特許 7445920 ガスセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-29

(45)【発行日】2024-03-08

(54)【発明の名称】ガスセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20240301BHJP

   G01N 27/04 20060101ALI20240301BHJP

   G01N 27/18 20060101ALI20240301BHJP

【ＦＩ】

G01N27/12 B

G01N27/04 E

G01N27/18

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020114785

(22)【出願日】2020-07-02

(65)【公開番号】P2022012738

(43)【公開日】2022-01-17

【審査請求日】2023-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】糸井 清一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 慎也

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１４３８７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０７０９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０１７６２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００２－５３５６５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

キャビティ構造を有する基板と、
前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、
前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、
前記薄膜は、前記凹部を覆う部分が弛むように、前記基板に接合されている、ガスセンサ装置。

【請求項2】

前記薄膜は、前記凹部を覆う部分が凹形状、凸形状、凹凸形状のいずれかの形状になるように、前記基板に接合されている、請求項１に記載のガスセンサ装置。

【請求項3】

前記薄膜は、前記凹部を覆う部分が１つの凹形状、１つの凸形状、１つの凹凸形状のいずれかの形状になるように、前記基板に接合されている、請求項２に記載のガスセンサ装置。

【請求項4】

前記薄膜は、前記基板の前記凹部を区画する外周壁部の主面における中央部のみに接合されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスセンサ装置。

【請求項5】

キャビティ構造を有する基板と、
前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、
前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、
前記基板の前記凹部を区画する外周壁部の主面の内周部および外周部のうち少なくとも一方は、前記基板の厚さ方向の断面形状がＲ形状に形成されており、
前記薄膜は、前記基板の前記主面におけるＲ形状部分以外の平坦部のみに接合されている、ガスセンサ装置。

【請求項6】

キャビティ構造を有する基板と、
前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、
前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、
前記薄膜は、金属薄膜である、ガスセンサ装置。

【請求項7】

前記金属薄膜の材料は、Ｐｄ、Ｐｄ合金、Ｐｄ－Ｃｕ合金、ＴｉＮのいずれかである、請求項６に記載のガスセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、気体中に含まれる特定の原子を含む気体分子を検出するためのガスセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスセンサとは、ガスに反応してその存在を検知したり、ガス濃度を電気信号などに変換して出力する素子を表す。ガスセンサの用途としては、一般的には、家庭にあるようなガス漏れ警報器、インフラ設備や工場などにおけるパイプラインのガス漏れ検知、燃料電池自動車の制御などが知られている。以下、現在使用されているガスセンサの中で代表的な水素ガスセンサについて述べる。

【0003】

水素エネルギーは、エネルギー効率が高く、ＣＯ_２排出量を大幅に低減でき、原料である水はどこでも入手することができることから、最も重要なエネルギー源と位置付けられている。しかしその反面、水素エネルギーは、危険性が高いエネルギー源でもある。水素ガスは、最小着火エネルギーが小さく、燃焼濃度範囲も広いことから、引火しやすく、さらに最大燃焼速度が非常に速く爆風圧が大きいため危険であるということも広く知られている。これらのことから、水素ガスセンサに対して、高信頼性、高耐久性が重要視される。現在実用化されているセンサ素子の方式としては、半導体式、接触燃焼式、光学式など様々な原理のものあるが、応答速度が速く、高感度、低消費電力で耐環境性の高いセンサの開発が、現在も進められている。

【0004】

ここで、図６を用いて、特許文献１のガスセンサ装置の概略について説明する。図６は、特許文献１に記載のガスセンサ装置の説明図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれガスセンサ装置の要部断面図、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。図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、特許文献１のガスセンサ装置は、センサチップ１０１を備える。センサチップ１０１は、ステム１０２上に、断熱材１０３を介して配置されている。センサチップ１０１は、断熱材１０３の上面に貼り付けられている。ステム１０２には、ステム１０２を貫通して、ステム１０２の表面と裏面との両面に突出する複数のリード端子１０４が備わっている。リード端子１０４は、リード端子１０４の外周に設けられたガラス材１０２ａによってステム１０２に固定されている。センサチップ１０１の主面上に形成された複数の図示しない電極パッドと、ステム１０２に繋がる複数のリード端子１０４とが、それぞれワイヤ１０５によって接続されている。

【0005】

さらに、センサチップ１０１、断熱材１０３および複数のワイヤ１０５は、円筒形状の金属キャップ１０６により覆われている。金属キャップ１０６の側部の最下部（つばの部分１０６ａ）は、ステム１０２の周囲と溶接によって接合されている。センサチップ１０１は外気中の水素ガスを検出することから、金属キャップ１０６には、金属キャップ１０６の内側に外気を導入するための穴１０８が形成されている。穴１０８は、金属キャップ１０６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１０６の内側には、金属キャップ１０６の上部に接して防水透湿性素材１０９が設置されている。図６の（ｃ）に示す円柱形状の断熱材１１０によって、防水透湿性素材１０９は、かしめられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５５０７５２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述した特許文献１のガスセンサ装置は、ガスを検出するセンサチップ１０１へ外気を導入するための穴１０８を金属キャップ１０６に形成しておき、金属キャップ１０６に水が浸入しないように防水性のある防水透湿性素材１０９が設置されており、防水透湿性素材１０９が断熱材１１０によってかしめられている構造である。そのため、高湿度環境でガスセンサ装置を動作させる場合には、液体状態の水は通さないが蒸気である気体の水分が、防水透湿性素材１０９を透過しセンサチップ１０１の表面に存在することになる。これにより、ガス検出能力が低下するため、高感度のガスセンサ装置を実現することは困難となる。

【0008】

本開示は、高い検出感度および高速反応性を有し、厳しい環境下での動作保証ができるガスセンサ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示のガスセンサ装置は、キャビティ構造を有する基板と、前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、前記薄膜は、前記凹部を覆う部分が弛むように、前記基板に接合されている。また、本開示のガスセンサ装置は、キャビティ構造を有する基板と、前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、前記基板の前記凹部を区画する外周壁部の主面の内周部および外周部のうち少なくとも一方は、前記基板の厚さ方向の断面形状がＲ形状に形成されており、前記薄膜は、前記基板の前記主面におけるＲ形状部分以外の平坦部のみに接合されている。また、本開示のガスセンサ装置は、キャビティ構造を有する基板と、前記基板のキャビティ構造の凹部に配置されたガスセンサと、前記凹部を覆うように前記基板に接合され、液体を通さないが気体を通す薄膜と、を含み、前記薄膜は、金属薄膜である。

【発明の効果】

【0010】

本開示のガスセンサ装置によれば、高い検出感度および高速反応性を有し、厳しい環境下での動作保証ができるガスセンサ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の第１の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図

【図2】本開示の第１の実施の形態におけるガスセンサ装置の概略斜視図

【図3】本開示の第２の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図

【図4】本開示の第２の実施の形態におけるガスセンサ装置の平面図

【図5】本開示の第３の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図

【図6】特許文献１に記載のガスセンサ装置の説明図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれガスセンサ装置の要部断面図、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

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの図においては、それぞれの厚みや長さなどは図面の作成上から実施の形状と異なる。また、センサ素子上の金属パッド、ワイヤの個数および基板底部の端子や配線の個数についても、図示しやすい個数としている。さらに、各構成部材の材質も下記説明の材質に限定するものではない。

【0013】

〔第１の実施の形態〕
図１は、本開示の第１の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図、図２は、その概略斜視図である。図１、図２を参照しながら本開示のガスセンサ装置の構成について説明していく。

【0014】

図１、図２に示すように、ガスセンサ装置は、基板１を備える。基板１は、外周壁部と、外周壁部に囲まれた凹部とで構成されたキャビティ構造を有する。基板１の凹部の底面には、センサ素子２がペースト３によって固定されている。固定されたセンサ素子２の表面には、金属パッド４が設けられている。金属パッド４は、基板１の凹部の底面に設けられている内部端子６と、ワイヤ５を介して電気的に接続されている。内部端子６は、基板１の凹部の底部内部に形成されている内部配線７を経由して、基板１の裏面に設けられている外部端子８と電気的に接続されている。

【0015】

上述した各部材について以降に詳細を説明する。

【0016】

基板１は、セラミックを主とした材料で構成されている。基板１は、複数の層を備え、層間に金属配線が形成されることにより、基板１に実装される素子から基板外部へ電気的に接続することが可能に構成されている。基板１には、エポキシ系などの樹脂が使用されることもあり、製品の特性や耐環境性に合わせて、基板１の材料や構造が選定されることになる。

【0017】

センサ素子２は、ガスを検知するガスセンサの一例である。センサ素子２の種類には、半導体素子やマイクロヒーター素子などがある。ガスの検知方法には、酸素欠陥があるフィラメントを形成し、ガスが吸着することによって変化する半導体素子の抵抗値を検知する方法や、高熱伝導率のガスが介在することでマイクロヒーター素子の温度が低下することを利用して、温度低下に伴うマイクロヒーター素子の抵抗値変化を検知する方法などがある。検出原理の違いにより、デバイスの消費電力や測定限界濃度値、検出速度などの特性に差異が発生するため、用途に合わせた素子の選定が必要になる。

【0018】

ペースト３は、センサ素子２を基板１に固定するための機能を果たしており、一般的にはエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂が使用される。さらに導通が必要な場合にはＡｇフィラー、絶縁が必要な場合にはアルミナフィラーを含有するものを用いることができる。

【0019】

金属パッド４は、センサ素子２と、基板１に形成されている内部端子６とを電気的に接続するために必要である。金属パッド４の材料としては、主にＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどが使用される。金属パッド４と内部端子６を金属のワイヤ５で繋ぐことによって、金属パッド４と内部端子６との電気的な接続が取れるようになる。

【0020】

ワイヤ５は、前述したように、センサ素子２と基板１とを電気的に接続するために必要な金属からなるワイヤである。ワイヤ５の材料として、主にＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどが使用される。ワイヤ５の太さは、１０μｍ～３０μｍ程度である。ワイヤリングの方法としては、一般的にワイヤボンディングと呼ばれる工法が用いられる。ワイヤボンディング工法では、例えば、センサ素子２に形成された金属パッド４に対してワイヤ５の端部を接触させ、熱、超音波、荷重を加えることによって１ｓｔボンド側を接合させる。次に、２ｎｄボンド側となる基板１に形成された内部端子６にワイヤ５の端部を接触させ、熱、超音波、荷重を加えて、２ｎｄボンド側を接合させる。これによりセンサ素子２と基板１の間で安定した電気的接続が可能となる。

【0021】

内部端子６は、前述したように、ワイヤボンディング工法における２ｎｄボンド側の端子である。内部端子６の材料としては、主にＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄなどが使用される。内部端子６は、内部配線７を介して外部端子８へ電気的に接続されている。

【0022】

内部配線７は、基板１の内部端子６と外部端子８とを電気的に繋ぐための金属配線であって、基板１の内部に配置されている。内部配線７の材料としては、主にＷやＭｏなどの金属が使用される。特に、基板１がセラミックなどで構成される場合は、基板１の製造工程において１５００℃～１６００℃の高温で焼成されるため、内部配線７の材質選定は、高温に耐えられるように行われることが必須となる。

【0023】

外部端子８は、センサ素子２の電気を基板１そして外部基板へ伝達するために必要な金属端子である。外部端子８の材料としては、前述した内部端子６と同様の材料が選定される。外部基板の端子に半田を載せ、その上に外部基板端子と相当する基板１の外部端子８を位置合わせしてマウントし、リフロー炉などにより加熱することで二次実装される。外部基板にはガスセンサ以外の電子部品が同様の手法で二次実装されており、これらによりガスセンサの機能を果たすガスセンサモジュールが完成する。

【0024】

次に基板１の表面側の構成について説明する。

【0025】

基板１の表面には、接合部１０を介して薄膜９が接合されている。薄膜９の厚さは、例えば１０μｍ～５０μｍ程度である。薄膜９は機能性膜であり、薄膜９には使用目的によってさまざまな種類の膜が使用される。薄膜９は、ガスを透過しつつ、水（液相のＨ_２Ｏ）やガスに含まれる水分（液体）を透過しない機能を有する。このような機能を有するために、薄膜９は、撥水性フィルタの薄膜で構成されることが好ましい。撥水性フィルタの薄膜の材料としては、例えばテトラフルオロエチレン、ポリエステル、ポリエチレンなどが使用される。さらに、ガスセンサ装置を高湿度環境下でも動作可能にするために防水、防湿機能をさらに高めつつ、ガス選択性を上げるため、例えば水素ガスセンサ装置であれば、薄膜９は、ＰｄまたはＰｄ合金、Ｐｄ－Ｃｕ合金、ＴｉＮなどを材料とする金属薄膜で構成されることが好ましいが、薄膜９の材料としては、上述したものに限られない。

【0026】

基板１と薄膜９の接合方式としては、超音波、熱、荷重による超音波接合、熱と加圧による熱圧着、Ａｇ粒子などを用いて焼き固める焼結、光や熱で硬化する樹脂を用いる接着など様々な方法がある。ただし、いずれの方法においても接合時の超音波、加熱、荷重などによる振動や応力および接合以降の後工程における熱応力などによって、薄膜９が破れるなどの不良が発生するおそれがある。超音波接合であれば接合時の超音波振動や荷重によるひずみ、接着であれば接着剤硬化時の接着剤収縮による応力などが、上述の不良発生原因の代表である。そのため、基板１に薄膜９を接合する際に、薄膜９を張らずに中央部に膨らみ（弛み）を持たせることで、薄膜９に発生する応力を吸収する構造としている。

【0027】

薄膜９の代表的な形状を図１および図２に示しているが、薄膜９の形状は、図１、図２に示す形状に限ったものではなく、膨らみ部分が中央部だけではなく中央部を含むまたは含まない複数の箇所にある形状や、うねりのように膨らみとへこみを有する形状（凹、凸、凹凸形状）でも、薄膜９に発生する応力を吸収する効果がある。薄膜９は、１つまたは複数の凹、凸、凹凸形状のいずれかを有する。

【0028】

〔第２の実施の形態〕
以下、本開示の第２の実施の形態を、図面を参照して説明する。図３は、本開示の第２の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図、図４は、本開示の第２の実施の形態におけるガスセンサ装置の平面図である。第１の実施の形態と同様の構成については、第１の実施の形態と同一名称および同一符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0029】

第２の実施の形態のガスセンサ装置の基本構造は、第１の実施の形態のガスセンサ装置と同様である。キャビティ構造を有する基板１の凹部の底部には、センサ素子２がペースト３によって固定されている。固定されたセンサ素子２の表面には、金属パッド４が設けられている。金属パッド４は、基板１の凹部の底面に設けられている内部端子６と、ワイヤ５を介して電気的に接続されている。内部端子６は、基板１の凹部の底部内部に形成されている内部配線７を経由して、基板１の裏面に設けられている外部端子８と電気的に接続されている。

【0030】

基板１の表面に薄膜９が接合されている構造は、第１の実施の形態のガスセンサ装置と同じである。しかし、図３および図４に示すように、接合部１０は、基板１の表層である額縁エリア（図３における外周壁部の上面）の中央部分（端部を除く部分）のみにおいて、基板１と薄膜９を接合しており、額縁エリアの外周エッジ部および内周エッジ部では、基板１と薄膜９を接合しない構造となっている。

【0031】

基板１と薄膜９の接合時および後工程で発生する応力は、特に額縁エリアの外周エッジ部および内周エッジ部に集中する傾向があり、その応力集中を回避するために額縁エリアの外周エッジ部および内周エッジ部を回避した形に接合部１０を形成する。また、薄膜９の破れなどの不良をさらに抑制するために、第１の実施の形態のガスセンサ装置のように、薄膜９の中央部に膨らみをもたせた状態で、基板１と薄膜９を接合する方法を組み合わせることも、より効果的である。

【0032】

〔第３の実施の形態〕
以下、本開示の第３の実施の形態を、図面を参照して説明する。図５は、本開示の第３の実施の形態におけるガスセンサ装置の全体断面図である。第１の実施の形態と同様の構成については、第１の実施の形態と同一名称および同一符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0033】

第３の実施の形態のガスセンサ装置の基本構造は、第１の実施の形態のガスセンサ装置と同様である。キャビティ構造を有する基板１の凹部の底部には、センサ素子２がペースト３によって固定されている。固定されたセンサ素子２の表面には、金属パッド４が設けられている。金属パッド４は、基板１の凹部の底面に設けられている内部端子６と、ワイヤ５を介して電気的に接続されている。内部端子６は、基板１の凹部の底部内部に形成されている内部配線７を経由して、基板１の裏面に設けられている外部端子８と電気的に接続されている。

【0034】

図５に示すように、基板１の表層である額縁エリアの外周エッジ部および内周エッジ部には、Ｒ形状が設けられている。額縁エリアのうちＲ形状以外の平坦部分には、接合部１０が設けられており、接合部１０を介して薄膜９が接合されている。

【0035】

第２の実施の形態で説明したように、基板１と薄膜９の接合時および後工程で発生する応力は、特に額縁エリアの外周エッジ部および内周エッジ部に集中する傾向がある。その応力集中による薄膜９の剥がれや破れを防止するために、基板１の表層エッジ部分（外周エッジ部および内周エッジ部）をＲ形状に形成している。つまり、基板１の表層エッジ部分は、基板１の厚さ方向の断面形状がＲ形状に形成されている。なお、外周エッジ部または内周エッジ部のみをＲ形状に形成してもよい。また、薄膜９の破れなどの不良をさらに抑制するために、第１の実施の形態のガスセンサ装置のように、薄膜９の中央部に膨らみをもたせた状態で、基板１と薄膜９を接合する方法を組み合わせることも、より効果的である。

【0036】

また、Ｒ形状は、内周エッジ部、または、外周エッジ部のいずれか一方のみに設けられていてもよい。また、Ｒ形状は、基板１の額縁エリア幅に対して三分の一以下の幅であって、例えば、狭くても０．１ｍｍ程度の幅であってもよいが、これらの幅に限定されるものではない。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本開示のガスセンサ装置は、これまで困難であった燃料電池内部でのセンシングによるガス制御や埋没導管の地中での漏れ検知など、厳しい環境下で高い特性が必要とされる用途において有用である。

【符号の説明】

【0038】

１ 基板
２ センサ素子
３ ペースト
４ 金属パッド
５ ワイヤ
６ 内部端子
７ 内部配線
８ 外部端子
９ 薄膜
１０ 接合部
１０１ センサチップ
１０２ ステム
１０２ａ ガラス材
１０３ 断熱材
１０４ リード端子
１０５ ワイヤ
１０６ 金属キャップ
１０６ａ つばの部分
１０８ 穴
１０９ 防水透湿性素材
１１０ 断熱材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】