JP2010008371A - Flammable gas sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサを実現することのできる技術を提供する。
【解決手段】可燃性ガスセンサGS1は、センサチップ1と、センサチップ1を搭載するステム2と、上部と側部とを有し、側部の最下部がステム2の外周と溶接された金属キャップ6とを含み、ステム2と金属キャップ6とによってセンサチップ1を囲んでいる。金属キャップ6の上部には、例えば直径が0.5〜3mmの穴8が形成されており、金属キャップ6の内側にその穴8を覆う、例えば穴径が1〜4μm、厚さが0.3〜1mmの防水透湿性素材9が断熱材10によりかしめている。
【選択図】図1The present invention provides a technology capable of realizing a combustible gas sensor that is lightweight and compact and has explosion-proof properties.
A combustible gas sensor GS1 includes a sensor chip 1, a stem 2 on which the sensor chip 1 is mounted, an upper part and a side part, and a metal cap in which the lowermost part of the side part is welded to the outer periphery of the stem 2. 6, and the sensor chip 1 is surrounded by the stem 2 and the metal cap 6. A hole 8 having a diameter of 0.5 to 3 mm, for example, is formed in the upper portion of the metal cap 6, and the hole 8 is covered inside the metal cap 6. For example, the hole diameter is 1 to 4 μm and the thickness is 0. A waterproof and moisture-permeable material 9 of 3 to 1 mm is caulked by the heat insulating material 10.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、可燃性ガスセンサに関し、特に、水素ガスを検知するガスセンサの実装構造に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a combustible gas sensor, and more particularly to a technique that is effective when applied to a gas sensor mounting structure for detecting hydrogen gas.
例えば爆発の恐れがある可燃性ガス(例えば水素ガスまたはメタンガスなど)を検知するガスセンサの実装構造が、産業安全研究所技術指針、工場電気設備防爆指針(ガス蒸気防爆2006)、独立行政法人産業安全研究所発行、pp138−143(非特許文献1)に記載されている。この基準に従ったガスセンサの実装構造が耐圧防爆構造として認定されている。耐圧防爆構造は、ガスセンサの実装内空間で万一ガス爆発が生じたときに、ガスセンサの実装外空間に存在する爆発性ガスに引火または爆発をおこさせないことを保証する構造である。 For example, the mounting structure of a gas sensor that detects a flammable gas (for example, hydrogen gas or methane gas) that may explode is the Industrial Safety Institute Technical Guidelines, Factory Electrical Equipment Explosion Protection Guidelines (Gas Steam Explosion Protection 2006), and Industrial Safety It is described in Research Institute, pp138-143 (Non-patent Document 1). The gas sensor mounting structure according to this standard is certified as a flameproof structure. The explosion-proof structure is a structure that ensures that the explosive gas existing in the space outside the gas sensor does not ignite or explode if a gas explosion occurs in the space inside the gas sensor.
また、水素ガスを検知するガスセンサの一例として、1975年にランドストローム(Lundstroem)らによって提案されたゲートにPdを用いたSi−MOSFET(Metal oxide Semiconductor Field Effect Transistor)型水素ガスセンサ(非特許文献2)がある。その後、ゲート構造に幾多の工夫が加えられてはいるが、Si−MOSFET型水素ガスセンサは、その動作温度が、例えば100〜150℃程度であり、接触燃焼式センサや金属酸化物半導体センサの動作温度300〜500℃よりも低いという特徴を有している。 As an example of a gas sensor for detecting hydrogen gas, a Si-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) type hydrogen gas sensor using Pd as a gate proposed by Lundstroem et al. In 1975 (Non-patent Document 2) ) After that, although various devices have been added to the gate structure, the operation temperature of the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor is, for example, about 100 to 150 ° C., and the operation of the contact combustion type sensor or the metal oxide semiconductor sensor The temperature is lower than 300 to 500 ° C.
また、特許第2848818号公報(特許文献1)には、ソース・ドレイン電極を跨いでゲート電極の延長ゲートを構成し、延長ゲートの下にシリコン基板をリセスして配置したマイクロヒータにより局部的に加熱し、水素ガスを延長ゲートで解離させてゲート電極中を拡散させることにより、ゲート絶縁膜界面に水素を運ぶSi−MOSFET型水素ガスセンサが開示されている。 Further, in Japanese Patent No. 2848818 (Patent Document 1), an extension gate of a gate electrode is formed across a source / drain electrode, and locally by a microheater disposed by recessing a silicon substrate under the extension gate. A Si-MOSFET type hydrogen gas sensor is disclosed that transports hydrogen to the interface of the gate insulating film by heating, dissociating the hydrogen gas with an extension gate, and diffusing the gate electrode.
また、燃料電池自動車・家庭用燃料電池の実用化に向けて2007NEDO平成18年度成果報告シンポジウム、7月12日(第3日)ポスター発表要旨集、p84(非特許文献3)には、半導体チップ上にヒータと、センサ素子と、温度を計測するpn接合ダイオードとを搭載したセンサチップを備えるSi−MOSFET型水素ガスセンサが記載されている。
一般に、可燃性ガスを検知する多くのセンサ部分の大きさは数ミリ程度、重量は50mg程度であるが、前述した耐圧防爆構造を採用すると外形容量は650mL程度(外形寸法:約70(W)×150(H)×110(D)mm、取り付け金具含まず)と大きくなり、重量も900g程度と重くなるので、耐圧防爆構造のガスセンサの設置場所に制限が加わり、実際の設置時における作業性も悪くなる。そのため、可燃性ガスの場合、ガス漏れが発生する箇所が予め予測できるにもかかわらず、ガス漏れが発生する可能性が高い箇所に常に耐圧防爆構造のガスセンサを設置することができないという課題がある。爆発の恐れがある可燃性ガス、特に水素ガスは拡散が非常に早いことから、漏れる危険性のある箇所にガスセンサを置かないと、開放空間であれば見逃す恐れがあり、密閉空間であればガスセンサが反応するよりも先に爆発する恐れがある。 In general, the size of many sensor parts for detecting flammable gas is about several millimeters and the weight is about 50 mg. However, if the above-mentioned explosion-proof construction is adopted, the outer capacity is about 650 mL (outer dimension: about 70 (W)). × 150 (H) × 110 (D) mm, not including mounting brackets), and the weight is as heavy as about 900g. This limits the installation location of the gas sensor with the explosion-proof construction and improves the workability during actual installation. Also gets worse. Therefore, in the case of flammable gas, there is a problem that a gas sensor having a pressure-proof explosion-proof structure cannot always be installed at a location where gas leakage is likely to occur even though the location where gas leakage occurs can be predicted in advance. . Since flammable gases, especially hydrogen gas, that may explode, diffuse very quickly, if you do not place a gas sensor in a place where there is a risk of leakage, you may miss it if it is an open space. May explode before reacts.
また、厳密な意味では防爆領域とは言えないが、爆発の恐れがある場所、例えばガソリンスタンドまたは水素ガスなどをキャリアガスとして多用する半導体工場などにおいても、防爆性能を備えたガスセンサをガス漏れが発生する可能性が高い場所に設置することが望まれている。しかし、このような爆発の恐れがある場所であっても、前述したように、耐圧防爆構造のガスセンサの設置場所には制限が加わるため、ガス漏れの危険性のある場所に耐圧防爆構造のガスセンサを常に設置することができない。また、新規の取り付けや寿命保証によるガスセンサの交換の作業性も悪いという問題もある。 In a strict sense, it is not an explosion-proof area, but gas leaks with explosion-proof performance can be used in places where there is a risk of explosion, such as gas stations or semiconductor factories that frequently use hydrogen gas as a carrier gas. It is desired to install in a place where there is a high possibility of occurrence. However, even in places where there is a risk of such an explosion, as described above, there are restrictions on the installation location of the gas sensor with the explosion-proof construction, so the gas sensor with the explosion-proof construction is used in a place where there is a risk of gas leakage. Can not always be installed. In addition, there is a problem that the workability of replacement of the gas sensor due to new installation or life guarantee is also poor.
そこで、例えば可燃性ガスの発生元にガスセンサを設置する場合には、前述した耐圧防爆構造を採用せずにセンサ部分のみを設置することもある。しかし、耐圧防爆構造を採用していないので当然に防爆性が保証できない。 Therefore, for example, when a gas sensor is installed at the generation source of the combustible gas, only the sensor portion may be installed without adopting the above-described flameproof structure. However, since the explosion-proof structure is not adopted, the explosion-proof property cannot be guaranteed.
また、前述した防爆指針によれば、耐圧防爆構造の防爆の最も核となるフレームアレスタ部分に焼結金属を用いた場合、公称ろ過径の最大値は70〜120μm、厚さの最小値は2〜4mmと決められている。また、フレームアレスタ部分に焼結金網を用いた場合、100メッシュ金網の最小焼結枚数は4〜8枚、異メッシュ5層焼結金網の公称ろ過径の最大値は100μm、厚さの最小枚数は1枚と決められている。また、外部からの衝撃にも耐えるように強度基準が設けられており、通常ガスセンサは鉄製の保護カバーを備えている。このように、耐圧防爆構造を実現するには特殊な構造を要するため、耐圧防爆構造のガスセンサの製造価格が非常に高くなる傾向にある。 Further, according to the above-mentioned explosion-proof guideline, when sintered metal is used for the flame arrester portion which is the most core of explosion-proof explosion-proof structure, the maximum nominal filtration diameter is 70 to 120 μm, and the minimum thickness is 2 It is determined to be ~ 4 mm. In addition, when a sintered wire mesh is used for the frame arrester part, the minimum number of 100 mesh wire meshes is 4-8, the maximum nominal filtration diameter of the different mesh 5-layer sintered wire mesh is 100 μm, and the minimum number of thicknesses. Is decided to be one. In addition, a strength standard is provided so as to withstand external impacts, and a gas sensor is usually provided with an iron protective cover. As described above, since a special structure is required to realize the explosion-proof structure, the manufacturing price of the gas sensor having the pressure-proof structure tends to be very high.
また、可燃性ガスを検知する多くのガスセンサでは、防爆性に加えて、ガスセンサの信頼性を保証するために、外気による擾乱(例えば湿気、塩分、NOxなどのガスまたは粉塵など)からガスセンサを守る実装も不可欠である。 In addition to explosion-proof, many gas sensors that detect flammable gases protect the gas sensor from disturbances caused by outside air (for example, gases such as moisture, salt, NOx, or dust) in order to guarantee the reliability of the gas sensor. Implementation is also essential.
ところで、前述した水素ガスを検知するSi−MOSFET型水素ガスセンサでは、100〜150℃程度の動作温度を維持した状態でセンサチップの消費電力を下げることにより、センサチップに防爆性を持たせることができる。事実、Si−MOSFET型水素ガスセンサの消費電力を25mW以下とし、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下の動作条件を実現できれば、センサチップに防爆構造は不要になることが法律的にも認められている。 By the way, in the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor that detects the hydrogen gas described above, it is possible to give the sensor chip an explosion-proof property by reducing the power consumption of the sensor chip while maintaining an operating temperature of about 100 to 150 ° C. it can. In fact, if the power consumption of the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor is 25 mW or less, the operating conditions of a rated voltage of 1.2 V or less and a rated current of 0.1 A or less can be realized, it is legally not necessary to provide an explosion-proof structure for the sensor chip. Is also accepted.
しかし、一般に可燃性ガスセンサのセンサチップの消費電力は数100mW程度であることが多い。例えば接触燃焼式と呼ばれる動作温度300〜500℃のセンサでは、センサチップのサイズを200μm程度と小さくした「μ−CSセンサ」においてさえも、その消費電力は70mW程度であり、さらに低消費電力化することは容易ではない。また、宇佐川らの日本国特許出願第2008−156427号(2008.6.16出願)に開示されたガスセンサにおいては、100〜150℃程度で動作させる時の消費電力は100〜150mW程度となり、消費電力が25mW以下で、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下を実現することができなかった。さらに、前述した特許文献1に記載されたSi−MOSFET型水素ガスセンサでは、ゲート絶縁膜近傍のゲート電極の温度が上昇せず、拡散距離が長いために応答速度が遅いという問題もある。 However, in general, the power consumption of the sensor chip of the combustible gas sensor is often about several hundreds mW. For example, in a sensor with an operating temperature of 300 to 500 ° C. called a contact combustion type, even in a “μ-CS sensor” in which the size of the sensor chip is as small as about 200 μm, the power consumption is about 70 mW, and the power consumption is further reduced. It is not easy to do. Further, in the gas sensor disclosed in Japanese Patent Application No. 2008-156427 (filed 2008.6.616) of Usagawa et al., The power consumption when operating at about 100 to 150 ° C. is about 100 to 150 mW, and the consumption The power was 25 mW or less, the rated voltage was 1.2 V or less, and the rated current was 0.1 A or less. Furthermore, the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor described in Patent Document 1 described above also has a problem that the response speed is slow because the temperature of the gate electrode in the vicinity of the gate insulating film does not increase and the diffusion distance is long.
本発明の目的は、軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサを実現することのできる技術を提供することにある。 The objective of this invention is providing the technique which can implement | achieve the combustible gas sensor which is lightweight and small and has explosion-proof property.
また、本発明の目的は、ガスセンサ特性を損なうことなく、消費電力が25mW以下で、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下のSi−MOSFET型水素ガスセンサを実現することのできる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technology capable of realizing a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor having a power consumption of 25 mW or less, a rated voltage of 1.2 V or less, and a rated current of 0.1 A or less without impairing gas sensor characteristics. It is to provide.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in this application, an embodiment of a representative one will be briefly described as follows.
この実施の形態は、センサチップと、センサチップを搭載するステムと、センサチップとステムとの間に挿入された断熱材と、側部の最下部がステムの外周と溶接された金属キャップとを含み、ステムと金属キャップとによってセンサチップを囲む可燃性ガスセンサである。金属キャップの上部には穴が形成されており、金属キャップの内側にその穴を覆う防水透湿性素材が断熱材によりかしめられている。防水透湿性素材の穴径は1〜4μm、厚さは0.3〜1mmである。 In this embodiment, a sensor chip, a stem on which the sensor chip is mounted, a heat insulating material inserted between the sensor chip and the stem, and a metal cap in which the lowermost portion of the side portion is welded to the outer periphery of the stem. A combustible gas sensor including a sensor chip surrounded by a stem and a metal cap. A hole is formed in the upper part of the metal cap, and a waterproof and moisture-permeable material covering the hole is caulked inside the metal cap by a heat insulating material. The hole diameter of the waterproof and moisture-permeable material is 1 to 4 μm, and the thickness is 0.3 to 1 mm.
また、この実施の形態は、センサチップと、センサチップを搭載するステムと、センサチップとステムとの間に挿入された断熱材とを含む可燃性ガスセンサである。センサチップには、センサ用電界効果トランジスタ、参照用電界効果トランジスタ、ヒータ配線およびpn接合ダイオードが形成されており、センサ用電界効果トランジスタの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙の距離を長くして、ここにヒータ配線が形成され、触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成された領域の基板の厚さが、触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成されていない領域の基板の厚さよりも薄く加工されている。触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成された領域の基板の厚さは0.1〜20μmである。 Moreover, this embodiment is a combustible gas sensor including a sensor chip, a stem on which the sensor chip is mounted, and a heat insulating material inserted between the sensor chip and the stem. In the sensor chip, a sensor field effect transistor, a reference field effect transistor, a heater wiring, and a pn junction diode are formed. The gap between the catalyst metal gate and the source electrode of the sensor field effect transistor and the catalyst metal gate and drain are formed. The distance between the electrode and the electrode is increased, the heater wiring is formed here, and the thickness of the substrate in the area where the catalytic metal gate and the heater wiring are formed is the same as that of the area where the catalytic metal gate and the heater wiring are not formed. Processed thinner than the thickness of the substrate. The thickness of the substrate in the region where the catalyst metal gate and the heater wiring are formed is 0.1 to 20 μm.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by one embodiment of a representative one will be briefly described as follows.
軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサを実現することができる。また、ガスセンサ特性を損なうことなく、消費電力が25mW以下で、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下のSi−MOSFET型水素ガスセンサを実現することができる。 A combustible gas sensor that is lightweight and compact and has explosion-proof properties can be realized. In addition, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor having a power consumption of 25 mW or less, a rated voltage of 1.2 V or less, and a rated current of 0.1 A or less can be realized without impairing gas sensor characteristics.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態においては、電界効果トランジスタを代表するMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)をMISと略し、pチャネル型のMISFETをpチャネルMISと略し、nチャネル型のMISFETをnチャネルMISと略す。なお、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)は、そのゲート絶縁膜が酸化シリコン(SiO2等)膜からなる構造の電界効果トランジスタであり、上記MISの下位概念に含まれるものとする。また、以下の実施の形態において、ウエハと言うときは、Si(Silicon)単結晶ウエハを主とするが、それのみではなく、SOI(Silicon On Insulator)ウエハ、集積回路をその上に形成するための絶縁膜基板等を指すものとする。その形も円形またはほぼ円形のみでなく、正方形、長方形等も含むものとする。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In the following embodiments, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) representing a field effect transistor is abbreviated as MIS, a p-channel type MISFET is abbreviated as a p-channel MIS, and an n-channel type MISFET is an n-channel. Abbreviated as MIS. A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) is a field effect transistor having a structure in which a gate insulating film is a silicon oxide (SiO 2 or the like) film, and is included in the subordinate concept of the MIS. In the following embodiments, the term “wafer” is mainly a Si (Silicon) single crystal wafer. However, not only that, but also an SOI (Silicon On Insulator) wafer and an integrated circuit are formed thereon. Insulating film substrate or the like. The shape includes not only a circle or a substantially circle but also a square, a rectangle and the like.
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施の形態では、可燃性ガスセンサの一例としてSi−MOSFET型水素ガスセンサについて説明するが、別方式のガスセンサに適用できることは言うまでもない。 In the embodiment of the present invention, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor will be described as an example of a combustible gas sensor, but it goes without saying that it can be applied to another type of gas sensor.
(実施の形態1)
本実施の形態1による簡易防爆構造の可燃性ガスセンサの基本的な構成を、図1を用いて説明する。図1(a)、(b)および(c)はそれぞれ可燃性ガスセンサの要部断面図、底面図および防水透湿性素材をかしめるための部品の斜視図である。
(Embodiment 1)
A basic configuration of a combustible gas sensor having a simple explosion-proof structure according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 1A, 1B, and 1C are a cross-sectional view, a bottom view, and a perspective view of parts for caulking a waterproof and moisture-permeable material, respectively, of a combustible gas sensor.
図1(a)および(b)に示すように、可燃性ガスセンサGS1では、センサチップ1を用いており、センサチップ1がステム2上に、断熱材3を介して配置されている。センサチップ1は断熱材3の上面に貼り付けられている。ステム2には、ステム2を貫通して、ステム2の表面(センサチップ1および断熱材3が配置された面側)と裏面(センサチップ1および断熱材3が配置された面と反対側)との両面に突出する複数のリード端子(ここでは12本を例示している)4が備わっており、リード端子4は、リード端子4の外周に設けられたガラス材2aによってステム2に固定されている。センサチップ1の主面上に形成された複数の電極パッドとステム2に繋がる複数のリード端子4とがそれぞれワイヤ5によって接続されている。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the combustible gas sensor GS <b> 1 uses the sensor chip 1, and the sensor chip 1 is disposed on the stem 2 via the heat insulating material 3. The sensor chip 1 is attached to the upper surface of the heat insulating material 3. The stem 2 penetrates the stem 2, and the front surface (the surface side on which the sensor chip 1 and the heat insulating material 3 are disposed) and the back surface (the opposite side to the surface on which the sensor chip 1 and the heat insulating material 3 are disposed). And a plurality of lead terminals (here, twelve are illustrated) 4 are provided, and the lead terminals 4 are fixed to the stem 2 by a glass material 2 a provided on the outer periphery of the lead terminals 4. ing. A plurality of electrode pads formed on the main surface of the sensor chip 1 and a plurality of lead terminals 4 connected to the stem 2 are connected by wires 5, respectively.
さらに、センサチップ1、断熱材3および複数のワイヤ5は、円筒形状の金属キャップ6により覆われており、金属キャップ6の側部の最下部(つばの部分6a)がステム2の周囲と溶接によって接合されている。センサチップ1は外気中の水素ガスを検出することから、金属キャップ6には、金属キャップ6の内側に外気を導入するための穴8が金属キャップ6の上部のほぼ中央部に形成されている。さらに、金属キャップ6の内側には、金属キャップ6の上部に接して防水透湿性素材9が設置されており、図1(c)に示す円柱形状の断熱材10によって防水透湿性素材9はかしめられている。本実施の形態1では、穴8を金属キャップ6の上部に設けたが、これに限定されるものではなく、例えば金属キャップ6の側部に形成してもよい。 Further, the sensor chip 1, the heat insulating material 3, and the plurality of wires 5 are covered with a cylindrical metal cap 6, and the lowermost portion (the brim portion 6 a) of the side of the metal cap 6 is welded to the periphery of the stem 2. Are joined by. Since the sensor chip 1 detects hydrogen gas in the outside air, a hole 8 for introducing outside air into the metal cap 6 is formed in the metal cap 6 at substantially the center of the upper portion of the metal cap 6. . Further, a waterproof and moisture permeable material 9 is installed inside the metal cap 6 in contact with the upper portion of the metal cap 6, and the waterproof and moisture permeable material 9 is caulked by a cylindrical heat insulating material 10 shown in FIG. It has been. In the first embodiment, the hole 8 is provided in the upper part of the metal cap 6. However, the present invention is not limited to this. For example, the hole 8 may be formed in the side part of the metal cap 6.
防水透湿性素材9は、例えば環境外気(例えば空気など)やガスなどを直接出し入れすることのできる多孔質膜である。この防水透湿性素材9は、耐水性の他に防塵性または耐薬品性としての効果も有しており、さらには防爆機能も有している。典型的な防水透湿性素材9としては、例えばフッ素樹脂の典型であるポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーとを複合化して作るゴアテックス(登録商標)などがある。防水透湿性素材9は、水蒸気は通すが水は通さないという特徴(防水性と透湿性との両立)があり、例えば上記ゴアテックスでは、1cm2当たり14億個の微細な穴を含んでいる。 The waterproof and moisture-permeable material 9 is a porous film that can directly take in and out ambient air (for example, air) and gas, for example. This waterproof and moisture-permeable material 9 has an effect of dust resistance or chemical resistance in addition to water resistance, and also has an explosion-proof function. As a typical waterproof and moisture-permeable material 9, for example, Gore-Tex (registered trademark) produced by combining a film obtained by stretching polytetrafluoroethylene, which is a typical fluororesin, and a polyurethane polymer is available. The waterproof and moisture permeable material 9 has a feature of allowing water vapor to pass but not allowing water (both waterproof and moisture permeable). For example, the Gore-Tex has 1.4 billion fine holes per 1 cm 2 . .
次に、本実施の形態1による防水透湿性素材の防爆性について図2を用いて説明する。図2は防水透湿性素材の防爆性を説明するための補助図であり、図2(a)、(b)および(c)はそれぞれ防水透湿性素材および金属焼結体板の火炎強さと膜厚との関係を示すグラフ図、防水透湿性素材の内部状態を説明する模式図および金属焼結体板の内部状態を説明する模式図である。 Next, the explosion-proof property of the waterproof and moisture-permeable material according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an auxiliary diagram for explaining the explosion-proof property of the waterproof and moisture-permeable material. FIGS. 2 (a), (b) and (c) are the flame strength and film of the waterproof and moisture-permeable material and the sintered metal plate, respectively. It is the graph which shows the relationship with thickness, the schematic diagram explaining the internal state of a waterproof moisture-permeable material, and the schematic diagram explaining the internal state of a metal sintered compact board.
前述した可燃性ガスセンサGS1に備わるセンサチップ1の動作温度は、例えば100〜150℃であるが、可燃性ガスセンサGS1の実装構造を、金属キャップ6の内側で水素ガスが爆発しても金属キャップ6の外側に存在する水素ガスに引火し、爆発させない構造とする必要がある。ガス爆発の理論によれば、ガス燃焼の火炎がガス中を伝播し、壁を通り抜けるときに冷却されて壁中で死滅すれば外部への引火爆発は起こらないが、ガス燃焼の火炎が壁を通りぬければ外部への引火爆発は起こってしまう。この現象を支配する要因は、壁の穴の粒径、壁の穴の密度、壁を構成する材質の熱伝導度、火炎伝播に晒される壁の面積などであり、さらに実装内部の体積が大きくなると、実装内部での爆発エネルギーが大きくなることから、ガスが閉じ込められている実装内部の体積も考慮する必要がある。 The operating temperature of the sensor chip 1 provided in the combustible gas sensor GS1 described above is, for example, 100 to 150 ° C. The mounting structure of the combustible gas sensor GS1 is not changed even if hydrogen gas explodes inside the metal cap 6. It is necessary to ignite the hydrogen gas existing outside the flank so that it does not explode. According to the theory of gas explosion, if a gas-fired flame propagates through the gas and is cooled when it passes through the wall and then dies in the wall, there will be no external flammable explosion. If it doesn't pass, an external flammable explosion will occur. Factors that govern this phenomenon include wall hole particle size, wall hole density, thermal conductivity of the materials that make up the wall, and the area of the wall that is exposed to flame propagation. Then, since the explosion energy inside the mounting becomes large, it is necessary to consider the volume inside the mounting where the gas is confined.
従って、本実施の形態1では、実装内部(金属キャップ6の内側)の体積が一定とすれば、実装空間を作る壁である金属キャップ6と多孔質膜からなる防水透湿性素材9とが被る圧力が主として問題となり、特に、金属キャップ6に設けられた穴8の部分に位置し、金属キャップ6よりも強度の弱い防水透湿性素材9に被る圧力が問題となる。 Therefore, in the first embodiment, if the volume inside the mounting (inside the metal cap 6) is constant, the metal cap 6 that is a wall forming the mounting space and the waterproof and moisture-permeable material 9 made of a porous film are covered. The pressure is mainly a problem, and in particular, the pressure on the waterproof and moisture-permeable material 9 that is located in the hole 8 provided in the metal cap 6 and has a lower strength than the metal cap 6 is a problem.
そこで、可燃性ガスセンサGS1で用いた防水透湿性素材9と同じ材質の多孔質膜の防爆性の試験を行った。図2(a)に防水透湿性素材(可燃性ガスセンサGS1で用いた防水透湿性素材9と同じ材質)を通り抜ける火炎強さと膜厚との関係を示す。比較のために、金属焼結体板を通り抜ける火炎強さと膜厚との関係も同図に示す。防水透湿性素材9の内部状態は、図2(b)に示すように、ポリテトラフルオロエチレン11と空隙12とからなり、空隙12の穴径は、例えば1〜4μmである。また、金属焼結体板の内部状態は、図2(c)に示すように、金属焼結体13と空隙14とからなり、空隙14の穴径は、例えば100μm程度である。 Then, the explosion-proof test of the porous film made of the same material as the waterproof and moisture-permeable material 9 used in the combustible gas sensor GS1 was performed. FIG. 2A shows the relationship between the flame strength and the film thickness that passes through the waterproof and moisture-permeable material (the same material as the waterproof and moisture-permeable material 9 used in the combustible gas sensor GS1). For comparison, the relationship between the flame strength passing through the sintered metal plate and the film thickness is also shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the internal state of the waterproof and moisture-permeable material 9 is composed of polytetrafluoroethylene 11 and a gap 12, and the hole diameter of the gap 12 is, for example, 1 to 4 μm. Further, as shown in FIG. 2C, the internal state of the metal sintered body plate is composed of the metal sintered body 13 and the gap 14, and the hole diameter of the gap 14 is, for example, about 100 μm.
図2(a)に示すように、防水透湿性素材および金属焼結体板は、その膜厚が厚くなるに従い、通り抜ける火炎強さは減衰する。しかし、その通り抜ける火炎強さの減衰の様子は、防水透湿性素材と金属焼結体板とで異なり、同じ膜厚(同一体積、同一被爆面積)で比較すると、空隙の穴径が小さい防水透湿性素材の方が、空隙の穴径が大きい金属焼結体板よりも、通り抜ける火炎強さが小さくなっていることが分かる。従って、材質の熱伝導率の違いはあっても、空隙の穴径を小さくすることにより、多孔質膜の防爆効果が向上すると考えられる。 As shown to Fig.2 (a), as for the waterproof moisture-permeable raw material and a metal sintered compact board, the flame strength to pass through attenuates as the film thickness becomes thick. However, the attenuation of the flame strength that passes through is different between the waterproof and moisture permeable material and the sintered metal plate, and when compared with the same film thickness (same volume and same exposed area), the waterproof permeability is small. It can be seen that the wet strength of the wet material is smaller than that of the sintered metal plate having a large hole diameter. Therefore, even if there is a difference in the thermal conductivity of the material, it is considered that the explosion-proof effect of the porous membrane is improved by reducing the hole diameter of the gap.
本実施の形態1では、金属キャップ6の上部に形成された穴8を防水透湿性素材9により覆っているが、防水透湿性素材9に、空隙の穴径が1〜4μmの多孔質膜を用いることにより、火炎核を消滅させることができる。なお、実装内部で連続して爆発が繰り返し起こることがあり、この場合は発熱効果により防水透湿性素材9が融解する可能性がある。しかし、常時センサチップ1の温度またはヒータ配線の抵抗をモニタすることにより、実装内部で爆発は、直ぐに探知することができる。 In the first embodiment, the hole 8 formed in the upper part of the metal cap 6 is covered with the waterproof and moisture permeable material 9, but a porous film having a hole diameter of 1 to 4 μm is formed on the waterproof and moisture permeable material 9. By using it, the flame kernel can be extinguished. In addition, explosion may occur continuously inside the mounting, and in this case, the waterproof and moisture-permeable material 9 may melt due to the heat generation effect. However, by constantly monitoring the temperature of the sensor chip 1 or the resistance of the heater wiring, an explosion can be detected immediately inside the mounting.
次に、本実施の形態1による簡易防爆構造の可燃性ガスセンサの具体的な構造について図3〜図6を用いて説明する。図3は可燃性ガスセンサに備わるセンサチップの一例の光学顕微鏡写真、図4はセンサチップが貼り付けられた断熱材の上面図、図5はセンサチップが貼り付けられた断熱材の光学顕微鏡写真、図6は可燃性ガスセンサの要部断面図である。図3に示すセンサチップは、本発明者らが検討したセンサチップの一例であって、各素子の構成や配線は、これに限定されるものではない。 Next, a specific structure of the combustible gas sensor having a simple explosion-proof structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3 is an optical micrograph of an example of a sensor chip provided in the combustible gas sensor, FIG. 4 is a top view of the heat insulating material to which the sensor chip is attached, and FIG. 5 is an optical micrograph of the heat insulating material to which the sensor chip is attached. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of the combustible gas sensor. The sensor chip shown in FIG. 3 is an example of a sensor chip investigated by the present inventors, and the configuration and wiring of each element are not limited to this.
図3に示すように、センサチップ1は、シリコン基板15上に、センサ用nチャネルMIS16、参照用nチャネルMIS17、金属配線によるヒータ18、チップ温度を計測するためのpn接合ダイオード19、および複数の電極パッド20が配置された構造を有している。センサ用nチャネルMIS16と参照用nチャネルMIS17とはほぼ同一の構造をしており、センサ用nチャネルMIS16および参照用nチャネルMIS17の触媒金属ゲートのゲート長は、例えば20μm、ゲート幅は、例えば300μmである。 As illustrated in FIG. 3, the sensor chip 1 includes a sensor n-channel MIS 16, a reference n-channel MIS 17, a heater 18 using metal wiring, a pn junction diode 19 for measuring chip temperature, and a plurality of sensors on a silicon substrate 15. The electrode pads 20 are arranged. The sensor n-channel MIS 16 and the reference n-channel MIS 17 have substantially the same structure. The gate length of the catalytic metal gate of the sensor n-channel MIS 16 and the reference n-channel MIS 17 is, for example, 20 μm, and the gate width is, for example, 300 μm.
センサ用nチャネルMIS16の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域はそれぞれ配線21を介して電極パッド20に接続されている。同様に、参照用nチャネルMIS17の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域はそれぞれ配線21を介して電極パッド20に接続されている。また、ヒータ18の両端はそれぞれ配線21を介して電極パッド20に接続されており、pn接合ダイオード19のp領域およびn領域はそれぞれ配線21を介して電極パッド20に接続されている。 The catalytic metal gate, the source region, and the drain region of the sensor n-channel MIS 16 are connected to the electrode pad 20 via the wiring 21 respectively. Similarly, the catalytic metal gate, the source region, and the drain region of the reference n-channel MIS 17 are connected to the electrode pad 20 through the wiring 21 respectively. Further, both ends of the heater 18 are connected to the electrode pad 20 via the wiring 21, respectively, and the p region and the n region of the pn junction diode 19 are connected to the electrode pad 20 via the wiring 21, respectively.
図4〜図6に示すように、センサチップ1は、PEEK材(ポリエーテル・エーテル・ケトン材)を3〜5mmの高さの円柱状に加工した断熱材3の上面に接着され、断熱材3はステム(例えばTO系のTO5−12ピン)2の上面に接着している。ステム2は、例えばAuめっきされたKovar(FeにNiおよびCoを配合した合金)製であり、その台座内径は、例えば7.6φである。センサチップ1の厚さは、例えば200〜500μm、チップサイズは、例えば2mm×2mmである。金属キャップ6は、例えばAuめっきされたKovar製である。金属キャップ6の高さは、例えば15mm、金属キャップ6の上部に形成された穴8の直径は、例えば0.5〜1.5mmである。防水透湿性素材9の穴径は1〜4μm、その厚さは、例えば0.3〜1mmである。断熱材10の厚さは、例えば3mmであり、金属キャップ6の内側にかしめられている。金属キャップ6とステム2とは、金属キャップ6の側部の最下部(つばの部分6a)において抵抗溶接法により溶接されている。 As shown in FIGS. 4 to 6, the sensor chip 1 is bonded to the upper surface of a heat insulating material 3 obtained by processing a PEEK material (polyether, ether, ketone material) into a cylindrical shape having a height of 3 to 5 mm. 3 is bonded to the upper surface of the stem 2 (for example, TO 5-12 pin). The stem 2 is made of, for example, Auvar-plated Kovar (an alloy in which Fe and Ni and Co are blended), and the pedestal inner diameter thereof is, for example, 7.6φ. The thickness of the sensor chip 1 is, for example, 200 to 500 μm, and the chip size is, for example, 2 mm × 2 mm. The metal cap 6 is made of, for example, Kovar plated with Au. The height of the metal cap 6 is, for example, 15 mm, and the diameter of the hole 8 formed in the upper portion of the metal cap 6 is, for example, 0.5 to 1.5 mm. The hole diameter of the waterproof and moisture permeable material 9 is 1 to 4 μm, and the thickness thereof is, for example, 0.3 to 1 mm. The thickness of the heat insulating material 10 is 3 mm, for example, and is caulked inside the metal cap 6. The metal cap 6 and the stem 2 are welded by a resistance welding method at the lowermost portion (the brim portion 6a) of the side portion of the metal cap 6.
断熱材3の外周領域には、ステム2を貫通して設けられた12本のリード端子4が配置されている。センサチップ1に設けられた複数の電極パッド20のうち、センサ用nチャネルMIS16の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域とそれぞれ配線21を介して電気的に接続された電極パッド20、参照用nチャネルMIS17の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域とそれぞれ配線21を介して電気的に接続された電極パッド20、ヒータ18の両端とそれぞれ配線21を介して電気的に接続された電極パッド20、pn接合ダイオード19のp領域およびn領域とそれぞれ配線21を介して電気的に接続された電極パッド20は、ワイヤ5を用いてそれぞれリード端子4と接続されている。ワイヤ5は、例えばAl線またはAu線である。ワイヤ5のボンディングを容易に行うために、リード端子4は断熱材3中を貫通させる形で、センサチップ1が貼り付けられた断熱材3の上面よりも低く形成されている。また、センサチップ1のアースを取るためのリード端子4を1本設けており、これによりセンサチップ1の電気的特性を安定させている。ここでは、ウェル層や基板等へ電気的に接続される配線の図示は省略している。 In the outer peripheral region of the heat insulating material 3, twelve lead terminals 4 provided through the stem 2 are arranged. Of the plurality of electrode pads 20 provided on the sensor chip 1, the electrode pad 20 electrically connected to the catalytic metal gate, the source region and the drain region of the sensor n-channel MIS 16 via the wirings 21, and the reference n An electrode pad 20 electrically connected to the catalytic metal gate, the source region and the drain region of the channel MIS 17 via the wiring 21; and an electrode pad 20 electrically connected to both ends of the heater 18 via the wiring 21; The electrode pads 20 electrically connected to the p region and the n region of the pn junction diode 19 via the wirings 21 are connected to the lead terminals 4 using the wires 5, respectively. The wire 5 is, for example, an Al wire or an Au wire. In order to facilitate bonding of the wire 5, the lead terminal 4 is formed so as to penetrate through the heat insulating material 3 and lower than the upper surface of the heat insulating material 3 to which the sensor chip 1 is attached. In addition, one lead terminal 4 is provided for grounding the sensor chip 1, thereby stabilizing the electrical characteristics of the sensor chip 1. Here, illustration of wiring electrically connected to a well layer, a substrate, and the like is omitted.
次に、本実施の形態1による可燃性ガスセンサの防爆性能について説明する。以下に、本発明者らが行った水素爆発実験およびその結果について図7〜図10を用いて説明する。図7は水素防爆実験に用いた容器の要部断面図、図8は本実施の形態1による可燃性ガスセンサと同じ実装構造の爆発実験用試料の要部断面図、図9および図10は本発明者らが比較のために形成した爆発実験用試料の要部断面図である。 Next, the explosion-proof performance of the combustible gas sensor according to the first embodiment will be described. Hereinafter, hydrogen explosion experiments conducted by the present inventors and the results thereof will be described with reference to FIGS. 7 is a cross-sectional view of a main part of a container used in a hydrogen explosion-proof experiment, FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of a sample for an explosive experiment having the same mounting structure as the combustible gas sensor according to Embodiment 1, and It is principal part sectional drawing of the sample for an explosive experiment which the inventors formed for the comparison.
水素爆発実験には、図7に示す約50mLの銅製の容器35を使用した。容器35には水素着火温度が560℃以上に加熱できるニクロム線(図示は省略)が装着されている。容器35の上部は、例えばポリ塩化ビニリデンからなるフィルム36で覆い、粘土37を用いて容器35とフィルム36とを接着している。この容器35の内部に爆発実験用試料(例えば図示する爆発実験用試料S1)を据え付けて、外部から電圧5.0V、電流0.5A以下を加えることにより、爆発実験用試料が爆発するか否かの実験を行った。爆発が起きなかった場合には、ニクロム線を通電して水素爆発を確認し、これを容器35の内部に爆発に至る濃度の水素ガスが充満していたことの証拠とした。水素ガスの濃度は、理論的には容器35の内部の水素と酸素とが全て燃え尽くす約30%とした。 In the hydrogen explosion experiment, an approximately 50 mL copper container 35 shown in FIG. 7 was used. The container 35 is equipped with a nichrome wire (not shown) that can be heated to a hydrogen ignition temperature of 560 ° C. or higher. The upper part of the container 35 is covered with a film 36 made of, for example, polyvinylidene chloride, and the container 35 and the film 36 are bonded using a clay 37. Whether or not the explosion experiment sample will explode by installing an explosion experiment sample (for example, the explosion experiment sample S1 shown in the figure) inside the container 35 and applying a voltage of 5.0 V and a current of 0.5 A or less from the outside. I did some experiments. When the explosion did not occur, the nichrome wire was energized to confirm the hydrogen explosion, which was proved that the inside of the container 35 was filled with hydrogen gas at a concentration leading to the explosion. The concentration of hydrogen gas was theoretically about 30% at which all the hydrogen and oxygen inside the container 35 burned out.
図8に示す本実施の形態1による可燃性ガスセンサと同じ実装構造の爆発実験用試料S1は、金属キャップ6および防水透湿性素材9を設置しており、この水素爆発実験には、3個の爆発実験用試料S1を使用した。金属キャップ6の上部に形成された穴8の直径は1.5mm、防水透湿性素材9の穴径は1μm、その厚さは0.3mmである。図9に示す本発明者らが比較のために形成した爆発実験用比較試料RS1は、爆発実験用試料S1に対して、金属キャップ6は設置したが、防水透湿性素材9は設置していない。また、図10に示す本発明者らが比較のために形成した爆発実験用比較試料RS2は、爆発実験用試料S1に対して、金属キャップ6および防水透湿性素材9は設置していない。また、図8〜図10に示すように、これら全ての試料S1,RS1,RS2では、水素ガスの着火源にはタングステンフィラメント線38を用い、タングステンフィラメント線38の両端はそれぞれステム2を貫通して設置された異なるリード端子4に接続されている。 The explosion test sample S1 having the same mounting structure as the combustible gas sensor according to the first embodiment shown in FIG. 8 is provided with a metal cap 6 and a waterproof moisture-permeable material 9, and in this hydrogen explosion experiment, An explosion test sample S1 was used. The diameter of the hole 8 formed in the upper part of the metal cap 6 is 1.5 mm, the hole diameter of the waterproof and moisture-permeable material 9 is 1 μm, and the thickness thereof is 0.3 mm. The explosive experiment comparative sample RS1 formed by the present inventors for comparison shown in FIG. 9 is provided with the metal cap 6 with respect to the explosive experiment sample S1, but not with the waterproof and moisture permeable material 9. . In addition, the explosive experiment comparative sample RS2 formed by the present inventors for comparison shown in FIG. 10 does not include the metal cap 6 and the waterproof moisture-permeable material 9 with respect to the explosive experiment sample S1. Further, as shown in FIGS. 8 to 10, in all these samples S1, RS1, and RS2, a tungsten filament wire 38 is used as a hydrogen gas ignition source, and both ends of the tungsten filament wire 38 penetrate the stem 2 respectively. Are connected to different lead terminals 4 installed in the same manner.
実験結果を表1にまとめる。金属キャップ6のみを実装し、防水透湿性素材9を実装していない爆発実験用比較試料RS1と、金属キャップ6および防水透湿性素材9を実装していない爆発実験用比較試料RS2では、外部から電圧5V、電流0.5Aを加えて通電したところ、瞬時に爆発が生じた。これに対して、爆発実験用試料S1では、外部から電圧5V、電流0.5Aを加えて通電しても爆発が生じなかった。爆発実験用試料S1に対しては、タングステンフィラメント線38を燃焼させて、断線させた後、ニクロム線を通電して水素爆発を起こすことによって、爆発が可能な濃度の水素ガスが容器35の内部に充満していたことを確認している。また、爆発実験用試料S1では、金属キャップ6の上部に設けられた穴8から、タングステンフィラメント線38が燃え尽きるまで容器35の内部で赤く燃焼していることを確認している。 The experimental results are summarized in Table 1. In the explosive experiment comparative sample RS1 in which only the metal cap 6 is mounted and the waterproof moisture-permeable material 9 is not mounted, and in the explosive experiment comparative sample RS2 in which the metal cap 6 and the waterproof moisture-permeable material 9 are not mounted, When energized by applying a voltage of 5 V and a current of 0.5 A, an explosion occurred instantaneously. On the other hand, in the explosion test sample S1, no explosion occurred even when a voltage of 5 V and a current of 0.5 A were applied from the outside to energize. For the explosion test sample S1, the tungsten filament wire 38 is burned and disconnected, and then the nichrome wire is energized to cause a hydrogen explosion. It was confirmed that it was charged. In addition, in the explosion experiment sample S1, it is confirmed that the inside of the container 35 burns red from the hole 8 provided in the upper portion of the metal cap 6 until the tungsten filament wire 38 is burned out.
また、他の水素爆発実験において、金属キャップ6の上部に形成された穴8の直径を0.5〜3mmの範囲で用いたが、この範囲では防爆性に格段の違いは見られなかった。また、防水透湿性素材9の穴径を1〜4μmの範囲で、厚さを0.3〜1mmの範囲で用いたが、それぞれの範囲では防爆性に格段の差は見られなかった。これらの実験結果から、穴径が1〜4μm、厚さが0.3〜1mmの防水透湿性素材9を用いた実装は防爆に対して有効であると考えられる。 In another hydrogen explosion experiment, the diameter of the hole 8 formed in the upper part of the metal cap 6 was used in the range of 0.5 to 3 mm. However, no significant difference was observed in the explosion-proof property within this range. Moreover, although the hole diameter of the waterproof moisture-permeable raw material 9 was used in the range of 1-4 micrometers, and the thickness was used in the range of 0.3-1 mm, the difference in explosion-proof property was not seen in each range. From these experimental results, it is considered that mounting using the waterproof and moisture-permeable material 9 having a hole diameter of 1 to 4 μm and a thickness of 0.3 to 1 mm is effective against explosion.
厳密に言えば、この水素爆発実験は、23〜50秒までは容器35の外部へ引火爆発しないことを示しているが、さらに長時間にわたり容器35の内部でタングステンフィラメント線38および水素ガスの燃焼が起こったときに、容器35の外部へ引火爆発するのか、防水透湿性素材9は融解するのかなどの問題は残る。しかし、現実には、可燃性ガスセンサGS1は長時間高温にさらされることはないため、問題はないと考えられる。 Strictly speaking, this hydrogen explosion experiment shows that it does not ignite and explode to the outside of the container 35 until 23 to 50 seconds, but the tungsten filament wire 38 and hydrogen gas are burned inside the container 35 for a longer time. When this happens, there still remains a problem such as whether the container 35 ignites and explodes or the waterproof and moisture-permeable material 9 melts. However, in reality, the combustible gas sensor GS1 is not exposed to a high temperature for a long time, so it is considered that there is no problem.
ところで、多くの可燃性ガスセンサでは、防爆性が強く、外気による擾乱(湿気、塩分、NOxなどのガスまたは粉塵など)から可燃性ガスセンサを守る実装技術が、可燃性ガスセンサの信頼性を保証するには不可欠である。 By the way, in many flammable gas sensors, mounting technology that protects the flammable gas sensor from disturbance (humidity, salinity, NOx gas or dust) due to the outside air is strong to guarantee the reliability of the flammable gas sensor. Is essential.
次に、本実施の形態1による可燃性ガスセンサの耐塩害性能について説明する。以下に、本発明者らが行った塩害試験の方法およびその結果について説明する。なお、防水透湿性素材が耐水性(H2Oガスではない)または耐薬品性に強いことは、これまでにも実証されている。塩害試験は、常時海岸または洋上に設置される機器に対するJIS規格の塩害試験C60068−2−52に準拠した。塩害試験C60068−2−52には、塩害強度の違いにより、表2に示す厳しさ(1)と厳しさ(2)とがあるが、両者を適用した。 Next, the salt damage resistance performance of the combustible gas sensor according to the first embodiment will be described. Below, the method of the salt damage test which the present inventors conducted and its result are demonstrated. In addition, it has been proved so far that the waterproof and moisture-permeable material is strong in water resistance (not H 2 O gas) or chemical resistance. The salt damage test complied with JIS standard salt damage test C60068-2-52 for equipment always installed on the coast or on the ocean. The salt damage test C60068-2-52 has severity (1) and severity (2) shown in Table 2 due to the difference in salt damage strength, but both were applied.
図11(a)および(b)に、塩害試験に用いた本実施の形態1による可燃性ガスセンサの要部断面図および底面図を示す。塩害試験に用いた可燃性ガスセンサGS2では、前述した図1に示す可燃性ガスセンサGS1に加えて、防水透湿性素材の役割を確かめるために、金属キャップ6の側部にチューブ状の防水透湿性素材39を装填し、さらにステンレス線40により、チューブ状の防水透湿性素材39を締め付けている。チューブ状の防水透湿性素材39には、互いに穴径の異なる2種類(2μmと3.5μm)のチューブ状の防水透湿性素材39を用いた。チューブ状の防水透湿性素材39の厚さは、例えば0.8mmである。 FIGS. 11A and 11B are a cross-sectional view and a bottom view of the main part of the combustible gas sensor according to the first embodiment used in the salt damage test. In the combustible gas sensor GS2 used for the salt damage test, in addition to the combustible gas sensor GS1 shown in FIG. 1 described above, a tube-shaped waterproof and moisture-permeable material is provided on the side of the metal cap 6 in order to confirm the role of the waterproof and moisture-permeable material. 39, and a tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39 is fastened by a stainless steel wire 40. As the tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39, two types (2 μm and 3.5 μm) of tube-shaped waterproof and moisture-permeable materials 39 having different hole diameters were used. The thickness of the tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39 is, for example, 0.8 mm.
図12に、本実施の形態1による可燃性ガスセンサの塩害試験後のSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)写真を示す。図12(a)、(b)および(c)はそれぞれ塩害試験を行っていない試料のSEM写真、厳しさ(1)の塩害試験を行った後の試料のSEM写真および厳しさ(2)の塩害試験を行った後の試料のSEM写真である。 FIG. 12 shows a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph after the salt damage test of the combustible gas sensor according to the first embodiment. FIGS. 12 (a), (b) and (c) are SEM photographs of samples not subjected to the salt damage test, SEM photographs of samples after the salt damage test of severity (1), and severity (2), respectively. It is a SEM photograph of the sample after performing a salt damage test.
可燃性ガスセンサGS2のチューブ状の防水透湿性素材39で覆われていない金属キャップ6の側部、金属キャップ6のつばの部分6aとステム2との溶接部分、リード端子4とステム2との繋ぎのガラス材2aには赤錆による腐食が発生し、ステム2の影響によりセンサチップ1に動作不良が生じた。また、リード端子4にも赤錆が発生し、少しの力を加えただけでも容易に折れた。 The side of the metal cap 6 not covered with the tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39 of the combustible gas sensor GS2, the welded portion of the collar portion 6a of the metal cap 6 and the stem 2, and the connection between the lead terminal 4 and the stem 2 The glass material 2a was corroded by red rust, and the sensor chip 1 malfunctioned due to the influence of the stem 2. Further, red rust was generated in the lead terminal 4 and it was easily broken even with a slight force.
また、図12(b)のa、bおよびcで示す箇所、ならびに図12(c)のd、e、fおよびgで示す箇所において、EDX(Energy Dispersive X-ray Fluorescence:エネルギー分散型蛍光X線分析法)により構成元素の分析を行ったところ、b、dおよびgで示す箇所では、金属キャップ6の表面をめっきするAuのみが検出されたが、c、eおよびfで示す箇所では、Auめっきが剥がれており、Feなどが検出された。金属キャップ6のつばの部分6aとステム2との溶接部分においては、溶接時にAuめっきが剥がれた場所aで赤錆による腐食が著しく進んでいる。この溶接部分における腐食がステム2の表面にも広がっている箇所もある。ステム2に備わる12本のリード端子4およびガラス材2aでも腐食が観察されている。厳しさ(2)の塩害試験では、さらに金属キャップ6の側部の表面にも広く赤錆が認められた。 Further, at locations indicated by a, b and c in FIG. 12B and at locations indicated by d, e, f and g in FIG. 12C, EDX (Energy Dispersive X-ray Fluorescence: Energy Dispersive Fluorescence X) When the constituent elements were analyzed by the line analysis method), only Au plating the surface of the metal cap 6 was detected at the locations indicated by b, d and g, but at the locations indicated by c, e and f, Au plating was peeled off, and Fe and the like were detected. In the welded portion between the flange portion 6a of the metal cap 6 and the stem 2, corrosion due to red rust is remarkably advanced at a location a where the Au plating is peeled off during welding. There is a portion where the corrosion at the welded portion also spreads on the surface of the stem 2. Corrosion is also observed in the twelve lead terminals 4 and the glass material 2a provided in the stem 2. In the salt damage test of severity (2), red rust was also widely observed on the surface of the side portion of the metal cap 6.
これに対して、チューブ状の防水透湿性素材39で覆った部分は、厳しさ(1)および厳しさ(2)の塩害試験において錆は発生していない。ステンレス線40についても錆の発生は認められなかった。 On the other hand, the portion covered with the tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39 has no rust in the salt damage test of severity (1) and severity (2). Rust generation was not observed for the stainless steel wire 40 as well.
また、6個の試料について水素応答特性を測定したとこと、厳しさ(2)の塩害試験後では、4個の試料では水素応答特性ΔVgおよび応答速度に変化は無かったが、2個の試料においては応答速度の低下が見られ、600秒経過しても応答速度は飽和しなかった。また、厳しさ(1)の塩害試験後では、水素応答特性ΔVgも応答速度も著しく低下したが、金属キャップ6を除去し、ワイヤ5を接続し直して再測定すると、応答速度は低下したままで変化はないが、水素応答特性ΔVgはある程度回復した。この様な現象の原因としては、金属キャップ6のつばの部分6aとステム2との溶接部分の腐食が進んだ箇所からの塩分や水の侵入、金属キャップ6とステム2との間に発生した赤錆、またはリード端子4の周りに発生した赤錆などが考えられる。なお、この塩害試験では、センサチップ1のセンサ用nチャネルMIS16のしきい値電圧Vthには顕著な変化は見られなかった。 Also, the hydrogen response characteristics were measured for 6 samples, and after the salt damage test of severity (2), the hydrogen response characteristics ΔVg and response speed were not changed in 4 samples, but 2 samples The response speed was reduced and the response speed was not saturated even after 600 seconds. In addition, after the salt damage test of severity (1), both the hydrogen response characteristic ΔVg and the response speed were remarkably reduced, but when the metal cap 6 was removed and the wire 5 was reconnected, the response speed remained lowered. However, the hydrogen response characteristic ΔVg recovered to some extent. Causes of this phenomenon include salt and water intrusion from the location where the corrosion of the welded portion between the collar portion 6 a of the metal cap 6 and the stem 2 has progressed, and between the metal cap 6 and the stem 2. Red rust or red rust generated around the lead terminals 4 can be considered. In this salt damage test, no significant change was observed in the threshold voltage Vth of the sensor n-channel MIS 16 of the sensor chip 1.
リード端子4とステム2との繋ぎのガラス材2aで発生する錆は、ステム2の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂などで覆うことにより防止することができる。 Rust generated in the glass material 2a connecting the lead terminal 4 and the stem 2 can be prevented by covering the back surface of the stem 2 with a molding material such as an epoxy resin.
また、他の塩害試験において、金属キャップ6の上部に形成された穴8の直径を0.5〜3mmの範囲で用いたが、この範囲では水素応答特性ΔVgに格段の違いは見られなかった。また、防水透湿性素材9の穴径を1〜4μmの範囲で、厚さを0.3〜1mmの範囲で用いたが、それぞれの範囲では水素応答特性ΔVgに格段の差は見られなかった。これらの実験結果から、穴径が1〜4μm、厚さが0.3〜1mmの防水透湿性素材9を用いた実装は塩害に対して有効であると考えられる。 In another salt damage test, the diameter of the hole 8 formed in the upper part of the metal cap 6 was used in the range of 0.5 to 3 mm, but no significant difference was observed in the hydrogen response characteristic ΔVg in this range. . Moreover, although the hole diameter of the waterproof and moisture-permeable material 9 was used in the range of 1 to 4 μm and the thickness in the range of 0.3 to 1 mm, no significant difference was seen in the hydrogen response characteristic ΔVg in each range. . From these experimental results, it is considered that mounting using the waterproof and moisture-permeable material 9 having a hole diameter of 1 to 4 μm and a thickness of 0.3 to 1 mm is effective against salt damage.
塩害を考慮する必要がない場合は、金属キャップ6およびKovar製のステム2を用いることができる。これに対して、塩害を考慮する必要がある場合は、金属キャップ6およびステム2の外側を防水透湿性素材39により覆うことにより、金属キャップ6およびステム2の腐食を防止することができる。なお、金属キャップ6およびステム2の外側を防水透湿性素材39により覆う可燃性ガスセンサの他の例については、後述する実施の形態2において説明する。また、金属キャップ6およびステム2に代えて、セラミック製またはステンレス製のキャップおよびステムを用いることもできる。 When there is no need to consider salt damage, a metal cap 6 and a Kovar stem 2 can be used. On the other hand, when salt damage needs to be taken into account, the metal cap 6 and the stem 2 can be prevented from corroding by covering the outside of the metal cap 6 and the stem 2 with the waterproof and moisture-permeable material 39. Another example of the combustible gas sensor in which the outer sides of the metal cap 6 and the stem 2 are covered with the waterproof and moisture-permeable material 39 will be described in a second embodiment to be described later. In place of the metal cap 6 and the stem 2, a ceramic or stainless steel cap and stem can be used.
次に、本実施の形態1による可燃性ガスセンサの実装構造の耐粉塵性能について説明する。以下に、本発明者らが行った粉塵試験の方法およびその結果について説明する。大気中の粉塵、特に自動車や各種施設から大気中に排出される粒子状物質(Particulate Matter)に対する防水透湿性素材の防止能力試験を行った。高速道路直近で、海岸から80m程度に立地する実際の水素ステーションにセンサチップおよび実装品である可燃性ガスセンサを設置し、半年間に渡ってこれら試料の劣化を観察した。 Next, the dust resistance performance of the combustible gas sensor mounting structure according to the first embodiment will be described. Below, the method of the dust test which the present inventors conducted and its result are demonstrated. We tested the ability of waterproof and moisture-permeable materials to prevent atmospheric dust, especially particulate matter discharged from automobiles and various facilities into the atmosphere. A sensor chip and a combustible gas sensor, which is a mounted product, were installed at an actual hydrogen station located about 80 meters from the coast, right next to the expressway, and the deterioration of these samples was observed for half a year.
図13に、粉塵試験12日経過後のセンサチップのSEM写真を示す。図13に示すように、大気中に排出される粒子状物質41が、センサ用nチャネルMIS16の触媒金属ゲート28(ゲート長20μm)を直撃しており、センサ用nチャネルMIS16の動作特性に顕著な劣化が見られた。しかし、可燃性ガスセンサのゲート領域には、光学顕微鏡による観察では、異物は見られなかった。この結果から、防水透湿性素材を用いた実装は防塵にも効果があることがわかる。また、センサ用nチャネルMIS16の動作特性も安定であり、水素応答特性ΔVgの変動も小さいことが確かめられた。 FIG. 13 shows an SEM photograph of the sensor chip after 12 days of the dust test. As shown in FIG. 13, the particulate matter 41 discharged into the atmosphere directly hits the catalytic metal gate 28 (gate length: 20 μm) of the sensor n-channel MIS 16, and is notable for the operational characteristics of the sensor n-channel MIS 16. Deterioration was observed. However, no foreign matter was observed in the gate region of the combustible gas sensor by observation with an optical microscope. From this result, it can be seen that mounting using a waterproof and moisture-permeable material is also effective for dust prevention. In addition, it was confirmed that the operational characteristics of the sensor n-channel MIS 16 are stable and the fluctuation of the hydrogen response characteristic ΔVg is small.
以上説明した防爆試験、塩害試験および防塵試験から、前述した図1に示す可燃性ガスセンサGS1は防爆および防塵に対して有効であり、前述した図11に示す可燃性ガスセンサGS2は防爆、耐塩害および防塵に対して有効であることが言える。 From the explosion-proof test, the salt damage test and the dust-proof test described above, the flammable gas sensor GS1 shown in FIG. 1 is effective for explosion-proof and dust-proof, and the flammable gas sensor GS2 shown in FIG. It can be said that it is effective against dust.
このように、本実施の形態1によれば、センサチップ1を用いて可燃性ガスセンサGS1を構成し、さらに断熱材3を介してセンサチップ1をステム2上に配置して金属キャップ6で覆う実装構造とすることにより、実装構造の内部の体積を、従来の耐圧防爆構造を採用したガスセンサの1/10以下である10mL以下(例えば前述した図4〜図6に示す可燃性ガスセンサGS1の体積は0.5mL程度)とすることができる。また、金属キャップ6の上部には外気を導入するための穴8が形成されるが、この穴8を金属キャップ6の内側から防水透湿性素材9で覆うことにより、可燃性ガスセンサGS1に防爆効果および防塵効果を持たせることができる。これにより、軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサGS1を実現することができる。さらに、金属キャップ6の外側をチューブ状の防水透湿性素材39で覆うことにより、可燃性ガスセンサGS1よりも耐塩害効果の高い可燃性ガスセンサGS2を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment, the combustible gas sensor GS1 is configured using the sensor chip 1, and the sensor chip 1 is disposed on the stem 2 via the heat insulating material 3 and covered with the metal cap 6. By adopting the mounting structure, the internal volume of the mounting structure is 10 mL or less (for example, the volume of the combustible gas sensor GS1 shown in FIGS. 4 to 6 described above), which is 1/10 or less of a gas sensor employing a conventional explosion-proof structure. Can be about 0.5 mL). Moreover, a hole 8 for introducing outside air is formed in the upper part of the metal cap 6. By covering the hole 8 with a waterproof and moisture-permeable material 9 from the inside of the metal cap 6, an explosion-proof effect is exerted on the combustible gas sensor GS 1. And it can have a dustproof effect. Thereby, the combustible gas sensor GS1 which is light and small and has explosion-proof properties can be realized. Furthermore, by covering the outer side of the metal cap 6 with a tube-shaped waterproof and moisture-permeable material 39, the combustible gas sensor GS2 having a higher salt damage resistance than the combustible gas sensor GS1 can be realized.
ところで、防爆性および耐圧防爆構造のフレームアレスタでは、フレームアレスタの隙間を火炎が通過するときに熱を奪い、爆発温度以下にし、火炎が外部に漏れないように設計される。防爆には、フレームアレスタの隙間を火炎が通過するときに熱を奪い爆発温度以下とすることが必要である。本実施の形態1による可燃性ガスセンサGS1では、厚さが0.3〜1μmの防水透湿性素材9を用いているが、その公称ろ過径の最大値は1〜4μmと小さく、また、金属キャップ6の内部の空間も0.5mLと小さいので、ガス爆発のエネルギーが金属キャップ6の内部の空間の体積に比例することを考慮すれば、ガス爆発が外部に漏れることを防止するできることができる。また、小型軽量を考慮すると、金属よりも樹脂系材料が好適である。樹脂系材料は一般に耐熱性は劣るという問題はあるが、可燃性ガスセンサは長時間高温にさらされないことから、防水透湿性素材を使用することは問題とはならない。 By the way, the flame arrester having an explosion-proof and explosion-proof construction is designed so that heat is taken away when the flame passes through the gap of the flame arrester, so that the temperature is lower than the explosion temperature and the flame does not leak to the outside. To prevent explosion, it is necessary to take heat when the flame passes through the gap of the flame arrestor and to keep it below the explosion temperature. In the combustible gas sensor GS1 according to the first embodiment, the waterproof and moisture-permeable material 9 having a thickness of 0.3 to 1 μm is used, but the maximum nominal filtration diameter is as small as 1 to 4 μm, and the metal cap Since the space inside 6 is also as small as 0.5 mL, it is possible to prevent the gas explosion from leaking to the outside, considering that the energy of the gas explosion is proportional to the volume of the space inside the metal cap 6. In view of small size and light weight, a resin-based material is more preferable than metal. Although resin materials generally have a problem of poor heat resistance, the use of waterproof and moisture-permeable materials is not a problem because combustible gas sensors are not exposed to high temperatures for a long time.
(実施の形態2)
本実施の形態2では、金属キャップの外側も防水透湿性素材により覆った可燃性ガスセンサについて説明する。本実施の形態2による可燃性ガスセンサの基本的な構造を図14および図15を用いて説明する。図14は本実施の形態2による可燃性ガスセンサの第1例の要部断面図、図15は本実施の形態2による可燃性ガスセンサの第2例の要部断面図である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a combustible gas sensor in which the outside of a metal cap is also covered with a waterproof and moisture-permeable material will be described. A basic structure of the combustible gas sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a first example of the combustible gas sensor according to the second embodiment, and FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a second example of the combustible gas sensor according to the second embodiment.
図14に示す可燃性ガスセンサGS3は、前述した可燃性ガスセンサGS1と同様に、金属キャップ6の内側に、金属キャップ6の上部に接して防水透湿性素材9を配置しており、さらにステム2と金属キャップ6のつばの部分6aとの溶接部分を含めて、金属キャップ6の側部を全て防水透湿性素材39で包み込む実装構造を有している。リード端子4とステム2との繋ぎのガラス材2aで発生する錆は、ステム2の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂42などで覆うことにより防止することができる。 A combustible gas sensor GS3 shown in FIG. 14 has a waterproof and moisture permeable material 9 disposed on the inner side of the metal cap 6 in contact with the upper portion of the metal cap 6 in the same manner as the combustible gas sensor GS1 described above. The metal cap 6 has a mounting structure in which the side portions of the metal cap 6 including the welded portion with the collar portion 6 a are wrapped with a waterproof and moisture-permeable material 39. Rust generated in the glass material 2 a connecting the lead terminal 4 and the stem 2 can be prevented by covering the back surface of the stem 2 with a molding material, for example, an epoxy resin 42.
図15に示す可燃性ガスセンサGS4は、金属キャップ6の内側には防水透湿性素材9を配置せず、ステム2と金属キャップ6のつばの部分6aとの溶接部分を含めて金属キャップ6の側部を全て防水透湿性素材39で包み込み、さらに金属キャップ6の上部も全て防水透湿性素材39で包み込む実装構造を有している。この場合、金属キャップ6の側部をカバーする防水透湿性素材39と、金属キャップ6の上部に接して配置される防水透湿性素材9と、接続部分とを断熱材10でかしめている。断熱材10は、PEEK材を3〜5mmの高さの円柱状にくりぬき、金属キャップ6の上面と側面に接着させている。リード端子4とステム2との繋ぎのガラス材2aで発生する錆は、ステム2の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂42などで覆うことにより防止することができる。 The combustible gas sensor GS4 shown in FIG. 15 does not include the waterproof and moisture permeable material 9 inside the metal cap 6, and includes the welded portion between the stem 2 and the collar portion 6a of the metal cap 6, and the metal cap 6 side. All parts are encased in a waterproof / breathable material 39, and the upper part of the metal cap 6 is also encased in a waterproof / breathable material 39. In this case, the waterproof and moisture permeable material 39 that covers the side portion of the metal cap 6, the waterproof and moisture permeable material 9 disposed in contact with the upper portion of the metal cap 6, and the connection portion are caulked by the heat insulating material 10. The heat insulating material 10 is formed by hollowing a PEEK material into a cylindrical shape having a height of 3 to 5 mm and bonding the PEEK material to the upper surface and the side surface of the metal cap 6. Rust generated in the glass material 2 a connecting the lead terminal 4 and the stem 2 can be prevented by covering the back surface of the stem 2 with a molding material, for example, an epoxy resin 42.
なお、本実施の形態2では、前述した実施の形態1と同様に、金属キャップ6に形成する穴8を金属キャップ6の上部に設けたが、これに限定されるものではなく、例えば金属キャップ6の側部に形成してもよい。この場合も、金属キャップ6の外側に防水透湿性素材39を装着することができる。 In the second embodiment, the hole 8 formed in the metal cap 6 is provided in the upper part of the metal cap 6 as in the first embodiment. However, the present invention is not limited to this. You may form in the 6 side part. Also in this case, the waterproof and moisture-permeable material 39 can be attached to the outside of the metal cap 6.
このように、本実施の形態2によれば、金属キャップ6の上部に設けられる穴8を金属キャップ6の内側から防水透湿性素材9で覆い、さらに金属キャップ6の側部を外側から防水透湿性素材39で覆う、または金属キャップ6の上部および側部を外側から防水透湿性素材39で覆うことによっても、防爆効果、耐塩害効果、防塵効果などを有することができる。これにより、可燃性ガスセンサGS1,GS2よりも、耐塩害効果が向上した可燃性ガスセンサGS3,GS4を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment, the hole 8 provided in the upper portion of the metal cap 6 is covered with the waterproof and moisture-permeable material 9 from the inside of the metal cap 6, and the side portion of the metal cap 6 is waterproofed and transparent from the outside. By covering with the moisture material 39 or covering the upper and side portions of the metal cap 6 with the waterproof moisture-permeable material 39 from the outside, it is possible to have an explosion-proof effect, a salt-damage effect, a dust-proof effect, and the like. Thereby, combustible gas sensor GS3, GS4 with which the salt damage-proof effect improved rather than combustible gas sensor GS1, GS2 is realizable.
(実施の形態3)
本実施の形態3による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップを図16および図17を用いて説明する。図16(a)および(b)はそれぞれセンサ用nチャネルMISが配置されたヒータ配線領域の要部断面図および要部平面図、図17は参照用nチャネルMISが配置されたヒータ配線領域の要部断面図である。Si−MOSFET型水素ガスセンサの触媒金属ゲートにPtを用いている。PtゲートSi−MOSFET型水素ガスセンサに関しては、宇佐川らの日本国特許出願第2008−156427号(2008.6.16出願)に開示されているので、ここでの詳細な説明については、原則として繰り返さないこととする。以下、ゲート長(Lg)を、例えば20μm、ゲート幅(Wg)を、例えば300μmとするnチャネルMISに適用した場合について説明する。
(Embodiment 3)
A sensor chip provided in the combustible gas sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 16 and 17. FIGS. 16A and 16B are a cross-sectional view and a plan view of the main part of the heater wiring region in which the sensor n-channel MIS is arranged, respectively. FIG. It is principal part sectional drawing. Pt is used for the catalyst metal gate of the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor. Since the Pt gate Si-MOSFET type hydrogen gas sensor is disclosed in Japanese Patent Application No. 2008-156427 (2008.6.6.16 application) of Usagawa et al., The detailed description here will be repeated in principle. Suppose there is nothing. Hereinafter, a case will be described in which the present invention is applied to an n-channel MIS having a gate length (Lg) of, for example, 20 μm and a gate width (Wg) of, for example, 300 μm.
まず、センサ用nチャネルMISが配置されたヒータ配線領域について説明する。図16(a)および(b)に示すように、センサチップの基板には、シリコン基板22上に埋め込み絶縁層23が形成され、さらに埋め込み絶縁層23上にチャネルシリコン層24が形成された、所謂SOIウエハを用いる。シリコン基板22の厚さは、例えば200〜750μm、埋め込み絶縁層23の厚さは、例えば0.1〜5μm、チャネルシリコン層24の厚さは、例えば0.1〜20μmである。埋め込み絶縁層23は、例えば酸化シリコン膜を用いることができる。 First, the heater wiring region in which the sensor n-channel MIS is disposed will be described. As shown in FIGS. 16A and 16B, in the substrate of the sensor chip, a buried insulating layer 23 is formed on the silicon substrate 22, and a channel silicon layer 24 is further formed on the buried insulating layer 23. A so-called SOI wafer is used. The thickness of the silicon substrate 22 is, for example, 200 to 750 μm, the thickness of the buried insulating layer 23 is, for example, 0.1 to 5 μm, and the thickness of the channel silicon layer 24 is, for example, 0.1 to 20 μm. For example, a silicon oxide film can be used for the buried insulating layer 23.
チャネルシリコン層24の主面には、センサ用nチャネルMIS16のゲート領域25を定義するために、局所酸化法を用いて酸化シリコン膜からなる局所酸化膜SiO226が形成されている。ゲート領域25のチャネルシリコン層24の主面にはゲート絶縁膜27を介して、例えばPtからなる触媒金属ゲート28が形成されている。触媒金属ゲート28には引き出し電極が電気的に接続されているが、図示は省略する。局所酸化膜SiO226下のチャネルシリコン層24には、n+型半導体領域からなるソース領域28Sおよびドレイン領域28Dが形成されている。センサ用nチャネルMIS16のしきい値電圧Vthは、例えば1.0Vである。図16(a)では、触媒金属ゲート28の取り出し電極の図示は省略している。 A local oxide film SiO 2 26 made of a silicon oxide film is formed on the main surface of the channel silicon layer 24 by using a local oxidation method in order to define the gate region 25 of the sensor n-channel MIS 16. A catalytic metal gate 28 made of, for example, Pt is formed on the main surface of the channel silicon layer 24 in the gate region 25 via a gate insulating film 27. A lead electrode is electrically connected to the catalyst metal gate 28, but the illustration is omitted. In the channel silicon layer 24 below the local oxide film SiO 2 26, a source region 28S and a drain region 28D made of an n + type semiconductor region are formed. The threshold voltage Vth of the sensor n-channel MIS 16 is, for example, 1.0V. In FIG. 16A, the extraction electrode of the catalyst metal gate 28 is not shown.
ゲート領域25を除いて、チャネルシリコン層24および局所酸化膜SiO226は層間絶縁膜29により覆われており、層間絶縁膜29に形成された接続孔30を通してソース領域28Sと電気的に接続するソース電極31S、およびドレイン領域28Dと電気的に接続するドレイン電極31Dが形成されている。層間絶縁膜29は、例えばリンドープガラスPSG(Phospho Silicate Glass)膜で形成することができる。局所酸化膜SiO226上で、かつ層間絶縁膜29上には、ヒータ配線32が形成されている。ヒータ配線32はAl合金膜により形成されており、線幅は、例えば5μm、高さは、例えば0.5μmである。また、ヒータ配線32は、触媒金属ゲート28とソース電極31Sとの間および触媒金属ゲート28とドレイン電極31Dとの間につづれ折り状態で配置されている。例えば触媒金属ゲート28とソース電極31Sとの間に長さ320μmを単位として5μm間隔で15本のつづれ折り状態でヒータ配線32を形成し、同様に、例えば触媒金属ゲート28とドレイン電極31Dとの間に長さ320μmを単位として5μm間隔で15本のつづれ折り状態でヒータ配線32を形成した場合には、ヒータ配線32の全長は、約1mmとなる。 Except for the gate region 25, the channel silicon layer 24 and the local oxide film SiO 2 26 are covered with an interlayer insulating film 29 and are electrically connected to the source region 28 </ b> S through a connection hole 30 formed in the interlayer insulating film 29. A source electrode 31S and a drain electrode 31D electrically connected to the drain region 28D are formed. The interlayer insulating film 29 can be formed of, for example, a phosphorus-doped glass PSG (Phospho Silicate Glass) film. A heater wire 32 is formed on the local oxide film SiO 2 26 and on the interlayer insulating film 29. The heater wiring 32 is formed of an Al alloy film, and has a line width of, for example, 5 μm and a height of, for example, 0.5 μm. The heater wiring 32 is arranged in a folded state between the catalytic metal gate 28 and the source electrode 31S and between the catalytic metal gate 28 and the drain electrode 31D. For example, between the catalytic metal gate 28 and the source electrode 31S, the heater wiring 32 is formed in a 15-folded state at intervals of 5 μm with a length of 320 μm as a unit, and similarly, for example, between the catalytic metal gate 28 and the drain electrode 31D. When the heater wirings 32 are formed in a 15-folded state at intervals of 5 μm with a length of 320 μm as a unit, the total length of the heater wirings 32 is about 1 mm.
さらに、ゲート領域25を除いて、ソース電極31S、ドレイン電極31Dおよびヒータ配線32は、表面保護膜33により覆われている。表面保護膜33は、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。 Further, except for the gate region 25, the source electrode 31 </ b> S, the drain electrode 31 </ b> D, and the heater wiring 32 are covered with a surface protective film 33. As the surface protective film 33, for example, a silicon nitride film can be used.
さらに、ゲート領域25およびヒータ配線32の主要部を含む領域(以下、真正センサ領域と言う)34の下に位置するシリコン基板22が、くり貫かれている。このように、加熱される領域である真正センサ領域34の厚さを、例えば0.1〜20μm程度と薄くすることにより、ヒータ配線32に通電加熱したときに、加熱された真正センサ領域34に流入した熱量が周囲に逃げ難くなり、結果として低電力で真正センサ領域34の温度を100〜200℃程度に設定することができる。なお、シリコン基板22に対して異方性ドライエッチングとKOH溶液によるウエットエッチングとを行うことにより、シリコン基板22をくり貫くことが出来る。 Further, a silicon substrate 22 located under a region (hereinafter referred to as a genuine sensor region) 34 including the main portion of the gate region 25 and the heater wiring 32 is cut out. Thus, by reducing the thickness of the authentic sensor region 34 that is a heated region to about 0.1 to 20 μm, for example, when the heater wiring 32 is energized and heated, The amount of heat that has flowed in is difficult to escape to the surroundings, and as a result, the temperature of the genuine sensor region 34 can be set to about 100 to 200 ° C. with low power. The silicon substrate 22 can be cut through by performing anisotropic dry etching and wet etching with a KOH solution on the silicon substrate 22.
次に、参照用nチャネルMIS17が配置されたヒータ配線領域について説明する。図17に示すように、参照用nチャネルMIS17が配置されたヒータ配線領域の構造は、前述したセンサ用nチャネルMIS16が配置されたヒータ配線領域の構造とほぼ同じである。相違する点は、センサ用nチャネルMIS16の触媒金属ゲート28は層間絶縁膜29および表面保護膜33により覆われていないが、参照用nチャネルMIS17の触媒金属ゲート28は層間絶縁膜29および表面保護膜33により覆われていることである。 Next, the heater wiring region in which the reference n-channel MIS 17 is disposed will be described. As shown in FIG. 17, the structure of the heater wiring region in which the reference n-channel MIS 17 is disposed is substantially the same as the structure of the heater wiring region in which the sensor n-channel MIS 16 is disposed. The difference is that the catalytic metal gate 28 of the sensor n-channel MIS 16 is not covered with the interlayer insulating film 29 and the surface protective film 33, but the catalytic metal gate 28 of the reference n-channel MIS 17 is not covered with the interlayer insulating film 29 and the surface protective film. It is covered with the film 33.
なお、触媒金属ゲート28とソース電極31Sおよび触媒金属ゲート28とドレイン電極31Dとの間が数10μmと長くなるため、ソース・ゲート抵抗は高くなるが、可燃性ガスセンサの動作領域はソース・ドレイン電流が小さい領域で用いるので、大きな障害にはならないと考えられる。 In addition, since the distance between the catalytic metal gate 28 and the source electrode 31S and between the catalytic metal gate 28 and the drain electrode 31D is as long as several tens of μm, the source / gate resistance is increased, but the operating region of the combustible gas sensor is the source / drain current. Is used in a small area, so it is not considered to be a major obstacle.
また、センサチップには、センサ用nチャネルMIS16および参照用nチャネルMIS17を形成したが、nチャネルMISに代えてpチャネルMISを用いてもよく、同様にセンサチップを実現することができる。 Further, although the sensor n-channel MIS 16 and the reference n-channel MIS 17 are formed in the sensor chip, a p-channel MIS may be used instead of the n-channel MIS, and the sensor chip can be similarly realized.
次に、本実施の形態3による可燃性ガスセンサの消費電力について説明する。 Next, the power consumption of the combustible gas sensor according to the third embodiment will be described.
本実施の形態3による可燃性ガスセンサでは、前述した図16に示すように、センサチップの構造を、触媒金属ゲート28とソース電極31Sとの間隙の距離および触媒金属ゲート28とドレイン電極31Dとの間隙の距離を長くして、この間隙に金属配線によるヒータ配線32を何重に折り曲げて挿入し、ゲート領域25およびヒータ配線32の主要部を含む真正センサ領域34の下に位置するシリコン基板22をくり貫き、ゲート領域25を加熱した熱により周辺のシリコン基板22が加熱され難い構造とし、さらに、前述した図1に示すように、センサチップ1とステム2との間に断熱材3を挿入する。このような構造とすることにより、実際に加熱する面積をセンサチップの全面積の1/50以下、全体積の1/1000以下とすることができる。 In the combustible gas sensor according to the third embodiment, as shown in FIG. 16 described above, the structure of the sensor chip includes the distance between the catalyst metal gate 28 and the source electrode 31S and the distance between the catalyst metal gate 28 and the drain electrode 31D. The distance of the gap is increased, and the heater wiring 32 made of metal wiring is bent and inserted into this gap, and the silicon substrate 22 located under the genuine sensor region 34 including the main part of the gate region 25 and the heater wiring 32. The peripheral silicon substrate 22 is hard to be heated by the heat generated by heating the gate region 25, and the heat insulating material 3 is inserted between the sensor chip 1 and the stem 2 as shown in FIG. To do. With such a structure, the area to be actually heated can be 1/50 or less of the total area of the sensor chip and 1/1000 or less of the total volume.
図18に、本実施の形態3による可燃性ガスセンサのヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を示す。 FIG. 18 is a graph illustrating the relationship between the resistance of the heater wiring and the power consumption of the combustible gas sensor according to the third embodiment.
例えば前述した図16に示すセンサ用nチャネルMIS16において、ヒータ配線32の取り出し電極(電極パッド20)間に12.5mAの電流を流すと、ヒータ配線32の抵抗が76.8Ωでは、ゲート領域25における温度は100℃となるが、ヒータ配線32の取り出し電極(電極パッド20)間に係る電圧が1V弱であることから、消費電力は12mWとなる。さらに電流を増加して消費電力を20mWとしてもゲート領域25における温度は約200℃である。従って、センサチップの触媒金属ゲート28近傍(ゲート領域25)が100〜200℃に加熱されても、消費電力が25mW以下で、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下を達成することができる。 For example, in the sensor n-channel MIS 16 shown in FIG. 16 described above, when a current of 12.5 mA is passed between the extraction electrodes (electrode pads 20) of the heater wiring 32, the gate region 25 is 25. However, since the voltage between the extraction electrodes (electrode pads 20) of the heater wiring 32 is less than 1 V, the power consumption is 12 mW. Further, even if the current is increased and the power consumption is 20 mW, the temperature in the gate region 25 is about 200 ° C. Accordingly, even when the vicinity of the catalyst metal gate 28 (gate region 25) of the sensor chip is heated to 100 to 200 ° C., the power consumption is 25 mW or less, the rated voltage is 1.2 V or less, and the rated current is 0.1 A or less. Can do.
ヒータ配線32の材料には、Al合金を用いたが、例えば前述した特許出願第2008−156427号に開示されているように、Mo/Au/Mo積層構造を用いることもができる。Al合金からなる配線と、Mo/Au/Mo積層構造からなる配線の信頼試験を行った結果、両者において5年以上の予測寿命が得られている。 Although an Al alloy is used as the material of the heater wiring 32, a Mo / Au / Mo laminated structure can be used as disclosed in, for example, the above-mentioned Patent Application No. 2008-156427. As a result of conducting a reliability test of the wiring made of the Al alloy and the wiring made of the Mo / Au / Mo laminated structure, a predicted life of 5 years or more is obtained in both.
このように、本実施の形態3によれば、センサチップの構造を、周囲のシリコン基板22が加熱され難い構造とし、センサチップとステムとの間に断熱材を挿入することにより(例えば前述した図1参照)、センサチップの触媒金属ゲート28近傍が100〜200℃に加熱されても、消費電力が25mW以下で、定格電圧1.2V以下、定格電流0.1A以下を達成することができる。これにより、防爆性を有するセンサチップを実現することができる。本実施の形態3において示したセンサチップのみでも防爆性を有することができるが、前述した実施の形態1において示した可燃性ガスセンサGS1,GS2の実装構造または前述した実施の形態2において示した可燃性ガスセンサGS3,GS4の実装構造のように、防水透湿性素材9,39を備えた金属キャップ6を用いてもよい。これにより、さらに防爆効果が向上し、さらに耐塩害性、防塵性等を有することができる。 As described above, according to the third embodiment, the structure of the sensor chip is configured such that the surrounding silicon substrate 22 is not easily heated, and the heat insulating material is inserted between the sensor chip and the stem (for example, as described above). 1), even when the vicinity of the catalyst metal gate 28 of the sensor chip is heated to 100 to 200 ° C., the power consumption is 25 mW or less, the rated voltage is 1.2 V or less, and the rated current is 0.1 A or less. . Thereby, the sensor chip which has explosion-proof property is realizable. Although only the sensor chip shown in the third embodiment can have explosion resistance, the mounting structure of the flammable gas sensors GS1 and GS2 shown in the first embodiment described above or the combustible shown in the second embodiment described above. The metal cap 6 provided with the waterproof and moisture-permeable material 9, 39 may be used as in the mounting structure of the gas sensor GS3, GS4. Thereby, the explosion-proof effect is further improved, and further, salt damage resistance, dust resistance, and the like can be obtained.
(実施の形態4)
前述した実施の形態3において説明したセンサチップは、例えば25mW以下の低い消費電力を示すことから、電池駆動によりコードレス化したセンサキットの中に組み込むことができる。そこで、本実施の形態4では、センサチップ、周辺回路および電源(例えば電池)等を一つにまとめた防爆性を有するセンサノードのセンサキットについて説明する。
(Embodiment 4)
Since the sensor chip described in the third embodiment described above exhibits low power consumption of, for example, 25 mW or less, it can be incorporated into a sensor kit that is cordless by battery driving. Therefore, in the fourth embodiment, a sensor kit of an explosion-proof sensor node in which a sensor chip, a peripheral circuit, a power supply (for example, a battery), and the like are combined into one will be described.
本実施の形態4による簡易防爆構造のセンサキットの基本的な構成を、図19〜図21を用いて説明する。図19は本実施の形態4によるセンサノードのシステム展開図、図20は本実施の形態4による簡易防爆構造のセンサキットの断面模式図、図21(a)、(b)および(c)はセンサチップを含むセンサ部分の要部断面図、センサノード基板モジュールに備わるソケットの斜視図およびセンサノード基板モジュールに備わるソケットの平面図である。 A basic configuration of a sensor kit having a simple explosion-proof structure according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 19 is a system development view of the sensor node according to the fourth embodiment, FIG. 20 is a schematic sectional view of a sensor kit having a simple explosion-proof structure according to the fourth embodiment, and FIGS. 21 (a), (b) and (c) are FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a sensor portion including a sensor chip, a perspective view of a socket provided in the sensor node board module, and a plan view of a socket provided in the sensor node board module.
図19に示すように、センサノードSNは、主にセンサモジュール100、通信制御モジュール200および電源系300から構成されている。センサネットのセンサノードの技術は、例えば特開2006−155009号公報(ガス検査システム)に開示されているので、その詳細は言及しないが、センサ101とその駆動回路102、ヒータ103、温度計104および温度計104とその駆動回路105からのアナログ信号をA/D変換機202,203を介してコントローラ(マイクロコンピュータ)201に取り込み、通信系206を通じてアンテナ207から無線を使ってサーバ208に情報を送り、リアルタイムでガス漏れを検知する技術である。図19中、符号204は閾値、205は比較器を示す。 As shown in FIG. 19, the sensor node SN mainly includes a sensor module 100, a communication control module 200, and a power supply system 300. The sensor node technology of the sensor network is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-155209 (gas inspection system), and details thereof are not mentioned, but the sensor 101 and its drive circuit 102, heater 103, thermometer 104 are not mentioned. The analog signals from the thermometer 104 and its drive circuit 105 are taken into the controller (microcomputer) 201 via the A / D converters 202 and 203, and information is transmitted from the antenna 207 through the communication system 206 to the server 208 by radio. This technology detects gas leaks in real time. In FIG. 19, reference numeral 204 denotes a threshold value, and 205 denotes a comparator.
センサモジュール100は、1つのIC(Integrated Circuit)チップによって製造することができる。しかし、センサ101は消耗品であり、定期的に取り替える必要があることから、センサ101は、センサノード基板モジュールから容易に交換できることが望ましい。本実施の形態4では、センサ101がセンサノード基板モジュールから簡単に取りはずしができる簡易防爆構造のセンサキットを例示する。 The sensor module 100 can be manufactured by one IC (Integrated Circuit) chip. However, since the sensor 101 is a consumable part and needs to be replaced periodically, it is desirable that the sensor 101 can be easily replaced from the sensor node board module. In the fourth embodiment, a sensor kit having a simple explosion-proof structure in which the sensor 101 can be easily removed from the sensor node board module is illustrated.
図20に示すように、本実施の形態4によるセンサキットGSKでは、センサノード基板モジュール43に、センサモジュール100、通信制御モジュール200および電源系300が実装されている。センサモジュール100中のセンサ101、ヒータ103および温度計104を前述した実施の形態3で説明したように、1つのシリコンチップに集積化している。センサ101の温度は、ヒータ配線の抵抗の温度特性から計測しており、センサモジュール100中の駆動回路102,105は別のICチップによって、センサノード基板モジュール43に実装されている。センサ101、ヒータ103および温度計104をICチップに集積化した部分をセンサチップ47と呼び、以下に示すように簡易実装したセンサ106として、センサノード基板モジュール43から簡単に取り外せる消耗品とする。 As shown in FIG. 20, in the sensor kit GSK according to the fourth embodiment, the sensor module 100, the communication control module 200, and the power supply system 300 are mounted on the sensor node board module 43. The sensor 101, the heater 103, and the thermometer 104 in the sensor module 100 are integrated on one silicon chip as described in the third embodiment. The temperature of the sensor 101 is measured from the temperature characteristic of the resistance of the heater wiring, and the drive circuits 102 and 105 in the sensor module 100 are mounted on the sensor node board module 43 by another IC chip. A portion in which the sensor 101, the heater 103, and the thermometer 104 are integrated on an IC chip is referred to as a sensor chip 47, and is a consumable that can be easily removed from the sensor node board module 43 as a sensor 106 that is simply mounted as described below.
センサノード基板モジュール43は筐体基板44上にバッファ45を介して設置され、センサ106は、後述するようにソケットを用いて簡単に取り外しができるようにセンサノード基板モジュール43上に設置してある。センサノード基板モジュール43およびセンサ106は、例えば前述した実施の形態1による防水透湿性素材9を装着した金属キャップ6により覆われており、止め具46を用いて金属キャップ6は筐体基板44に固定されている。金属キャップ6の形状は円柱状ではなく、直方体またはその類似形状とすることができる。金属キャップ6の取り付け金具を含まない外形寸法は、例えば25(W)×20(H)×20(D)mm、その重さは20gである。アンテナ207は金属キャップ6から外に出ている。 The sensor node board module 43 is installed on the housing board 44 via the buffer 45, and the sensor 106 is installed on the sensor node board module 43 so that it can be easily removed using a socket as will be described later. . The sensor node board module 43 and the sensor 106 are covered with, for example, the metal cap 6 on which the waterproof and moisture permeable material 9 according to the first embodiment described above is mounted, and the metal cap 6 is attached to the housing board 44 using the stopper 46. It is fixed. The shape of the metal cap 6 is not a columnar shape but can be a rectangular parallelepiped or a similar shape. The external dimensions of the metal cap 6 not including the mounting bracket are, for example, 25 (W) × 20 (H) × 20 (D) mm, and its weight is 20 g. The antenna 207 protrudes from the metal cap 6.
図21(a)に示すように、センサ106では、センサチップ47を用いており、センサチップ47がステム48上に、断熱材49を介して配置されている。ステム48には、ステム48を貫通して、ステム48の表面と裏面との両面に突出する複数のリード端子(ここでは12本を例示している)50が備わっており、リード端子50は、リード端子50の外周に設けられたガラス材によってステム48に固定されている。センサチップ47の主面上に形成された複数の電極パッドとステム48に繋がる複数のリード端子50とがそれぞれワイヤ51によって接続されている。センサチップ47、断熱材49および複数のワイヤ51は、高さ6〜12mm程度のステンレス金網52により覆われており、ステンレス金網52の側部の最下部(つばの部分52a)がステム48の周囲と接合されている。 As shown in FIG. 21A, the sensor 106 uses a sensor chip 47, and the sensor chip 47 is disposed on the stem 48 via a heat insulating material 49. The stem 48 is provided with a plurality of lead terminals (in this example, twelve are illustrated) 50 that penetrate the stem 48 and project on both the front surface and the back surface of the stem 48. It is fixed to the stem 48 by a glass material provided on the outer periphery of the lead terminal 50. A plurality of electrode pads formed on the main surface of the sensor chip 47 and a plurality of lead terminals 50 connected to the stem 48 are respectively connected by wires 51. The sensor chip 47, the heat insulating material 49, and the plurality of wires 51 are covered with a stainless wire mesh 52 having a height of about 6 to 12 mm, and the lowermost portion (the brim portion 52 a) on the side of the stainless wire mesh 52 is around the stem 48. It is joined with.
センサチップ47は、ステンレス金網52により覆われているだけであり、ステンレス金網52には十分な防爆性は期待できない。しかし、上記図20に示したように、センサチップ47を搭載するセンサノード基板モジュール43全体が、防爆性を有する防水透湿性素材9を装着した金属キャップ6により覆われているので、センサキットGSKは防爆性を有することができる。 The sensor chip 47 is only covered with the stainless wire mesh 52, and the stainless wire mesh 52 cannot be expected to have sufficient explosion-proof properties. However, as shown in FIG. 20, since the entire sensor node board module 43 on which the sensor chip 47 is mounted is covered with the metal cap 6 on which the waterproof and moisture-permeable material 9 having explosion-proof properties is attached, the sensor kit GSK. Can have explosion-proof properties.
また、前述したように、センサ106は、センサノード基板モジュール43に固定されたソケットに取り付ける構造となっている。具体的には、図21(b)および(c)に示すように、複数のソケットリード端子(ここでは12本を例示している)53がソケット54に備わっており、ソケット受け口55からセンサ106に備わるリード端子50を差し込むことにより、センサ106をセンサノード基板モジュール43に搭載する。 In addition, as described above, the sensor 106 is attached to a socket fixed to the sensor node board module 43. Specifically, as shown in FIGS. 21B and 21C, a plurality of socket lead terminals (here, twelve are illustrated) 53 are provided in the socket 54, and the sensor 106 The sensor 106 is mounted on the sensor node board module 43 by inserting the lead terminal 50 included in the sensor node board 43.
このように、本実施の形態4によれば、センサ106を搭載するセンサノード基板モジュール43全体を、防爆性を有する防水透湿性素材9を装着した金属キャップ6により覆うことにより、防爆性を有するセンサキットGSKを実現することができる。さらに、センサ106は、センサノード基板モジュール43に固定されたソケット54に着脱することにより容易に交換することができるので、センサ106の交換の作業性が向上し、またセンサ106が消耗した場合は、センサ106のみの交換によりセンサキットGSKの機能を修復できるので、コストも低減することができる。 As described above, according to the fourth embodiment, the entire sensor node board module 43 on which the sensor 106 is mounted is covered with the metal cap 6 to which the waterproof and moisture-permeable material 9 having the explosion-proof property is attached. A sensor kit GSK can be realized. Further, since the sensor 106 can be easily replaced by attaching / detaching it to / from the socket 54 fixed to the sensor node board module 43, the workability of replacing the sensor 106 is improved, and when the sensor 106 is consumed. Since the function of the sensor kit GSK can be restored by replacing only the sensor 106, the cost can be reduced.
(実施の形態5)
本実施の形態5による簡易防爆構造の接触燃焼式メタンガスセンサの基本的な構成を、図22に示す断面模式図を用いて説明する。
(Embodiment 5)
A basic configuration of a contact combustion methane gas sensor having a simple explosion-proof structure according to the fifth embodiment will be described with reference to a schematic cross-sectional view shown in FIG.
接触燃焼式メタンガスセンサ56は、検知素子57と補償用素子58とがステム59上に配置されており、検知素子57と補償用素子58との間には熱遮へい板60が設けられている。検知素子57は、例えばコイル状の白金線61に燃焼触媒を担持させた構造であり、白金線61の両端は金属リード線62、63に繋がっている。補償用素子58は、コイル状の白金線64に燃焼触媒を担持させない構造であり、白金線64の両端は金属リード線65,66に繋がっている。検知素子57の白金線61および補償用素子58の白金線64の径は、例えば10μm、それらの長さは、例えば300μmであり、消費電力は100mWにまで低減することができる。 In the catalytic combustion type methane gas sensor 56, a detection element 57 and a compensation element 58 are disposed on a stem 59, and a thermal shielding plate 60 is provided between the detection element 57 and the compensation element 58. The detection element 57 has, for example, a structure in which a combustion catalyst is supported on a coiled platinum wire 61, and both ends of the platinum wire 61 are connected to metal lead wires 62 and 63. The compensating element 58 has a structure in which a combustion catalyst is not supported on the coiled platinum wire 64, and both ends of the platinum wire 64 are connected to metal lead wires 65 and 66. The diameters of the platinum wire 61 of the detecting element 57 and the platinum wire 64 of the compensating element 58 are, for example, 10 μm, their length is, for example, 300 μm, and the power consumption can be reduced to 100 mW.
ステム59には、ステム59を貫通して、ステム59の表面と裏面との両面に突出する4本のリード端子67が備わっており、リード端子67は、リード端子67の外周に設けられたガラス材によってステム59に固定されている。金属リード線62,63,65,66は異なるリード端子67に接続されている。さらに、検知素子57、補償用素子58および熱遮へい板60は、例えば前述した実施の形態1と同じ防爆性を有する防水透湿性素材9を装着した金属キャップ6により覆われており、金属キャップ6の側部の最下部(つばの部分6a)がステム59の周囲と接合されている。 The stem 59 is provided with four lead terminals 67 that penetrate the stem 59 and protrude on both the front surface and the back surface of the stem 59, and the lead terminal 67 is a glass provided on the outer periphery of the lead terminal 67. It is fixed to the stem 59 by a material. The metal lead wires 62, 63, 65, 66 are connected to different lead terminals 67. Furthermore, the detection element 57, the compensation element 58, and the heat shielding plate 60 are covered with a metal cap 6 on which the waterproof and moisture-permeable material 9 having the same explosion resistance as that of the first embodiment described above is mounted, for example. The lowermost portion of the side portion (the flange portion 6 a) is joined to the periphery of the stem 59.
本実施の形態5による簡易防爆構造の接触燃焼式メタンガスセンサにおいては、前述した実施の形態1に示した寸法と同じ寸法で作製した金属キャップ6を採用した場合、400℃前後の動作温度でも、安定した動作を得ることができる。 In the contact combustion type methane gas sensor having a simple explosion-proof structure according to the fifth embodiment, when the metal cap 6 manufactured with the same dimensions as those described in the first embodiment is employed, even at an operating temperature of around 400 ° C., Stable operation can be obtained.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば前記実施の形態では、Si−MOSFETを用いた水素ガスセンサを例示したが、他の方式のガスセンサにも適用することができる。例えばMIS型キャパシタによる水素ガスセンサにも適用することができる。また、有機顔料を用いた水素ガスセンサまたはEMF型水素ガスセンサなどの動作原理の異なるセンサにも適用することができる。 For example, in the above-described embodiment, the hydrogen gas sensor using Si-MOSFET is exemplified, but the present invention can also be applied to other types of gas sensors. For example, the present invention can be applied to a hydrogen gas sensor using a MIS type capacitor. The present invention can also be applied to a sensor having a different operation principle, such as a hydrogen gas sensor using an organic pigment or an EMF type hydrogen gas sensor.
本発明は、防爆性および高信頼性(耐塩害性、防塵性、耐水性、耐薬品性など)を必要とする可燃性ガスを検知するガスセンサに適用することができる。 The present invention can be applied to a gas sensor that detects a flammable gas that requires explosion resistance and high reliability (such as salt damage resistance, dust resistance, water resistance, and chemical resistance).
1 センサチップ
2 ステム
2a ガラス材
3 断熱材
4 リード端子
5 ワイヤ
6 金属キャップ
6a つばの部分
8 穴
9 防水透湿性素材
10 断熱材
11 ポリテトラフルオロエチレン
12 空隙
13 金属焼結体
14 空隙
15 シリコン基板
16 センサ用nチャネルMIS
17 参照用nチャネルMIS
18 ヒータ
19 pn接合ダイオード
20 電極パッド
21 配線
22 シリコン基板
23 埋め込み絶縁層
24 チャネルシリコン層
25 ゲート領域
26 局所酸化膜SiO2
27 ゲート絶縁膜
28 触媒金属ゲート
28S ソース領域
28D ドレイン領域
29 層間絶縁膜
30 接続孔
31S ソース電極
31D ドレイン電極
32 ヒータ配線
33 表面保護膜
34 真正センサ領域
35 容器
36 フィルム
37 粘土
38 タングステンフィラメント線
39 防水透湿性素材
40 ステンレス線
41 粒子状物質
42 エポキシ樹脂
43 センサノード基板モジュール
44 筐体基板
45 バッファ
46 止め具
47 センサチップ
48 ステム
49 断熱材
50 リード端子
51 ワイヤ
52 ステンレス金網
52a つばの部分
53 ソケットリード端子
54 ソケット
55 ソケット受け口
56 接触燃焼式メタンガスセンサ
57 検知素子
58 補償用素子
59 ステム
60 熱遮へい板
61 白金線
62,63 金属リード線
64 白金線
65,66 金属リード線
67 リード端子
100 センサモジュール
101 センサ
102 駆動回路
103 ヒータ
104 温度計
105 駆動回路
106 センサ
200 通信制御モジュール
201 コントローラ
202,203 A/D変換機
204 閾値
205 比較器
206 通信系
207 アンテナ
208 サーバ
300 電源系
GS1,GS2,GS3,GS4 可燃性ガスセンサ
GSK センサキット
SN センサノード
S1 爆発実験用試料
RS1,RS2 爆発実験用比較試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor chip 2 Stem 2a Glass material 3 Heat insulating material 4 Lead terminal 5 Wire 6 Metal cap 6a Collar part 8 Hole 9 Waterproof moisture-permeable material 10 Heat insulating material 11 Polytetrafluoroethylene 12 Air gap 13 Metal sintered body 14 Air gap 15 Silicon substrate 16 n-channel MIS for sensors
17 n-channel MIS for reference
18 heater 19 pn junction diode 20 electrode pad 21 wiring 22 silicon substrate 23 buried insulating layer 24 channel silicon layer 25 gate region 26 local oxide film SiO 2
27 Gate insulating film 28 Catalytic metal gate 28S Source region 28D Drain region 29 Interlayer insulating film 30 Connection hole 31S Source electrode 31D Drain electrode 32 Heater wiring 33 Surface protective film 34 Authentic sensor region 35 Container 36 Film 37 Clay 38 Tungsten filament wire 39 Waterproofing Moisture permeable material 40 Stainless steel wire 41 Particulate matter 42 Epoxy resin 43 Sensor node board module 44 Housing board 45 Buffer 46 Stopper 47 Sensor chip 48 Stem 49 Heat insulating material 50 Lead terminal 51 Wire 52 Stainless steel wire 52a Collar part 53 Socket lead Terminal 54 Socket 55 Socket receptacle 56 Contact combustion type methane gas sensor 57 Detection element 58 Compensation element 59 Stem 60 Thermal shielding plate 61 Platinum wire 62, 63 Metal lead wire 64 Platinum wire 65, 66 Gold Lead wire 67 Lead terminal 100 Sensor module 101 Sensor 102 Drive circuit 103 Heater 104 Thermometer 105 Drive circuit 106 Sensor 200 Communication control module 201 Controller 202, 203 A / D converter 204 Threshold value 205 Comparator 206 Communication system 207 Antenna 208 Server 300 Power supply system GS1, GS2, GS3, GS4 Combustible gas sensor GSK Sensor kit SN Sensor node S1 Explosion experiment sample RS1, RS2 Explosion experiment comparison sample
Claims (22)
前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの内側に前記穴を覆う第1の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。 A gas sensor; a stem on which the gas sensor is mounted; and a cap having an upper portion and a side portion, and a lowermost portion of the side portion joined to an outer periphery of the stem. The stem and the cap surround the gas sensor. A combustible gas sensor,
A flammable gas sensor, wherein a hole is formed in a part of the cap, and a first waterproof and moisture-permeable material that covers the hole is installed inside the cap.
前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの内側に前記穴を覆う第1の防水透湿性素材が設置され、前記キャップの側部の外側に第2の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。 A gas sensor; a stem on which the gas sensor is mounted; and a cap having an upper portion and a side portion, and a lowermost portion of the side portion joined to an outer periphery of the stem. The stem and the cap surround the gas sensor. A combustible gas sensor,
A hole is formed in a part of the cap, a first waterproof / breathable material covering the hole is installed inside the cap, and a second waterproof / breathable material is installed outside the side of the cap. A flammable gas sensor.
前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの上部および側部の外側に第2の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。 A gas sensor; a stem on which the gas sensor is mounted; and a cap having an upper portion and a side portion, and a lowermost portion of the side portion joined to an outer periphery of the stem. The stem and the cap surround the gas sensor. A combustible gas sensor,
A flammable gas sensor, wherein a hole is formed in a part of the cap, and a second waterproof and moisture-permeable material is installed outside the upper part and the side part of the cap.
前記センサ用電界効果トランジスタは、触媒金属ゲートと、ソース領域と、ドレイン領域とを有し、前記触媒金属ゲートと前記ソース領域との間および前記触媒金属ゲートと前記ドレイン領域との間に、それぞれ前記ヒータ配線が配置され、前記触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置された領域の前記基板の厚さが、前記触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置されていない領域の前記基板の厚さよりも薄いことを特徴とする可燃性ガスセンサ。 A sensor chip having a sensor field effect transistor, a reference field effect transistor, a heater wiring, and a pn junction diode formed on the main surface of the substrate, a stem on which the sensor chip is mounted, and a gap between the sensor chip and the stem A flammable gas sensor including a heat insulating material inserted in
The field effect transistor for a sensor has a catalytic metal gate, a source region, and a drain region, and between the catalytic metal gate and the source region and between the catalytic metal gate and the drain region, respectively. The thickness of the substrate in the region where the heater wiring is arranged and the catalyst metal gate and the heater wiring are arranged is thinner than the thickness of the substrate in the region where the catalyst metal gate and the heater wiring are not arranged. Combustible gas sensor characterized by the above.
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