接触燃焼式ガスセンサ

【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】絶縁基板を貫通するスリット上に、スリット上を架橋するヒーター部を形成し、触媒材料からなる焼結体が、ヒーター部と、スリットを覆いながら、基板上に露出しており、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。

【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１２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１２と、ガスの燃焼熱を効率よくヒーターコイル５に伝える熱伝導層材料１１から成る焼結体２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５とからなり、ヒーターコイル５が焼結体２に埋め込まれた構造となっている。ヒーターコイル５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。
【０００４】
また、半導体式ガスセンサ素子には、ヒーター部を有し、それに装備された半導体層における可燃性ガスの吸着現象により発生する半導体層の電気伝導度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。
【０００５】
また、従来の接触燃焼式ガスセンサの構造とは異なる、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がある。そして、高感度化及び発熱抵抗体の温度分布の均一化を目的として、例えばシリコン基板に設けた凹部上部に発熱抵抗体を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】特開平６−１０２２２７号公報（第４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のように発熱抵抗体１３が四角形の薄膜絶縁体でできた架橋部１４上に形成されて熱容量が大きくなるため、燃焼熱の一部は薄膜絶縁体に奪われる。
【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、架橋支持部１５の幅が薄膜絶縁体でできた矩形の架橋部１４の辺の長さより狭小であることから、耐衝撃性が低く、
車載用のセンサとして使用することはできない。
【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形成してい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、絶縁基板を貫通するスリットを有することことが好ましい。
【００１３】
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、ヒーター部は、スリット上を架橋して形成することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、焼結体がヒーター部と、スリットを覆うことが好ましい。
【００１５】
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、焼結体が絶縁基板上に露出していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
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スリット上を架橋する構造であるため、ヒーター部の両面を有効に活用できる。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、触媒との接触面積を大きくとることができるため、ガス感度と応答速度が向上する。
【００１７】
また、スリットが絶縁基板を貫通していることで、触媒層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することができる。もしくは、スリットを貫通構造ではなく凹型にすることも可能であり、製造上容易でセンサの耐衝撃性が向上する。
【００１８】
また、ヒーター部本体が、スリット上を架橋して形成していることで、ヒーター部を支える架橋部および土台となる絶縁膜が不要であるため製造上容易であり、熱容量を下げることができ、ガス感度と応答速度が向上する。
【００１９】
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、スリット内に充填されることで、スリット内に隙間がなくなるためヒーター部の耐衝撃性が向上する。また、ヒーター部の両面を有効に使うことができるため、ガス感度が向上する。
【００２０】
また、焼結体が絶縁基板上に露出していることで、触媒材料はスリット内部に充填されておりチップ全体の耐衝撃性が向上する。そして、従来例と比較して、触媒材料は焼結体となってスリットの側壁に固着しているため、チップから剥離しにくい構造になっており、長期信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
（第一の実施形態）
【００２２】
図１(a)は本発明の第一の実施形態にかかる接触燃焼式ガスセンサであり、ヒーター部
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、ヒーター部が絶縁基板と接している側の面をヒーター部の裏面、絶縁基板と接していない面を表面とする。また、表面と裏面をあわせて両面とする。
【００２３】
図２は焼結体を形成する前の接触燃焼式ガスセンサの表面をあらわしている。絶縁基板１を貫通するスリット１０がある。このスリット１０内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。
【００２４】
ヒーター部９は、スリット１０上を架橋して形成されている。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はスリット１０の長軸方向と平行に架橋してもよい。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９の両端には電極部３があり、センサの外部と導通できるようになっている。
【００２６】
図１(a)の表面にある焼結体２は焼結前にスラリー状でスリット内に充填されるため、図３のように、裏面にも焼結体２が露出する構造になっている。このため、検知対象ガスがどちらか片面に流入した場合でも迅速に応答することが可能である。また、図１(b)のように、絶縁基板１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の一部を取り除くことで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。
【００２７】
図１(b)に示すように、焼結体２はスリットの周囲や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。
【００２８】
ヒーター部９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、本実施形態の白金膜７のように、いずれか単一の材料で形成してもよい。
【００２９】
また、ヒーター部９は材料強度を確保するために、白金膜７の下部にタングステン膜またはチタン膜でできた硬質膜６を設けて２層で形成することが好ましい。
（第二の実施形態）
【００３０】
図１１に示すのは、本発明における接触燃焼式ガスセンサの第２の実施形態を説明するための図で、絶縁基板１に凹部８を有する構造である。凹部８が受け皿の役割となり、スラリー状の焼結体材料を充填しやすい。また、ヒーター部９の両面は、焼結体２で覆われており、検知対象ガスが焼結体２の表面で燃焼したときの燃焼熱がヒーター部９へ伝達しやすい構造になっている。
【００３１】
また、本実施形態はスリットのような貫通部分がないため、耐衝撃性に優れており、焼結体２が崩れにくい構造になっている。
【００３２】
上記のスリットを有する接触燃焼式ガスセンサ（以下、実施例１という。）および絶縁基板に凹部を有する接触燃焼式ガスセンサ（以下、実施例２という。）およびスリットまたは凹部の両方共具備しない接触燃焼式ガスセンサ（以下、比較例１）を組み立て、検知対象ガスに対する応答性能を評価した。
【００３３】
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。
【００３４】
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。評価結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
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１．２秒、メタンに対しては２．２秒であった。実施例２は、水素に対しては１．５秒、メタンに対しては２．５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と実施例２はともに比較例１を上回り、さらに実施例１は水素とメタンに対し最も早い応答時間を示した。これは、実施例１は、スリットを有することによりセンサの熱容量が下がるためで、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。従って、実施例１が最も応答時間が短くなったと考えられる。
【００３７】
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。
【００３８】
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基板１を積層させる。
【００３９】
図５に示すように、絶縁基板１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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、絶縁基板１が露出するまでドライエッチングを行う。シリコン基板４をエッチングして、絶縁基板１、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。
【００４２】
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３を形成する。
【００４３】
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、絶縁基板１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、スリット１０を形成する。
【００４４】
スリット１０の形状は楕円形でもよいし、コーナー部が湾曲していてもよい。前述のような方法でドライエッチングを行うとスリット上にヒーター部が架橋した構造が完成する。
【００４５】
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ヒーター部９全体を覆いながらスリット内へ充填される。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回に分けて焼結体２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、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。
【００４６】
本実施形態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。
【００４７】
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。
【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）は本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第２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１２】従来の接触燃焼式ガスセンサ素子の断面図である。
【図１３】従来のシリコンチップ型ガスセンサ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１絶縁基板
２焼結体
３電極部
４シリコン基板
５ヒーターコイル
６硬質膜
７白金膜
８凹部
９ヒーター部
１０スリット
１１熱伝導層材料
１２燃焼触媒材料
１３発熱抵抗体
１４架橋部
１５架橋支持部

【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、
絶縁基板に設けた前記ヒーター部の両面に前記焼結体を有する接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】
前記絶縁基板を貫通するスリットを有す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】
前記ヒーター部が、前記スリット上を架橋していることを特徴とする請求項２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項４】
前記焼結体は前記ヒーター部と、前記スリットとを覆うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項５】
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から請求項４のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。

【図１】