガス検出素子４の内側ヒータパッド４４Ａ及び内側検知パッド４３Ａは基板側共通パッド２３Ｃに、外側検知パッド４３Ｂは基板側第２検知パッド２３Ｄに、外側ヒータパッド４４Ｂは基板側第２ヒータパッド２３Ｅに、それぞれボンディングワイヤ５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄを介して接続される。
【００１８】
なお、基板側共通パッド２３Ｃを共通の電位（接地電位）としても、ガス検出素子３、４の各ヒータに流す電流を別個に制御することができる。又、各ガス感応膜３１、４１の抵抗値も別個に測定することができる。そして、例えばガス検出素子３において、ＮＯｘ等の酸化性ガスの濃度変化を検知し、ガス検出素子４において、ＣＯ，ＨＣ等の還元性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００１９】
そして、後述する第１，第２接着層によりガス検出素子３，４が配線基板２に実装されてガスセンサ本体１が構成され、このガスセンサ本体１を保護すべく保護カバー９が取り付けられる。
保護カバー９は、略平板状で配線基板２の被保護面２Ｓ及びキャビティ２１を覆う大きさの保護プレート部９１と、この保護プレート部９１の両端部分から直角に折り曲げられて延びる係合部９２，９３とを有し、側面視、略コ字状となっている。このうち、保護プレート部９１には、複数の所定位置に通気孔９１Ａが穿孔され、この通気孔９１Ａを通じて、被測定ガスが２つのガス検出素子３，４に導かれる。また、保護プレート部９１には、この保護カバー９の取り付け方向を示す方向指示切り欠き９１Ｂがその周縁に形成されて、１８０度回転した状態で誤ってガスセンサ本体１（配線基板２）に取り付けられるのを防止している。また、係合部９２，９３には、それぞれその先端付近に、係止爪部９２Ａ等（係合部９３側は図示しない）が形成されている。
【００２０】
そして、保護カバー９の係合部９２，９３を配線基板２の案内凹部２Ａ，２Ｂに沿わせて、保護プレート部９１を配線基板２の被保護面２Ｓ及びキャビティ２１に近付ける。さらに、保護カバー９の係止爪部９２Ａ等を、配線基板２の係合凹部２Ｃ，２Ｄに係合させることで、保護カバー９がガスセンサ本体１（配線基板２）に係止される。
【００２１】
なお、配線基板としては、セラミック製の配線基板に限られず、樹脂製またはグレーズ製の配線基板であっても良い。また、配線基板とガス検出素子との接続は、両者のパッド同士をボンディングワイヤで接続するほか、ＴＡＢリードを用いることもできる。
【００２２】
次に、図３を参照し、第１接着層６１，６２、第２接着層６３によりガス検出素子３、４を配線基板２に固定（実装）する態様について説明する。まず、配線基板２のセラミック絶縁層２５上の所定位置に第１接着層６１，６２及び第２接着層６３となる接着剤を供給（塗着）した後、キャビティ２１内に２つのガス検出素子３，４を収容する。
これにより、ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐに沿う下面Ｒ１と配線基板２の表面との間に第１接着層６１が介装される。同様に、ガス検出素子４の電極取出し辺４Ｐに沿う下面Ｒ１と配線基板２の表面との間に第１接着層６２が介装される。
さらに、本発明の場合、隣接するガス検出素子３，４の下面Ｒ２同士（周縁部（辺）３Ｑ，４Ｑに沿う下面Ｒ２同士）を跨ぐ（つなぐ）１箇所の領域Ｒｘと、配線基板２の表面との間にも第２接着層６３が介装されている。なお、領域Ｒｘは下面Ｒ１を含まず、第２接着層６３は、第１接着層６１，６２と離間して配置される。
このようにして、ガス検出素子３、４は、それぞれＲ１とＲ２（Ｒｘ）の２箇所で配線基板２に固定（接着）されるので、ガス検出素子３、４のダイヤフラム構造部分が片持ち式でなく２点で固定される。その結果として、ワイヤボンディング等の際に生じる衝撃や振動により、ガス検出素子３，４が振れてガス感応膜３１，４１が剥離することが抑制される。
【００２３】
ここで、領域Ｒｘは、ガス検出素子３，４の下面Ｒ２同士をつなぐ１箇所に形成されている。これにより、ガス検出素子３，４の各下面Ｒ２にそれぞれ別個に（２箇所）接着層を設ける必要がなく、例えば、接着層（第２接着層６３）となる接着剤をノズルで点状（ドット状）に１箇所供給すればよいので、生産効率が向上する。さらに、図３の例では、領域Ｒｘの第２接着層６３は、辺３Ｑ，４Ｑのうち電極取出し辺３Ｐ、４Ｐと反対側の対辺３Ｒ、４Ｒ側に介装され、さらに配線基板２の段部２２寄りにはみ出し、全体として１つの円（ドット状）になっている。
なお、領域Ｒｘは辺３Ｑ，４Ｑの中央側に位置していてもよいが、ガス検出素子３、４のダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄ（図４参照）を確実に固定するためには、領域Ｒｘを電極取出し辺３Ｐ、４Ｐからできるだけ遠ざけ、辺３Ｑ，４Ｑの端に位置させるのがよい。
【００２４】
第１接着層６１，６２、第２接着層６３としては、エポキシ樹脂等の樹脂を用いることができるが、粘着テープ等を用いてもよい。
【００２５】
本発明において、「ガス検出素子の下面」とは、実装時にガス検出素子３，４が配線基板２に対向する面であり、「配線基板の表面」とは、実装時に配線基板２がガス検出素子３，４に対向する面である。
又、ガス検出素子３、４は、空洞部３０１、４０１が形成されたダイヤフラム構造体３９Ｄ、４９Ｄを有し、「ガス検出素子の下面」には、空洞部３０１、４０１を形成する壁面３９Ａ、４９Ａ及び空洞部３０１、４０１に露出する絶縁層の表面は含まれないものとする。
【００２６】
図４は、図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。ガス検出素子３、４は、それぞれ周縁部３９Ｅ、４９Ｅから表面３Ｂ、４Ｂ側に向かって薄くなるダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄを有している。又、空洞部３０１、４０１は、周縁部３９Ｅ、４９Ｅからダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄへ向かって先細るテーパー状の壁面３９Ａ、４９Ａによって形成されている。
そして、ガス検出素子３，４同士の隣接する周縁部３９Ｅ、４９Ｅ（図３の下面Ｒ２）をつなぐ１箇所の領域Ｒｘと配線基板２の表面との間に、第２接着層６３が介装されている。
【００２７】
図５は、図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐに沿う周縁部３９Ｅの下面Ｒ１と配線基板２の表面との間には、第１接着層６１が介装され、領域Ｒｘと配線基板２の表面との間に第２接着層６３が介装されている。
又、ボンディングワイヤ５１Ｄを介して、ガス検出素子３の内側ヒータパッド３４Ｂが基板側共通パッド２３Ｃに接続されている。
【００２８】
なお、第１接着層６１、第２接着層６３がダイヤフラム構造体３９Ｄの空洞部３０１を形成する壁面３９Ａに付着しないよう、接着剤の供給（塗着）量が調整されている。空洞部３０１を形成する壁面３９Ａに第１，第２接着層６１，６３が付着すると、空洞部３０１の開口容積が小さくなり、ダイヤフラム構造体３９Ｄの絶縁膜の内部に配置されるヒータで生じた熱逃げが生じやすくなり、ヒータによるガス感応膜３１の加熱精度が低下し、ガス感応膜３１によるガス検出精度が低下する場合がある。
また、配線基板２のセラミック絶縁層２５には、電極取出し辺３Ｐに平行で、かつ電極取出し辺３Ｐと対辺３Ｒとのほぼ中間の位置に通気凹部２５Ａが形成されている。以下、通気凹部２５Ａの機能について説明する。
【００２９】
図６は、通気凹部２５Ａを設けない場合の接着剤６Ａの流動状態を示す平面図である。なお、接着剤６Ａは、硬化して第１接着層６１，６２、第２接着層６３となるものである。上記したガス検出素子３の下面Ｒ１及び領域Ｒｘに相当するセラミック絶縁層２５上に接着剤６Ａを供給（塗着）した後、ガス検出素子３を押し付けると、ガス検出素子３とセラミック絶縁層２５との隙間の毛管現象により、下面Ｒ１及び領域Ｒｘの接着剤６Ａが周囲へ広がってゆく。この場合、接着剤６Ａの供給量が多くなると、接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ，４９Ｅ全体へ広がり（図の矢印）、下面Ｒ１と領域Ｒｘの接着剤６Ａが離間した状態を保てずに繋がり、枠上の周縁部３９Ｅ全体が接着剤（接着層）で封止されることがある。すると、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの内部と外部とが通気されず、ガス検出素子３が加熱又は冷却された場合に、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄの内部（空洞部３０１、４０１）の気圧が高くなりすぎ、あるいは低くなりすぎて、ダイヤフラム構造体３９Ｄ，４９Ｄが破損するおそれがある。
【００３０】
そこで、図７に示すように、セラミック絶縁層２５上に、ガス検出素子３の周縁部のいずれかの辺（この例では、辺３Ｑ及びその対辺３Ｓ）を横断し、かつダイヤフラム構造体３９Ｄの空洞部３０１に対向する部分に連通する通気凹部２５Ａを設けると、接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ全体へ広がっても（図の矢印）、通気凹部２５Ａには接着剤６Ａが広がらないため、通気凹部２５Ａでダイヤフラム構造体３９Ｄ（空洞部３０１）の内部と外部とが通気される。その結果として、ガス検出素子３が加熱又は冷却された場合でも、ダイヤフラム構造体３９Ｄの内部の気圧の変動を抑制し、ダイヤフラム構造体３９Ｄの破損を防止することができる。ガス検出素子４についても同様に、通気凹部２５Ａは辺４Ｑ及びその対辺４Ｓを横断し、かつダイヤフラム構造対４９Ｄの空洞部４０１に対向する部分に連通する。
なお、図８に示すように、通気凹部２５Ａは、ガス検出素子３，４の周縁部の少なくともいずれか１つの辺（この例では、対辺３Ｓ、４Ｓ）を横断すればよい。この場合、辺３Ｑ、４Ｑ側で接着剤６Ａが周縁部３９Ｅ，４９Ｅ全体へ広がっても、対辺３Ｓ、４Ｓ側では通気が可能となる。
【００３１】
次に、図９を参照し、ガス検知素子３（４）の詳細な構成について説明する。なお、ガス検知素子４は、ガス感応膜の構成が異なること以外はガス検知素子３と同一の構成を有するので、ガス検知素子３と同一部分については図９の符号に（）を付けて対応させ、説明を省略する。
ガス検知素子３は、矩形平板状のシリコン基板からなる半導体基板上に絶縁層を形成した上記のダイヤフラム構造体３９Ｄを有しており、その絶縁膜の内部であって、平面視したときに空洞部（図９において図示せず）に重なる位置に、２重渦巻き状のヒータ３８（図１０参照）が形成されている。さらにヒータ３８が埋設された絶縁層上には、互いに噛み合うように間隔を空けて配置された一対の櫛歯状の検知電極３６Ａ，３６Ｂ（図１０参照）が、互いに電気的に絶縁されつつ重なって形成されている。さらに検知電極３６Ａ，３６Ｂの上には、金属酸化物半導体（具体的にはＳｎＯ2）からなる矩形状のガス感応膜３１がこれらを覆うように被着して、一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂに電気的に接続している。なお、本実施例では、ガス感応膜３１は、ＳｎＯ2の表面に触媒としてのＡｕが分散して付着してなる。
従って、ヒータ３８に通電すると、ガス感応膜３１が加熱されて活性化し、ＮＯｘなどの酸化性ガス（第１のガス種）に反応して、その抵抗値が変化する。そこで、一対の検知電極３６Ａ，３６Ｂ間におけるガス感応膜３１の抵抗値を測定することで、酸化性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００３２】
第１検知電極３６Ａ，３６Ｂの端部はガス感応膜３１の外まで引き出され、それぞれ検知接続配線３５Ａ，３５Ｂに電気的に接続している。同様に、ヒータ３８の端部は、それぞれヒータ接続配線３７Ａ，３７Ｂに電気的に接続している。
一方、ガス検出素子３の電極取出し辺３Ｐ上には、図９の左側から外側ヒータパッド３４Ａ，外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂ、内側ヒータパッド３４Ｂが順に形成されている。そして、外側検知パッド３３Ａ，内側検知パッド３３Ｂにそれぞれ検知接続配線３５Ａ，３５Ｂが電気的に接続され、外側ヒータパッド３４Ａ，内側ヒータパッド３４Ｂにそれぞれヒータ接続配線３７Ａ，３７Ｂが電気的に接続されている。
【００３３】
なお、ガス検出素子４のガス感応膜４１の材質は、ＳｎＯ2の表面に触媒としてＰｄを分散させてなる。このため、ガス検出素子４は、ガス検出素子３とは異なり、ガス感応膜４１を加熱して活性化することで、ＣＯ，ＨＣなどの還元性ガス（第２のガス種）に反応して、その抵抗値が変化する。従って、一対の検知電極４６Ａ，４６Ｂ間におけるガス感応膜４１の抵抗値を測定することで、還元性ガスの濃度変化を検知することができる。
【００３４】
又、ガス検出素子３，４の平面形状は四角形状に限らず、多角形状であればよく、その大きさ、厚み、各部材の配置も限定されるものではない。
ガス感応膜３１、４１としては、特定のガス種に反応してその電気的特性が変化するものであれ使用することができるが、例えば、酸化物半導体膜を挙げることができる。このガス感応膜に用いる酸化物半導体としては、上述したＳｎＯ2の他に、例えば、ＺｎＯ，ＷＯ3，Ｉｎ2Ｏ3，ＴｉＯ2，Ｖ2Ｏ5等が挙げられる。検知したいガス種に応じて、適宜その主体となる酸化物半導体の組成を選択すればよい。また、酸化物半導体の主体となる組成を共通とした上で、それに添加する触媒の種類を検知したいガス種に応じて適宜変更するようにしても良い。具体的には、ガス感応膜３１をＷＯ3を主体とした酸化物半導体で構成する一方、他のガス感応膜４１をＳｎＯ2を主体とした酸化物半導体で構成するガスセンサが挙げられる。
【００３５】
なお、本発明における「層状部」は、ガス感応膜（ガス検知層）単体からなる場合にはガス感応膜に相当し、ガス感応膜の表面に触媒（Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ等）が設けられている場合はガス感応膜と触媒の全体を指すものとする。又、ガス感応膜の内部に触媒を含有させた場合には、ガス感応膜が「層状部」に相当する。さらに、ガス感応膜（触媒を含有させた構成、触媒を非含有の構成の双方を含む）、又はガス感応膜と触媒からなる層をさらにガス透過性を有する保護層で覆っている場合は、ガス感応膜を含むこれらの各層（膜）の全体を「層状部」とする。なお、保護層としては、酸化チタン等の酸化物粒子を分散したゾルを塗工し、乾燥させてガス透過性としたものが挙げられる。
本発明においては、上記ガス感応膜を含む層状部の厚みが１μｍ以上であると本発明の効果が大きい。また、ガス感応膜を含めた層状部がスクリーン印刷等の厚膜形成される構成であると本発明の効果が大きい。これらの層状部は厚みが比較的厚いため、衝撃や振動等によって層状部が剥がれ易い傾向にあるため、本発明の第１，第２接着層によるガス検知素子の配線基板への固定（接着）の効果が有効に発揮されるためである。
【００３６】
絶縁層中に埋設されるヒータ（発熱抵抗体）としては、通電により発熱するものであればいずれのものでも良いが、例えば、導電路をなす材質を体積固有抵抗の高いものとしたり、導電路の線幅、断面積を小さくして抵抗を大きくするなどにより、発熱をさせる線状のヒータが挙げられる。この線状のヒータでは、導電路を直線状とするほか、ジグザグや二重渦巻きの形態などとすることもできる。また、抵抗体を平面状に配置して面全体を発熱させるヒータなども挙げられる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では２個のガス検出素子を配線基板に実装したが、３個以上のガス検出素子を配線基板に実装してもよい。この場合、図３のガス検出素子４の左側に第３のガス検出素子が並び、ガス検出素子４と第３のガス検出素子の隣接する周縁部の間に跨るように、領域Ｒｘと同様の第２接着層を配置すればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ガスセンサ
２ 配線基板
６１，６２ 第１接着層
６３ 第２接着層
２３ 基板側パッド
２５Ａ 通気凹部
３、４ ガス検出素子
３Ｐ、４Ｐ 電極取出し辺
３１、４１ ガス検知層（層状部）
３０１、４０１ 空洞部
３９Ａ、４９Ａ 空洞部を構成する壁面
３９Ｄ、４９Ｄ ダイヤフラム構造体
３９Ｅ、４９Ｅ 周縁部
３６Ａ，３６Ｂ、４６Ａ，４６Ｂ 検知電極
３３、４３ 検知パッド
Ｒ１ ガス検出素子の電極取出し辺に沿う下面
Ｒ２ ガス検出素子同士の隣接する周縁部に沿う下面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面を貫通した空洞部を有する半導体基板及び該空洞部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層を含むと共に、平面視多角形状をなすダイヤフラム構造体と、該ダイヤフラム構造体の前記絶縁層上に形成された少なくともガス検知層を含む層状部と、前記ガス検知層を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極と、前記ダイヤフラム構造体の周縁部の一辺である電極取出し辺に沿って設置されて前記一対の検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッドとを有するガス検出素子と、
前記検知パッドに電気的に接続する基板側パッドが表面に一列に形成され、複数の前記ガス検出素子が、一列に、かつ前記電極取出し辺が前記電極パッドに対向して一方向に並ぶよう実装された配線基板とを備え、前記ガス検出素子の前記電極取出し辺に沿う下面と前記配線基板の表面との間に介装される第１接着層と、隣接する前記ガス検出素子の下面同士を跨ぐように当該下面と前記配線基板の表面との間に介装されると共に、前記第１接着層と離間して配置される第２接着層とを備えるガスセンサ。
【請求項２】
前記絶縁層内には発熱抵抗体が埋設されており、前記ダイヤフラム構造体の前記空洞部を形成する壁面に前記第１及び第２接着層が付着していない請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記配線基板の前記ガス検出素子に対向する表面には、前記周縁部のいずれかの辺を横断し、かつ前記空洞部に対向する部分に連通する通気凹部が設けられている請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項１】
表裏面を貫通した空洞部を有する半導体基板及び該空洞部を覆うように当該半導体基板上に形成された絶縁層を含むと共に、平面視多角形状をなすダイヤフラム構造体と、該ダイヤフラム構造体の前記絶縁層上に形成された少なくともガス検知層を含む層状部と、前記ガス検知層を介して互いに電気的に接続する一対の検知電極と、前記ダイヤフラム構造体の周縁部の一辺である電極取出し辺に沿って設置されて前記一対の検知電極にそれぞれ電気的に接続する一対の検知パッドとを有するガス検出素子と、
前記検知パッドに電気的に接続する基板側パッドが表面に一列に形成され、複数の前記ガス検出素子が、一列に、かつ前記電極取出し辺が前記電極パッドに対向して一方向に並ぶよう実装された配線基板とを備え、前記ガス検出素子の前記電極取出し辺に沿う下面と前記配線基板の表面との間に介装される第１接着層と、隣接する前記ガス検出素子の下面同士を跨ぐように当該下面と前記配線基板の表面との間に介装されると共に、前記第１接着層と離間して配置される第２接着層とを備えるガスセンサ。
【請求項２】
前記絶縁層内には発熱抵抗体が埋設されており、前記ダイヤフラム構造体の前記空洞部を形成する壁面に前記第１及び第２接着層が付着していない請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記配線基板の前記ガス検出素子に対向する表面には、前記周縁部のいずれかの辺を横断し、かつ前記空洞部に対向する部分に連通する通気凹部が設けられている請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２７２１（Ｐ２０１２−２７２１Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３９０７２（Ｐ２０１０−１３９０７２）
【出願日】平成２２年６月１８日（２０１０．６．１８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１８日（２０１０．６．１８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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