特開 2024-122621 検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122621

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20240902BHJP

   G01N 27/12 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

G01N27/12 B

G01N27/12 L

G01N27/12 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030277

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】槇 恒

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和紀

【テーマコード（参考）】

2G046

【Ｆターム（参考）】

2G046AA04

2G046AA10

2G046AA13

2G046AA23

2G046AA24

2G046AA26

2G046BA01

2G046BB02

2G046BJ01

2G046BJ06

2G046FA01

2G046FB01

2G046FB06

2G046FE03

2G046FE05

2G046FE09

2G046FE11

2G046FE25

2G046FE38

2G046FE48

(57)【要約】

【課題】複数のセンサ間の温度の差を抑制することが可能な検出装置を提供する。
【解決手段】検出装置１００は、気体のにおいの原因となる物質を検出する複数のセンサ１０と、複数のセンサ１０を収納する収納室２０と、収納室の下面の少なくとも一部を形成し、上面に複数のセンサ１０が設けられたセンサ基板３２と、センサ基板３２上に設けられ、複数のセンサ１０を露出する開口３８を有し、センサ基板３２の上面に接触するカバー３５と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体中のにおいの原因となる物質を検出する複数のセンサと、
前記複数のセンサを収納する収納室と、
前記収納室の下面の少なくとも一部を形成し、上面に前記複数のセンサが設けられたセンサ基板と、
前記センサ基板上に設けられ、前記複数のセンサを露出する開口を有し、前記センサ基板の上面に接触するカバーと、
を備える検出装置。

【請求項2】

前記センサ基板は、互いに隣接し複数設けられており、前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の上面に接触する請求項１に記載の検出装置。

【請求項3】

前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の前記上面の周縁領域に設けられる請求項２に記載の検出装置。

【請求項4】

前記複数のセンサ基板の下方に、前記複数のセンサ基板と電気的に接続される回路基板を備え、
前記複数のセンサ基板は前記回路基板から着脱可能である請求項２または３に記載の検出装置。

【請求項5】

前記開口は前記複数のセンサごとに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項6】

前記複数のセンサの各々と前記開口の側面との最短距離は、前記センサの最大幅より小さい請求項５に記載の検出装置。

【請求項7】

前記センサ基板の上面には導電体パターンが設けられ、
前記カバーの少なくとも下面は絶縁性である、または前記カバーと前記導電体パターンとの間に絶縁層を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項8】

前記導電体パターンは、前記複数のセンサの少なくとも１つ、または前記複数のセンサの少なくとも１つと電気的に接続された回路の一部を構成する素子の、周囲に設けられるパッドである請求項７に記載の検出装置。

【請求項9】

前記カバーの少なくとも一部の層の熱伝導率は、前記センサ基板内の絶縁層の熱伝導率より高い請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項10】

前記収納室の下面の一部を上面とする下壁部を有し、前記下壁部はキャビティを有し、平面視において、前記キャビティの内部に前記センサ基板が設けられ、前記センサ基板と前記カバーとで前記収納室を形成する筐体と、
前記カバーを、前記下壁部に取り付ける取り付け部材と、
を備え、
前記センサ基板の上面と前記下壁部の上面との高さの差は、前記カバーの厚さの１／１０以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項11】

前記カバーの厚さは、前記センサの厚さの１／２倍以上かつ２倍以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項12】

温度センサまたは湿度センサである環境センサが上面に設けられた環境センサ基板をさらに備え、
前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の上面と、前記環境センサ基板の上面と、に接触し、前記開口は前記複数のセンサおよび前記環境センサとを露出する請求項２または３に記載の検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

におい等の気体に関する情報を検出する検出装置が知られている（例えば特許文献１および２）。気体が流れる流路を形成する面の一部を、複数のセンサが搭載された基板により形成することが知られている（例えば特許文献１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２１／１７２５９２号

【特許文献2】特開２０２０－１９３８４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数のセンサが実装される基板は熱伝導率が低い。このため、複数のセンサ間の温度の差が大きくなる。これにより、気体に関する情報等の検出精度が低下してしまう。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数のセンサ間の温度の差を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、気体中のにおいの原因となる物質を検出する複数のセンサと、前記複数のセンサを収納する収納室と、前記収納室の下面の少なくとも一部を形成し、上面に前記複数のセンサが設けられたセンサ基板と、前記センサ基板上に設けられ、前記複数のセンサを露出する開口を有し、前記センサ基板の上面に接触するカバーと、を備える検出装置である。

【0007】

上記構成において、前記センサ基板は、互いに隣接し複数設けられており、前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の上面に接触する構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の前記上面の周縁領域に設けられる構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記複数のセンサ基板の下方に、前記複数のセンサ基板と電気的に接続される回路基板を備え、前記複数のセンサ基板は前記回路基板から着脱可能である構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記開口は前記複数のセンサごとに設けられている構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記複数のセンサの各々と前記開口の側面との最短距離は、前記センサの最大幅より小さい構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記センサ基板の上面には導電体パターンが設けられ、前記カバーの少なくとも下面は絶縁性である、または前記カバーと前記導電体パターンとの間に絶縁層を有する構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記導電体パターンは、前記複数のセンサの少なくとも１つ、または前記複数のセンサの少なくとも１つと電気的に接続された回路の一部を構成する素子の、周囲に設けられるパッドである構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記カバーの少なくとも一部の層の熱伝導率は、前記センサ基板内の絶縁層の熱伝導率より高い構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記収納室の下面の一部を上面とする下壁部を有し、前記下壁部はキャビティを有し、平面視において、前記キャビティの内部に前記センサ基板が設けられ、前記センサ基板と前記カバーとで前記収納室を形成する筐体と、前記カバーを、前記下壁部に取り付ける取り付け部材と、を備え、前記センサ基板の上面と前記下壁部の上面との高さの差は、前記カバーの厚さの１／１０以下である構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記カバーの厚さは、前記センサの厚さの１／２倍以上かつ２倍以下である構成とすることができる。

【0017】

上記構成において、温度センサまたは湿度センサである環境センサが上面に設けられた環境センサ基板をさらに備え、前記カバーは、前記複数のセンサ基板の各々の上面と、前記環境センサ基板の上面と、に接触し、前記開口は前記複数のセンサおよび前記環境センサとを露出する構成とすることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、温度または湿度に基づく補正を適正に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施例１における検出装置の断面図である。

【図2】比較例１における検出装置の断面図である。

【図3】図３は、実施例２に係る検出装置の断面図である。

【図4】図４は、実施例２に係る検出装置の平面図である。

【図5】図５は、実施例２に係る検出装置の平面図である。

【図6】図６は、実施例２に係る検出装置の平面図である。

【図7】図７は、実施例２におけるセンサの模式図である。

【図8】図８は、実施例２に係る検出装置のブロック図である。

【図9】図９（ａ）および図９（ｂ）は、実験１における時間に対するセンサの温度を示す図である。

【図10】図１０は、実施例２に係る検出装置の別の例の平面図である。

【図11】図１１は、実施例２に係る検出装置の拡大平面図である。

【図12】図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。

【図13】図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。

【図14】図１４は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0021】

図１は、実施例１における検出装置１００の断面図である。検出装置１００は、筐体４０と、複数のセンサ基板３２と、複数のセンサ１０と、カバー３５とを備える。筐体４０、センサ基板３２およびカバー３５の内壁は空間４５を形成する。筐体４０、センサ基板３２およびカバー３５により囲まれた空間４５は、センサ１０を収納する収納室２０である。センサ１０は、後述するが、気体内のにおいの原因となる物質を検出するにおいセンサである。複数のセンサ１０は、複数のセンサ基板３２上にそれぞれ実装されている。センサ１０を交換するときにセンサ基板３２ごと交換することにより、センサ１０の交換が容易になるためである。

【0022】

空間４５を形成する収納室２０は、上面、上面とつながる側面、および側面とつながる下面と、を有する。上面と側面は筐体４０の内壁である。下面は筐体４０の内壁と、カバー３５の上面と、複数のセンサ基板３２の上面とを含み、センサ１０の一部が露出している。ここで、センサ基板３２の上面が空間４５に露出せずに、センサ１０の一部のみが空間４５に露出してもよい。筐体４０は、収納室２０の下面の一部を上面とし、筐体４０の内壁を上面とする下壁部４０ｃを有する。筐体４０の下壁部４０ｃは開口４２を有する。開口４２はキャビティである。センサ基板３２は、少なくともセンサ１０の一部が収納室２０に露出するように、開口４２の内部に設けられている。センサ基板３２は、後述する、ピン３３を介し回路基板３１と接続される。開口４２は、センサ基板３２を交換するために形成しているため、交換の必要がない場合は、開口４２を設けずに、下壁部４０ｃの上面または側面に、センサ基板３２を設けることもできる。

【0023】

筐体４０の下壁部４０ｃおよびセンサ基板３２上にカバー３５が設けられている。カバー３５は開口３８を有している。センサ１０のうち少なくとも感応膜１６は開口３８から空間４５に露出する。カバー３５の下面は、下壁部４０ｃおよびセンサ基板３２の上面に接触する。カバー３５は、センサ基板３２の上面に少なくとも一部が接触すればよい。空間４５には、導入路２１より検出すべき気体５０が導入され、空間４５から排出路２４より気体５２が排出される。

【0024】

（発明の概要）
感応膜１６は、においの原因となる物質が吸着および脱離する。その結果、センサ１０の発振周波数、抵抗または電気容量などの電気的特性が変化する。電気的特性の変化を測定することで、においの原因となる物質の検出が可能となる。しかし、感応膜１６への物質の吸着および脱離の量は、温度により変動する。また、温度によりセンサ１０の電気的特性が変化し、測定値が変化する。例えば、センサ１０の発振周波数を測定するセンサにおいては、センサ１０の発振周波数は、温度に起因して変化する。

【0025】

また、測定空間に流れ込む気体は均一ではなく、気体中の濃度分布および温度分布が生じる。気体の温度が変化すれば、相対湿度の変化するため、気体に温度分布があれば、気体の相対湿度に分布が生じる。

【0026】

センサ１０、センサ１０を実装するセンサ基板３２、および、センサ基板３２の下方に位置するマザー基板（図３の回路基板３１）も、動作することにより温度が上昇する。センサ基板３２または回路基板３１には、電源や発振回路を構成する部品が実装されており、センサ基板３２または回路基板３１の一部では、より顕著に熱が発生する。さらに、センサ基板３２のサイズが大きくなり、隣接するセンサ１０間の距離が大きくなると、それぞれのセンサ１０を同じ温度にすることが難しくなる。

【0027】

また、センサ１０の検出精度を高めるために、湿度センサおよび／または温度センサ(以降、センサ１８という。図３から図６を参照)をセンサ１０の近傍に配置して、センサ１０の出力信号を、湿度および／または温度を用い補正する。これにより、センサ１０の検出精度を高めている。センサ１０同士と同様に、センサ１８とセンサ１０との温度差が小さいことが好ましい。

【0028】

以上の点を考慮すると、複数のセンサ１０の温度を均一にすることが求められる。実施例では、これを解決するため、熱伝導の優れたカバー３５を採用した。

【0029】

カバー３５の説明：カバー３５は、表面（上面）と裏面（下面）を少なくとも有するシート状、または板状のものである。カバー３５は、熱伝導の優れた材料であればよく、金属層、セラミック層もしくは樹脂層、またはそれらの複合層である。カバー３５は、例えば、センサ基板３２に対する絶縁性の確保、または筐体４０への固定のため、一部の層の熱伝導が優れてなくてもよい。セラミック層または樹脂層の材料としては、金属の熱伝導率に近い熱伝導率を有するものが採用されることが好ましい。金属のカバー３５の場合、センサ基板３２の導電体パターンとのショートを考え、下面が絶縁処理されたものか、またはカバー３５とセンサ基板３２との間に薄い絶縁シートが挿入される。

【0030】

カバー３５の態様：カバー３５には、センサ１０の感応膜１６を測定空間４５に露出させるため、開口３８が設けられている。感応膜１６の上面は、カバー３５の上面と面一、カバー３５の上面から若干凹む、または、カバー３５の上面から多少突出する。カバー３５は、少なくとも複数のセンサ基板３２を覆う。センサ基板３２の上面の少なくとも一部とカバー３５の下面の少なくとも一部とが、接触している。さらに、カバー３５は、センサ１０が実装されたセンサ基板３２とセンサ１８が実装されたセンサ基板３２とを覆い、センサ１８を実装するセンサ基板３２の上面の少なくとも一部とカバー３５の下面の少なくとも一部とが、接触している。

【0031】

カバー３５を介し、センサ基板３２間を熱が伝送しやすくなる。これにより、カバー３５が接触しているセンサ基板３２近傍の気体の温度およびカバー３５の開口３８の内部の気体の温度が均一化する。温度が均一化された気体はセンサ１０の感応膜１６に供給される。特に、センサ１０は、カバー３５の開口３８から露出されている。このため、センサ１０に供給される気体の温度はほぼ均一となり、複数のセンサ１０間の温度差が減少する。また、センサ１０とセンサ１８の温度差が減少する。

【0032】

（センサ１０を実装するセンサ基板３２）
センサ基板３２は、一般にはプリント基板であり、例えば、エポキシ系もしくはイミド系などの樹脂基板、アルミナもしくはベリリアなどのセラミック基板、または、上面が絶縁処理された金属基板もしくはシリコンなどの半導体基板である。センサ基板３２では、少なくとも１層の導電体パターンが上面に設けられ、導電体パターンの酸化防止のために、センサ基板３２の上面に絶縁膜が被覆されている。絶縁膜は、例えば、エポキシ系のソルダーレジストである。センサ基板３２が半導体基板の場合には、絶縁膜は、ソルダーレジスト以外に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはガラス膜などである。よって、センサ基板３２の最上面は、パシベーション膜となる膜が覆われている。また場合によっては、センサ基板３２の最上面は、グランド電位が供給される金属シールド膜であってもよい。

【0033】

（センサの温度差の縮小化）
センサ１０およびセンサ基板３２などは、電気的に動作するため、熱が発生する。発生する熱の量は、センサ１０およびセンサ基板３２を含む回路の大きさの違い、その回路に流れる電流の大小により大きく異なる。しかし、カバー３５がセンサ基板３２の最上面に接触すれば、センサ１０およびセンサ基板３２において発生した熱はカバー３５に伝導する。カバー３５は高い熱伝導率を有するため、カバー３５内の温度はほぼ均一となる。これにより、センサ１０同士の温度差が小さくなるとともに、センサ１０近傍の気体の温度の分布も小さくすることができる。

【0034】

なお、カバー３５とセンサ基板３２との接触は、以下の態様を含む。センサ基板３２の最上面が絶縁膜の場合、カバー３５の最下面は金属でも絶縁体でもよく、カバー３５の下面はセンサ基板３２の最上面の絶縁膜に接触する。センサ基板３２の最上面の一部が導電体の場合、カバー３５の最下面は絶縁体であり、カバー３５の下面はセンサ基板３２の最上面の導電体に接触する。

【0035】

（比較例１）
図２は、比較例１における検出装置１１０の断面図である。カバー３５が設けられていない以外は、図１の実施例と同じ構成である。

【0036】

以下に、比較例における課題について説明する。
（課題１）
検出装置１１０では、センサ１０同士の熱の伝導は、図２の破線矢印５８ａのように、センサ基板３２を介して行われる。センサ基板３２の絶縁層の材料は例えばガラスエポキシ樹脂であり、熱伝導率が低い。また、センサ基板３２がセンサ１０ごとに設けられていると、センサ基板３２の間に隙間３４ａが生じ、さらに熱伝導しにくくなる。このため、センサ１０同士の熱交換が行われず、センサ１０の温度差が大きくなってしまう。よって、複数のセンサ１０の出力に基づき、においまたは特定の物質の濃度などを算出する場合、気体に関する情報の検出精度が低下してしまう。

【0037】

（課題２）
センサ１０と筐体４０との間の熱の伝導は、図２の破線矢印５８ｂのように、センサ基板３２および筐体４０を介して行われる。しかし、センサ基板３２と下壁部４０ｃとの間、つまり当接部に隙間３４ｂが存在したり、絶縁材が存在したりする場合がある。この場合、筐体４０とセンサ基板３２との間の熱伝導が難しくなり、センサ１０間の温度差、筐体４０とセンサ１０との温度差が拡大してしまう。

【0038】

（課題３）
検出装置１１０では、隙間３４ａおよび３４ｂが形成される。このため、図２の矢印５９のように、隙間３４ａおよび３４ｂを介し収納室２０内の気体と、センサ基板３２の下方の気体が、両者の温度関係により、出入りする。例えば、センサ基板３２の下方にマザー基板が設けられていると、マザー基板に設けられた電源回路によりマザー基板の近傍の気体の温度が高くなる。この場合、センサ基板３２下方の空間の気体が、収納室２０内に流入する。このような気体の出入りにより、センサ１０近傍の気体の温度およびにおいの原因となる物質の濃度が乱れ、測定感度が低下する。

【0039】

（課題４）
センサ基板３２はガラスエポキシ樹脂等の有機絶縁体であり、また最上面には、エポキシ系のソルダーレジスト等の有機被膜が被覆されている。これら有機物は、においの原因となる物質および水分を吸着したり脱離したりする。この吸着および脱離の現象は、温度によっても増減し、収納室２０内のセンサ１０近傍の気体の温度およびにおいの原因となる物質の濃度に外乱を与えてしまう。

【0040】

（実施例１による対策の説明）
（センサ１０、センサ１８が実装されるセンサ基板３２の配置）
図５に示すように、複数のセンサ１０のそれぞれ搭載された複数のセンサ基板３２は、センサ１０のサイズが同じであることから、センサ基板３２のサイズは全てほぼ同じで矩形である。また、センサ１８が搭載されたセンサ基板３２の大きさも同じことが好ましいが、図５では、センサ１８が搭載されたセンサ基板３２のサイズはセンサ１０が搭載されたセンサ基板３２のサイズの約２倍である。なお、センサ１８が搭載されたセンサ基板３２とセンサ１０が搭載されたセンサ基板３２とのＸ方向のサイズは、ほぼ同じである。

【0041】

トランプのように同じサイズのものを縦横に並べるビルディングブロック方式のように、センサ基板３２を整然と並べる場合に、センサ基板３２の間には隙間３４ａが生じないように設計する。例えば、センサ基板３２を行列状に配列する。しかし、センサ基板３２の製造誤差などにより、センサ基板３２間に隙間３４ａが発生することがある。

【0042】

（対策１および２）
実施例１の検出装置１００では、カバー３５の下面の少なくとも一部が複数のセンサ基板３２の各々の上面の一部に接触する。これにより、図１の矢印５６ａのように、センサ１０の間は、センサ基板３２とカバー３５を介し面方向に熱伝導する。さらに、矢印５６ｂのように、センサ１０の間は、センサ基板３２を介さずに、カバー３５の開口３８内の気体を介して熱伝導する。よって、検出感度を向上できる。また、矢印５７ａのように、センサ１０と筐体４０とは、センサ基板３２とカバー３５を介し面方向に熱伝導する。さらに、矢印５７ｂのように、センサ１０と筐体４０との間は、センサ基板３２を介さずに、カバー３５の開口３８内の気体を介して熱伝導する。よって、検出感度を向上できる。

【0043】

（対策３）
実施例１の検出装置１００では、センサ基板３２の間の隙間３４ａ上、およびセンサ基板３２と下壁部４０ｃとの間の隙間３４ｂ上にカバー３５が設けられている。これにより、隙間３４ａおよび３４ｂ介して収納室２０内に気体が出入りすることを抑制できる。一般には、センサ基板３２の下には、マザー基板があり、このマザー基板には電源回路が設けられている。そのため、電源で暖められた気体が収納室２０へ入ることが考えられるが、カバー３５を設けることで、収納室２０内へ暖められた気体が流入することを抑制することが可能である。これにより、外乱の影響による検出感度が低下することを抑制できる。

【0044】

（対策４）
実施例１の検出装置１００では、センサ基板３２の上面を覆うようにカバー３５が設けられている。このカバー３５が、例えばステンレスなどであれば、カバー３５の空間４５に露出する面には、センサ基板３２の上面よりも、気体分子が吸着しにくい。これにより、検出精度の低下を抑制できる。

【実施例0045】

実施例２は、実施例１の具体例である。
図３は、検出装置１０２の断面図、図４から図６は、実施例２に係る検出装置１０２の平面図である。図３は、図４から図６のＡ－Ａ断面に相当する。図４は、筐体４０ａを上から見た平面図である。図５は、下壁部４０ｃの開口４２内にセンサ基板３２を配置した状態を上から見た平面図である。図６は、センサ基板３２上にカバー３５を配置した状態を上から見た平面図である。センサ基板３２の厚さ方向をＺ方向、センサ基板３２の配列方向をＸ方向およびＹ方向とする。

【0046】

図３から図６に示すように。筐体４０は、筐体４０ａと４０ｂとを有している。筐体４０ａのうち収納室２０の下の部分は下壁部４０ｃである。筐体４０ａと４０ｂとは例えばネジ等により接合されている。筐体４０ａと、４０ｂと、複数のセンサ基板３２と、複数のセンサ１０と、カバー３５と、により空間４５が形成される、空間４５を囲む筐体４０の内面は収納室２０を形成する。筐体４０ａの下壁部４０ｃには開口４２と開口４２の上下（±Ｘ方向）に凹部４３および４４が設けられている。開口４２内に複数のセンサ基板３２が図３の上下方向（Ｘ方向）および左右方向（Ｙ方向）に配列されている。センサ基板３２の上面にセンサ１０が設けられている。最も上側（＋Ｘ側）のセンサ基板３２の上面にはセンサ１８が設けられている。センサ１０は、気体内の特定の物質（分子など）を検出するセンサである。センサ１８は、気体の温度、湿度および圧力等の環境に関する指標を検出するセンサである。

【0047】

複数のセンサ基板３２は、平面視で見ると、開口４２内に敷き詰められており、センサ基板３２の上面は収納室２０の下面の少なくとも一部を形成する。センサ基板３２の下には、センサ１０と電気的に接続されたピン３３が埋設されている。筐体４０ａの下に回路基板３１（マザー基板）が設けられている。筐体４０ａの下面と回路基板３１とは接合部４１により接合されている。ピン３３は、回路基板３１と着脱可能な構造である。ピン３３は、回路基板３１から引き抜いて、着脱することができる。ピン３３自体を、センサ基板３２から引き抜く構造としてもよい。センサ基板３２の裏面に、コネクタを取り付けて、回路基板３１上に形成されたコネクタと着脱可能としてもよい。これにより、センサ基板３２を個別に交換することが可能となり、劣化または故障したセンサ１０が搭載されたセンサ基板３２だけを交換ができ、コストパフォーマンスに優れる。

【0048】

センサ基板３２を覆うように、カバー３５が設けられている。カバー３５は、下のシート状の層３５ａと、層３５ａ上に設けられ、本来のカバーである層３５ｂとを備える。例えば、カバー３５は、ステンレスからなる金属板の裏面に絶縁性の熱伝導性シートが張り合わされたような構造である。この層３５ａは、層３５ｂ（例えば金属板）の下面とセンサ基板３２の上面とを接触させ、層３５ｂの下面と下壁部４０ｃの上面とを接触させる。なお、この層３５ａには、パッキンを採用してもよい。層３５ｂは、熱伝導率の高い材料からなる層が好ましい。下壁部４０ｃの上面には、図４のように、ネジ孔４７が設けられている。カバー３５の上面からネジをネジ孔４７に挿入しネジ接合することで、カバー３５を取り付けることができる。

【0049】

筐体４０ａおよび４０ｂの材料は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシアルカン）等のフッ素系樹脂または他の樹脂等の絶縁体である。筐体４０ａおよび４０ｂの材料は金属でもよい。カバー３５の層３５ｂは、ステンレス、アルミニウムまたは銅等の金属板である。層３５ｂは、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素系樹脂でもよい。層３５ｂは、熱伝導率が高く、表面に気体分子の吸着しにくい材料が好ましい。層３５ａを熱伝導性シートとして用いる場合、層３５ａは、例えばシリコン放熱シートである。層３５ａをパッキンとして用いる場合、層３５ａは例えばポリプロピレン発泡体等の樹脂発砲体である。センサ基板３２の絶縁層は、例えばガラスエポキシ樹脂である。ピン３３は、導電性を有し、センサ１０およびセンサ基板３２の導電体パターンと電気的に接続されており、センサ基板３２のスルーホールに埋設されている。ピン３３は、例えば銅である。

【0050】

図７は、実施例２におけるセンサ１０の模式図である。センサ１０として水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）を例に説明する。センサ１０は、水晶板１２と水晶板１２を挟む電極１４ａおよび１４ｂとを備える。電極１４ａ上に感応膜１６が設けられている。電極１４ａおよび１４ｂは発振回路２６に電気的に接続されている。発振回路２６は、センサ１０の共振周波数に関係する発振周波数において発振する。測定器２８は、センサ１０の共振周波数に関係する検出値として発振周波数を測定する。

【0051】

水晶板１２は、単結晶水晶であり、例えばＡＴカットの水晶基板である。電極１４ａおよび１４ｂは例えば金または銅等の金属を主成分とする金属層である。

【0052】

感応膜１６の材料は、例えば高分子材料、多孔質材料または有機金属化合物である。高分子材料としては、例えばセルロース、フッ素系ポリマー、ポリエチレンイミン、エステル系ポリマー、アクリル系ポリマー、ポリスチレン、ポリブタジエン、シクロオレフィンポリマー等であり、高分子材料は特定の物質が結合しやすい官能基を有している。多孔質材料は、例えばゼオライト、ＵｉＯ－６６またはＺＩＦ－８等のＭＯＦ（Metal Organic Flamework）である。有機金属化合物は、例えば金属フタロシアニンまたは金属ポルフィリンである。有機金属化合物の金属は、例えば銅、ニッケル、コバルトまたは亜鉛である。

【0053】

感応膜１６に気体内の特定の物質の分子等が吸着すると、感応膜１６の質量が増加する。これにより、センサ１０の共振周波数が低くなり発振周波数が低くなる。なお、この水晶振動子は、一方の電極１４ａが上面を向き、電極１４ａの上に感応膜１６が設けられた面実装タイプの構造が好ましい。この構造であれば、カバー３５の開口３８に感応膜１６を露出させることができる。複数のセンサ１０には、互いに異なる材料の感応膜１６が設けられている。これにより、ある濃度の単一または複合的な物質を含む気体が供給されてたときに、センサ１０ごとに、感応膜１６に吸着または脱離する量を異ならせることができる。

【0054】

センサ１０としては、水晶振動子以外にも、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振器またはＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）もしくはＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）等のＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器等の圧電層を用いた振動子を用いることができる。これらのセンサ１０にも面実装タイプを用いることが好ましく、感応膜１６がセンサ１０の最上面に平坦に設けられていることが好ましい。感応膜１６はカバー３５の開口３８から露出する。検出する気体内の物質としては、例えばエタノール、アセトンもしくはトルエン等の有機化合物、または、アンモニア、窒素酸化物、オゾンもしくは塩素等の無機物質である。

【0055】

図８は、実施例２に係る検出装置１０２のブロック図である。収納室２０内に、においセンサであるセンサ１０並びに温度センサおよび／または湿度センサ（環境センサ）であるセンサ１８が設けられている。においセンサである複数のセンサ１０はそれぞれ複数の発振回路２６に接続されている。測定器２８は、複数の発振回路２６の発振周波数を測定する。

【0056】

収納室２０の左側には、導入路２１ａおよび２１ｂが設けられ、導入路２１ａおよび２１ｂから収納室２０内にそれぞれ気体５０ａおよび５０ｂが導入される。収納室２０の右側には、排出路２４が設けられ、排出路２４から収納室２０内を通過したドライかつクリーンな気体５２が排出される。導入路２１ａおよび２１ｂにポンプ２２ａおよび２２ｂがそれぞれ設けられている。ポンプ２２ａを駆動することで、基準となる気体５０ａが収納室２０内に導入される。そのため、ポンプ２２ａの前または後ろにフィルタ２３が取り付けられている。

【0057】

基準の気体５０ａは、水分（湿気）およびにおい成分（特定の物質の分子）が低減されたドライかつクリーンな空気である。例えば、外部の気体を、フィルタ２３に通過させることにより、水分およびにおい成分を除去することができる。ポンプ２２ｂを駆動することで、検出対象となる気体５０ｂが収納室２０内に導入される。気体５０ｂは、例えば、におい成分を含む空気である。

【0058】

処理部３０は、例えばプロセッサである。処理部３０には、ソフトウエアが組み込まれている。処理部３０は、測定器２８が出力する複数のセンサ１０の共振周波数に関する情報、およびセンサ１８が出力する温度、および圧力等に基づき、気体５０ｂに関する情報を算出または判定する。気体５０ｂに関する情報は、例えば、気体５０ｂ内の特定の物質の濃度の情報、または、気体５０ｂに含まれるにおい成分の情報である。また、処理部３０は、ポンプ２２ａおよび２２ｂを制御する。処理部３０の少なくとも一部は専用回路等のハードウエアにより形成されていてもよい。

【0059】

例えば、センサ１０における、温度または湿度の変化に起因した共振周波数の変化に相当する情報と、温度センサまたは湿度センサであるセンサ１８の出力と、の対応関係をメモリに記憶しておく。処理部３０は、センサ１８の出力と、上記対応関係に基づき、センサ１０の共振周波数に関する情報から温度または湿度の外乱を補正できる。このため、複数のセンサ１０とセンサ１８の周辺の温度または湿度は、できるだけ均一であることがより好ましい。そこで、カバー３５は、複数のセンサ１０を実装する複数のセンサ基板３２の各々の上面の一部と、センサ１８（環境センサ）を実装するセンサ基板３２（環境センサ基板）の上面との一部と、に接触し、開口３８は複数のセンサ１０およびセンサ１８とを露出する。これにより、複数のセンサ１０とセンサ１８の周辺の温度または湿度をより均一にすることができる。

【0060】

[実験１]
カバー３５が設けられた実施例２とカバー３５を設けていない比較例２とを用い、センサ１０および１８の温度を、赤外線センサを用い測定した。実験に用いたカバー３５の層３５ｂは、厚さが０．５ｍｍのステンレス板であり、層３５ａはポリプロピレン発泡体である。

【0061】

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実験１における時間に対するセンサの温度を示す図である。図９（ａ）は、図５の左上（－Ｘ＋Ｙ側）のセンサ１０ａの温度を示しており、図９（ｂ）は、右下のセンサ１８ａ（温度センサ）の温度を示している。オンは、センサ１０および１８の電源をオンした時刻であり、オフは、センサ１０および１８の電源をオフした時刻である。電源をオンするとは、センサ１０およびセンサ１０の周辺回路に、電源を供給し、制御信号を送り、測定を開始したという意味である。測定は、一例としては、発振回路２６を用いて水晶振動子を発振させ、その発振周波数を、周波数カウンタでカウントすることを、経時的に行うということである。

【0062】

センサ１０ａおよび１８ａともに、電源をオンすると温度が上昇し、電源をオフすると温度が下降する。カバー３５ありの実施例２では、カバー３５なしの比較例２に比べ、センサ１０ａおよび１８ａの温度の上昇が小さい。これは、実施例２では、センサ１０ａおよび１８ａにおいて発生した熱が、カバー３５を介し筐体４０ａに効率的に伝導し、筐体４０ａから熱が放出されたためと考えられる。また、カバー３５がヒートシンクとして機能したためと考えられる。

【0063】

［実験２］
カバー３５が設けられた実施例２とカバー３５を設けていない比較例２とを用い、複数のセンサ１０における感度のばらつきを測定した。図５におけるセンサ１０のうち上（＋Ｙ側）の８個のセンサ１０の感応膜１６を同じにし、各センサ１０の感度を測定した。実験に用いたカバー３５の層３５ｂは、厚さが０．５ｍｍのアルミニウム板であり、層３５ａはポリプロピレン発泡体である。温度が２４℃において、収納室２０内に、クリーンかつドライな基準となる空気を導入し、複数のセンサ１０の共振周波数ｆｒ０を測定し、その後、収納室２０内に濃度が５０ｐｐｍのトルエンを含む空気を導入し、複数のセンサ１０の共振周波数ｆｒを測定した。各センサ１０における｜ｆｒ－ｆｒ０｜を感度とした。同じ動作を３回繰り返し、感度を３回測定した。

【0064】

表１は、カバー３５のない比較例２における感度の最大、最小および差を示している。

【表1】

【0065】

表２は、カバー３５のある実施例２における感度の最大、最小および差を示している。

【表2】

【0066】

表１および２において、「最大」、「最小」および「差」は、８個のセンサ１０の感度のうち最大の感度、最小の感度、最大と最小の感度の差、をそれぞれ示している。表１のように、比較例２では、最大と最小の差は５０～５４Ｈｚであり、差の平均は５３Ｈｚである。表２のように、実施例２では、最大と最小の差は４１～４４Ｈｚであり、差の平均は４２Ｈｚである。

【0067】

このように、実施例２では、比較例２に比べ、複数のセンサ１０における感度のばらつきが小さい。これは、実施例２では、カバー３５を設けることで、センサ１０間の温度のばらつきが比較例２より小さくなるためと考えられる。

【0068】

実験１および２では、実施例２のカバー３５の層３５ａとして、パッキンを想定したポリプロピレン発泡体を用いているが、層３５ａとして熱伝導率のよいシリコン放熱シート等を用いれば、より効果が得られるものと考えられる。

【0069】

層３５ｂの熱伝導率が低いと、カバー３５を介した熱の伝導が小さくなってしまう。この観点から、カバー３５のうち少なくとも１層（例えば層３５ｂ）の熱伝導率はセンサ基板３２内の絶縁層の熱伝導率より高いことが好ましい。例えば、センサ基板３２として用いられるＦＲ－４の熱伝導率は約０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ステンレスの熱伝導率は約１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。カバー３５のうち少なくとも１層（例えば層３５ｂ）の熱伝導率は、センサ基板３２内の絶縁層の熱伝導率の２倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましい。

【0070】

図１０は、実施例２に係る検出装置の別の例の平面図であり、センサ基板３２上にカバー３５を配置した状態を上から見た平面図である。図１０のように、カバー３５の１つの開口３８内に複数のセンサ１０が設けられていてもよい。カバー３５の開口３８は複数のセンサ１０ごとに設けられていることが好ましい。

【0071】

なお、センサ基板３２は１つであり、１つのセンサ基板３２に複数のセンサ１０が搭載されていてもよい。また、センサ基板３２は複数であり、複数のセンサ基板３２の各々に１または複数のセンサ１０が搭載されていてもよい。

【0072】

図１１は、実施例２に係る検出装置の拡大平面図である。領域６０のように、カバー３５は、センサ１０を囲むようにセンサ基板３２の各々の上面の周縁領域に接触することが好ましい。これにより、センサ基板３２の間の隙間３４ａを迂回して、センサ基板３２から隣接するセンサ基板３２にカバー３５を介して熱が伝導する。これにより、センサ１０間の温度ばらつきを抑制できる。また、隙間３４ａを介した気体の漏れおよび流入を抑制できる。平面視において、カバー３５のほとんどがセンサ基板３２および筐体４０ａに接触することが好ましい。

【0073】

カバーの開口３８の側面と複数のセンサ１０の各々との間の最短距離Ｄ１が大きすぎると、センサ１０とカバー３５との間の気体を介した熱伝導がしにくくなる。これにより、センサ１０間の温度のばらつきが大きくなる。また、開口３８から露出するセンサ基板３２の表面の面積が大きくなる。これにより、センサ基板３２の表面に吸着する特定の気体分子が大きくなる。この観点から、距離Ｄ１は、センサ１０の最大幅Ｗ１以下が好ましく、０．５倍以下がより好ましく、０．２倍以下がさらに好ましい。

【0074】

センサ１０が、例えばシリコンなどの絶縁基板上に、圧電体、およびその圧電体を挟む電極を設ける構成であった場合、シリコン基板は絶縁性を有するため、センサ１０とカバー３５と接触させることができる。このように、センサ１０の一部とカバー３５が接触する構成であれば、センサ１０とカバー３５が、直接熱のやり取りをすることができるので、より好ましい。

【0075】

図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。図１２（ａ）では、センサ１０の厚さＴ１とカバー３５の厚さＴ２がほぼ同じである。図１２（ｂ）では、カバー３５の厚さＴ２は、センサ１０の厚さＴ１より小さい。図１２（ｃ）では、カバー３５の厚さＴ２は、センサ１０の厚さＴ１より大きい。

【0076】

図１２（ｂ）のように、カバー３５が薄いと、カバー３５を介した熱の伝導がしにくくなる。この観点からカバー３５の厚さＴ２は、センサ１０の厚さＴ１の１／２以上が好ましく、２／３以上がより好ましい。

【0077】

図１２（ｃ）のように、カバー３５が厚いと、センサ１０の感応膜１６に気体が到達しにくくなる。この観点からカバー３５の厚さＴ２は、センサ１０の厚さＴ１の２倍以下が好ましく、１．５倍以下がより好ましい。

【0078】

図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。図１３（ａ）では、センサ基板３２の上面の高さと筐体４０の下壁部４０ｃの上面の高さがほぼ同じある。図１３（ｂ）では、センサ基板３２の上面は、筐体４０の下壁部４０ｃの上面より低い。センサ基板３２の上面と下壁部４０ｃの上面との高さの差はＤ２である。図１３（ｃ）では、センサ基板３２の上面は、筐体４０の下壁部４０ｃの上面より高い。センサ基板３２の上面と下壁部４０ｃの上面との高さの差はＤ３である。

【0079】

図１３（ｂ）のように、センサ基板３２の上面が筐体４０の下壁部４０ｃの上面より低い場合、図６のように、ネジ４６等の取り付け部材を用いカバー３５を下壁部４０ｃに取り付けたときに、カバー３５がセンサ基板３２に接触しにくくなる。これにより、センサ基板３２間の熱伝導がしにくくなる。また、隙間３４ａを介した気体の漏れおよび侵入が生じる。

【0080】

図１３（ｃ）のように、センサ基板３２の上面が筐体４０の下壁部４０ｃの上面より高い場合、ネジ４６を用いカバー３５を取り付けたときに、カバー３５が下壁部４０ｃに接触しにくくなる。これにより、センサ基板３２と下壁部４０ｃとの間の熱伝導がしにくくなる。また、隙間３４ｂを介した気体の漏れおよび侵入が生じる。

【0081】

ネジ４６（取り付け部材）およびネジ孔４７を用い、カバー３５を、下壁部４０ｃに取り付ける場合、センサ基板３２の上面と下壁部４０ｃの上面との高さの差Ｄ２およびＤ３が大きいと、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）のように、実施例２の効果が十分に生じない。よって、差Ｄ２およびＤ３は、カバー３５の厚さＴ２の１／１０以下が好ましく、１／２０以下がより好ましい。

【0082】

図１４は、実施例２に係る検出装置の拡大断面図である。センサ基板３２の上面にはパッド３６が設けられている。パッド３６は、複数のセンサ１０の少なくとも１つ、または複数のセンサ１０の少なくとも１つと電気的に接続された回路（例えば周辺回路）の一部を構成する素子（例えば発振回路２６の一部を構成する素子）の、周囲に設けられる。回路は、例えば、センサ１０と電気的に接続される発振回路２６または発振回路２６の電源回路などである。回路の一部を構成する素子は、例えば抵抗、キャパシタ、インダクタまたはトランジスタ等の個別部品、または集積回路である。これらの素子は、例えば、センサ１０の水晶振動子の下面に設けられた集積回路であり、センサ１０とともにモジュールを構成してもよい。また、これらの素子は、センサ基板３２の下面に設けられてよい。さらに、これらの素子は、カバー３５の開口３８に露出して、センサ基板３２の上面に設けられてもよい。さらに、これらの素子は、センサ基板３２の上面において、カバー３５と接触して設けられてもよい。この場合に、カバー３５の層３５ａが例えば絶縁性の樹脂であるパッキンであれば、層３５ａが素子を押しつけることで、層３５ａと素子との間の隙間を減らすことができる。これにより、カバー３５は、大きな面積でセンサ基板３２と接触することができる。

【0083】

ピン３３はセンサ基板３２およびパッド３６を貫通する。ピン３３とパッド３６とは半田等の導電性の接合部３７により接合されている。ピン３３は、センサ基板３２の上面のパッド３６に電気的に接続されなくてもよく、センサ基板３２の下面に形成されたパッドに電気的に接続されてもよい。センサ基板３２を貫通するスルーホールが設けられ、パッド３６とセンサ基板３２の下面のパッドとをスルーホールを介し電気的に接続してもよい。また、センサ基板３２の上面には、センサ１０、またはセンサ１０の周辺回路と電気的に接続される配線が設けられていてもよい。

【0084】

センサ基板３２の上面にパッド３６、接合部３７および配線等の導電体パターンが設けられている場合、カバー３５の少なくとも下面は絶縁性であることが好ましい。これにより、カバー３５を介し、隣接するセンサ基板３２のパッド３６同士または配線同士が電気的に短絡することを抑制できる。例えば、層３５ａを絶縁体とすることで、隣接するセンサ基板３２のパッド３６同士または配線同士が電気的に短絡を抑制できる。

【0085】

図１４は、必ずしも実物の縮尺を正確に反映してはいないものの、平面的にみると、パッド３６の面積は、センサ基板３２の上面に占める割合が大きい。配線は、図示していないが、パッド３６またはピン３３と比較すると、十分小さいスケールである。この配線と比較すると、パッド３６が、熱伝導に寄与するほど大きなスケールであることが理解できる。このため、パッド３６、またはパッド３６上に形成された接合部３７が、カバー３５と接触すると、センサ１０またはセンサ１０の周辺回路が発する熱を、効率よくカバー３５に伝達することができる。

【0086】

さらに、パッド３６は、センサ基板３２の上面の周縁領域に複数設けられ、カバー３５と接触することが好ましい。実施例において、複数のセンサ基板３２は、それぞれセンサ基板３２の側面同士が当接し、平面的に見て、行列状に設けられている例を説明した。このとき、複数のセンサ基板３２のそれぞれの上面の周縁領域に、複数のパッド３６があれば、２つの隣り合うセンサ基板３２の複数のパッド３６は、２列に隣り合って並ぶように、配置される。この複数のパッド３６が、それぞれカバー３５と接触するため、伝熱性を向上できる。

【0087】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。