JP5086195B2 - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、熱応力変形に強い接触燃焼式ガスセンサを提供する。

従来の接触燃焼式ガスセンサとして、例えば、図３に示されたものが一般的に知られている（特許文献１）。同図に示すように、接触燃焼式ガスセンサ１は、センサ素子１０１と比較素子１０２と、を有している。センサ素子１０１は、白金コイルで形成されたヒータ素子２６と、このヒータ素子２６に塗布した、検出対象ガスとの接触燃焼を促進する触媒を担持した担持層とで構成されている。比較素子１０２は、ヒータ素子２６と、このヒータ素子２６に塗布した、検出対象ガスに反応しないアルミナ層などで構成されている。

上記センサ素子１０１のヒータ素子２６と、比較素子１０２のヒータ素子２６とは、検出対象ガスのない空気中では等しい抵抗値になるように設けられている。上述したセンサ素子１０１及び比較素子１０２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２とともにブリッジ回路１０３を構成して、接触燃焼式ガスセンサ１のセンサ部となる。このブリッジ回路１０３の端子ａと端子ｂとの間には、駆動電圧Ｅｏが供給されている。駆動電圧Ｅｏを供給すると、センサ素子１０１が、加熱されて検出対象ガスと接触燃焼する。

検出対象ガスを含む空気中では検出対象ガスとの燃焼熱によりセンサ素子１０１の温度が上昇し、これに伴ってセンサ素子１０１のヒータ素子２６の抵抗値が増加するために不平衡状態となり、不平衡電流Ｉｕが増加する。不平衡電流Ｉｕは検出対象ガスの濃度に応じた値である。そして、ブリッジ回路１０３の端子ｃ、端子ｄ間に接続されたメータが、この不平衡電流Ｉｕを電圧に変換して検出対象ガスに応じた出力Ｖｓとして出力する。

上述した従来の接触燃焼式ガスセンサ1は、センサ素子１０１及び比較素子１０２を含むブリッジ回路１０３を構成することにより、出力Ｖｓを、周囲温度の変化の影響や、センサ素子１０１の経時変化の影響をほとんど受けない値とすることができる。つまり、周囲温度の変動に伴って、センサ素子１０１を構成するヒータ素子２６の抵抗値が増減すると、比較素子１０２を構成するヒータ素子２６も同様にその抵抗値が低減する。このため、出力Ｖｓは、周囲温度（環境温度）の変化の影響を受けず、検出対象ガスの濃度に応じた値を算出し、検出対象ガスの濃度を検出することができる。

近年、これらの接触燃焼式ガスセンサ１は断続的に通電しても必要な加熱温度が得られるように、ヒータ素子２６を通電するときの熱時定数をできるだけ小さくして省電力化したり、小型化の要望に沿えるように、センサ素子１０１と比較素子１０２とをダイアフラム上に設けた接触燃焼式ガスセンサ１が多く使用されるようになった。この様な接触燃焼式ガスセンサ１の構成について図４及び図５を参照して以下説明する。

上述した接触燃焼式ガスセンサ１の上面図を、図４に示し、図４のＩ−Ｉ線断面図を図５に示す。接触燃焼式ガスセンサ１は、センサ素子１０１、及び、比較素子１０２に加えて、支持基台２２と、電極端子１３と、ダイアフラムＤと、を備えている。支持基台２２は、例えばシリコンなどから形成されている。図５に示すように、支持基台２２は、陥没部２７を備えている。一対の電極端子１３は、支持基台２２上に設けられている。支持基台２２上に形成された陥没部２７の上にダイアフラムＤが形成されている。ダイアフラムＤは第１連結部１４Ａと第２連結部１４Ｂと、を備えている。複数の連結部１４は、ダイアフラムＤと支持基台２２と連結して、ダイアフラムＤを支持している。センサ素子１０１、及び、比較素子１０２を構成するヒータ素子２６は、本体部２８と接続部２９を備えている。本体部２８は、ヒータ素子２６がダイアフラムＤ上に設けられている。接続部２９は、ヒータ素子２６が本体部２８から延在して一対の電極端子１３に接続している。第１連結部１４Ａの上に、ヒータ素子２６の接続部２９が搭載されている。

ダイアフラムＤ上には、センサ素子１０１、及び、比較素子１０２が各々設けられている。このセンサ素子１０１、及び、比較素子１０２、各々の両端に一対の電極端子１３が接続されており、電極端子１３に電圧を印加するとヒータ素子２６が加熱し、検出対象ガスと接触燃焼して温度の上昇に伴う抵抗値の変化を捉えることにより検出対象ガス濃度を検出する。

上述した接触燃焼式ガスセンサ１においては、支持基台２２とダイアフラムＤを連結する４つの連結部１４のうち、２つの第１連結部１４Ａ上に、ヒータ素子２６が設けられている。残り２つの第２連結部１４Ｂ上には、ヒータ素子２６は設けられていない。
特開２００１−９９７９８号公報

しかしながら、上述する方法では、連結部１４上に設けられたヒータ素子２６の有無による膜応力に差が生じる。また、発熱時に複数の連結部１４上に設けられたヒータ素子２６の有無により伝達する熱に差が生じる。このため経時変化により連結部１４に反りやねじれ等の歪みが生じ、連結部１４が破損する虞れがあった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、熱応力変形に強い接触燃焼式ガスセンサ１を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、凹部を備えた支持基台と、前記支持基台上に設けられた一対の電極端子と、前記支持基台の凹部上に成膜されたダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられた本体部と、前記本体部から延在して前記一対の電極端子に接続する接続部と、を有するヒータ素子と、を備え、前記一対の電極端子に電圧を印加すると前記ヒータ素子が加熱し、検出対象ガスと接触燃焼して温度の上昇を伴う抵抗値の変化を捉える接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記ダイアフラム上にはさらに、前記本体部から延在して、前記電極端子への電圧の印加に応じて前記ヒータ素子からの熱を伝導するダミー部材が設けられ、前記ダイアフラムは、前記支持基台と連結し、かつ前記ヒータ素子の接続部が搭載された第１連結部と、前記支持基台と連結し、かつ前記ダミー部材が搭載された第２連結部と、を有することを特徴とする接触燃焼式ガスセンサである。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ１に設けられた複数の連結部１４のうち、電極端子１３への電圧の印加に応じてヒータ素子２６からの熱を第２連結部１４Ｂに伝導するダミー部材Ｃを第２連結部１４Ｂに搭載することにより、第１連結部１４Ａと第２連結部１４Ｂの膜構成の違いによる応力バランスを緩和することができる。また、電極端子１３に電圧を印加すると、ヒータ素子２６が加熱し、第１連結部１４Ａ及び、第２連結部１４Ｂに伝達する熱を均等化することにより、経時変化による連結部１４の反りやねじれ等の歪みによる破壊を緩和し、長期に亘り使用することを可能とした接触燃焼式ガスセンサ１を提供する。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、接触燃焼式ガスセンサ１の上面図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ線断面図である。

接触燃焼式ガスセンサ１は、支持基台２２と、一対の電極端子１３と、ダイアフラムＤと、センサ素子１０１と、比較素子１０２と、ヒータ素子２６と、第１連結部１４Ａと、第２連結部１４Ｂと、ダミー部材Ｃと、を備えている。センサ素子１０１と比較素子１０２とは、形状が同じである。構成の違いについては後に説明する。

支持基台２２は、例えばシリコンなどから形成されている。略四角形の支持基台２２は、一対の陥没部２７を備えている。陥没部２７は異方向エッチングにより形成される。支持基台２２上に絶縁薄膜３２が成膜されている。

３つの電極端子１３は、支持基台２２上に位置している。

ダイアフラムＤは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）などから形成されている。ダイアフラムＤは、支持基台２２上にある一対の陥没部２７上にそれぞれ形成された絶縁薄膜３２の一部である。ダイアフラムＤは薄膜に形成することにより熱容量が小さい。後に説明するセンサ素子１０１及び、比較素子１０２とは、この熱容量の小さいダイアフラムＤ上に形成されている。ダイアフラムＤには、異方向エッチングにより、孔部２５が形成されている。図１に示すように、孔部２５は、略Ｌ字状に４つ形成されている。

センサ素子１０１は、ヒータ素子２６と、検出対象ガスとの接触燃焼を促進する触媒を担持した担持層２４Ａで構成されている。ヒータ素子２６は、本体部２８と接続部２９と、を備えている。ヒータ素子２６の本体部２８は、ダイアフラムＤ上に形成されている。ヒータ素子２６の接続部２９は、本体部２８から接続部２９を延在して、一対の電極端子１３に接続して形成されている。ヒータ素子２６は、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。担持層２４Ａは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₂）と触媒から形成されている。触媒は、検出対象ガスとの接触燃焼を促進するための触媒である。図２の断面図に示すように、センサ素子１０１は、絶縁薄膜３２からなるダイアフラムＤの上に、ヒータ素子２６が形成され、ヒータを保護する目的で絶縁薄膜２１が形成され、その上に担持層２４Ａが形成されている。以上の構成によれば、一対の電極端子１３に電圧を印加するとヒータ素子２６が加熱し、検出対象ガスと接触燃焼する。

センサ素子１０１と、比較素子１０２とは、形状が同じである。構成上の違いについて以下に説明する。

比較素子１０２は、ヒータ素子２６と、アルミナ層２４Ｂと、で構成されている。ヒータ素子２６は、本体部２８と接続部２９と、を備えている。ヒータ素子２６の本体部２８は、ダイアフラムＤ上に形成されている。ヒータ素子２６の接続部２９は、本体部２８から接続部２９を延在して、一対の電極端子１３に接続して形成されている。ヒータ素子２６は、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。アルミナ層２４Ｂは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₂）形成されている。図２の断面図に示すように、比較素子１０２は、絶縁薄膜３２からなるダイアフラムＤの上に、ヒータ素子２６が形成され、ヒータを保護する目的で、絶縁薄膜２１が形成され、その上にアルミナ層２４Ｂが形成されている。以上の構成によれば、一対の電極端子１３に電圧を印加するとヒータ素子２６が加熱する。

第１連結部１４Ａは、支持基台２２と連結し、ダイアフラムＤを支持している。第１連結部１４Ａには、ヒータ素子２６の接続部２８が搭載されている。第１連結部１４Ａは、ダイアフラムＤ上に２つ形成されている。

第２連結部１４Ｂは、支持基台２２と連結し、ダイアフラムＤを支持している。第２連結部１４Ｂは、２つ形成されている。第１連結部１４Ａと第２連結部１４Ｂは、卍字状に形成されて支持基台２２と連結している。第２連結部１４Ｂには電極端子１３への電圧の印加に応じてヒータ素子２６からの熱を第２連結部１４Ｂに伝導するダミー部材Ｃを搭載している。ダミー部材Ｃは、ヒータ素子２６から延在して設けられている。これにより、第１連結部１４Ａにヒータ素子２６が搭載され、第２連結部１４Ｂにヒータ素子を形成する材料からなるダミー部材Ｃが搭載される。

以上説明したように、第１連結部１４Ａにヒータ素子２６が搭載され、第２連結部１４Ｂにヒータ素子を形成する材料からなるダミー部材Ｃが搭載されることにより、第１連結部１４Ａと第２連結部１４Ｂの膜応力は等しくなる。これにより第１連結部１４Ａと、第２連結部１４Ｂの膜構成の違いによる熱応力バランスを緩和することができる。また、電極端子１３に電極を印加した場合、伝達される熱を、複数の連結部１４に均等化することにより、経時変化による連結部１４の反りやねじれ等の歪みによる破損を緩和し、長期に亘り使用することを可能とした接触燃焼式ガスセンサ１を提供する。

なお、上述した実施形態では、連結部１４は卍字状に形成されているが、本発明は、これに限ったものではない。また、上述した実施形態では、ダミー部材Ｃはヒータ素子２６の一部が延在して形成されているが、本発明は、これに限ったものではない。例えば、ダミー部材Ｃとして、ヒータ素子２６と別部材を用いてもよい。

前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の接触燃焼式ガスセンサの一実施形態を示す上面図である。 図１のＩ−Ｉ線断面図である。 従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を示す回路図である。 従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を示す上面図である。 図４のＩ−Ｉ線断面図である。

１ 接触燃焼式ガスセンサ
１３ 電極端子
１４Ａ 第１連結部
１４Ｂ 第２連結部
２２ 支持基台
２６ ヒータ素子
２８ 本体部
２９ 接続部
Ｃ ダミー部材
Ｄ ダイアフラム

Claims (1)

1. 凹部を備えた支持基台と、
   前記支持基台上に設けられた一対の電極端子と、
   前記支持基台の凹部上に成膜されたダイアフラムと、
   前記ダイアフラム上に設けられた本体部と、前記本体部から延在して前記一対の電極端子に接続する接続部と、を有するヒータ素子と、を備え、
   前記一対の電極端子に電圧を印加すると前記ヒータ素子が加熱し、検出対象ガスと接触燃焼して温度の上昇を伴う抵抗値の変化を捉える接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記ダイアフラム上にはさらに、前記本体部から延在して、前記電極端子への電圧の印加に応じて前記ヒータ素子からの熱を伝導するダミー部材が設けられ、
   前記ダイアフラムは、前記支持基台と連結し、かつ前記ヒータ素子の接続部が搭載された第１連結部と、
   前記支持基台と連結し、かつ前記ダミー部材が搭載された第２連結部と、を有することを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。

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