專利名稱：導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，所述導(dǎo)熱系數(shù)傳感器使用惠斯登電橋電路來(lái)檢 測(cè)試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，并根據(jù)該導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)測(cè)量試樣氣體中規(guī)定成分的濃度。
背景技術(shù)：
以往，作為這種導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，如專利文獻(xiàn)1(日本專利公開公報(bào)特開 2003-42983號(hào))所示，把構(gòu)成惠斯登電橋電路的測(cè)量用電阻中的一個(gè)收容在測(cè)量單元內(nèi)， 把比較用電阻中的一個(gè)收容在比較單元內(nèi)，把其他電阻作為外部電阻設(shè)置在單元的外部?？墒?，由于外部電阻與測(cè)量用電阻和比較用電阻的設(shè)置溫度或溫度系數(shù)不同，使 外部電阻與測(cè)量用電阻和比較用電阻受到的來(lái)自外部的溫度影響不同，所以難以得到準(zhǔn)確 的測(cè)量結(jié)果。因此，考慮至少要設(shè)置用于修正外部電阻受到的溫度影響的溫度修正電路，可是 由于外部電阻的溫度系數(shù)的偏差，使每個(gè)產(chǎn)品的外部電阻受到的溫度影響不同，所以需要 對(duì)每個(gè)產(chǎn)品設(shè)定溫度修正電路的修正系數(shù)，該設(shè)定繁雜，成為導(dǎo)致成本增加的主要原因。此外，僅僅用來(lái)自一個(gè)測(cè)量用電阻和一個(gè)比較用電阻的電信號(hào)，由于信號(hào)量小，使 信噪(SN)比變差，其結(jié)果，難以在低濃度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。除了上述的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器以外，還有一種導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，使用四個(gè)單元(兩 個(gè)測(cè)量單元和兩個(gè)比較單元)，在各單元中收容測(cè)量用電阻或比較用電阻，但這種導(dǎo)熱系數(shù) 傳感器除了制造成本高以外，還難以小型化。此外，需要在兩個(gè)比較單元內(nèi)封入例如N2氣 等參照氣體，由于不能避免因封入的偏差等造成的制造誤差，相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了一并解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠小型化、不需要外 部電阻、能夠減小因封入?yún)⒄諝怏w等造成的制造誤差、并且能夠增大檢測(cè)信號(hào)提高測(cè)量靈 敏度的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器。S卩，本發(fā)明的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器使用惠斯登電橋電路，所述惠斯登電橋電路包括測(cè) 量用電阻，配置在一組對(duì)邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻，配置在另一組對(duì)邊上，與 參照氣體接觸；通過(guò)對(duì)所述比較用電阻和所述測(cè)量用電阻的連接點(diǎn)的電位差進(jìn)行比較，來(lái) 檢測(cè)所述試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其特征在于，配置在所述一組對(duì)邊上的測(cè)量用電阻收容在 裝有所述試樣氣體的一個(gè)測(cè)量空間內(nèi)，配置在所述另一組對(duì)邊上的比較用電阻收容在裝有 所述參照氣體的一個(gè)參照空間內(nèi)。按照上述構(gòu)成，由于把配置在對(duì)邊上的測(cè)量用電阻收容在一個(gè)測(cè)量空間內(nèi)，把配 置在對(duì)邊上的比較用電阻收容在一個(gè)參照空間內(nèi)，所以可以使導(dǎo)熱系數(shù)傳感器小型化。此 夕卜，由于惠斯登電橋電路包括兩個(gè)測(cè)量用電阻和兩個(gè)比較用電阻，所以可以不需要用于構(gòu) 成惠斯登電橋電路的外部電阻。而且，由于只設(shè)置一個(gè)參照空間，所以可以減少因封入?yún)⒄?氣體等造成的制造誤差。并且，除了可以減少部件數(shù)量以外，還可以有助于降低成本。除此之外，與簡(jiǎn)單地分別設(shè)置一個(gè)測(cè)量空間和一個(gè)參照空間、在該空間內(nèi)設(shè)置一個(gè)測(cè)量用電阻和一個(gè)比較用電阻的情況相比，可以使檢測(cè)信號(hào)成倍增加，所以可以提高測(cè)量靈敏度。為了能夠使測(cè)量用電阻受到的溫度影響盡可能相同，使比較用電阻受到的溫度影 響盡可能相同，以進(jìn)行高精度的測(cè)量，并且可以使傳感器小型化，優(yōu)選的是配置在所述一 組對(duì)邊上的測(cè)量用電阻包括設(shè)置在同一個(gè)基板表面上的兩個(gè)薄膜電阻件，配置在所述另一 組對(duì)邊上的比較用電阻包括設(shè)置在同一個(gè)基板表面上的兩個(gè)薄膜電阻件。為了提高導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的靈敏度，優(yōu)選的是盡可能增加加載的電流量，但隨之 傳感器溫度上升。當(dāng)按照防爆標(biāo)準(zhǔn)用本傳感器測(cè)量可燃性氣體時(shí)，根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)，傳感器溫 度具有上限。此時(shí)，在該上限以下的范圍內(nèi)，為了得到均勻的溫度分布，優(yōu)選的是在所述基 板表面上，至少使構(gòu)成所述測(cè)量用電阻的薄膜電阻件具有形成圖案的圖案形成部，所述圖 案形成部的圖案形狀在周圍部位的密度最大、朝向中央部位密度逐漸減小，當(dāng)向圖案形成 部通電時(shí)，能夠使圖案形成部附近的溫度升溫到基本相同。按照上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可以不需要外部電阻、可以小型化、可以減少因封入?yún)⒄諝?體等造成的制造誤差，并且能夠增大檢測(cè)信號(hào)，提高測(cè)量靈敏度。


圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的測(cè)量電路的圖。圖2是表示上述實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器內(nèi)部模塊件的剖面圖。圖3是表示上述實(shí)施方式中的內(nèi)部模塊件的剖面圖。圖4是示意表示上述實(shí)施方式中的底座、傳感器基板和引腳的剖面圖。圖5是表示上述實(shí)施方式中的傳感器基板的俯視圖。圖6是表示上述實(shí)施方式中的薄膜電阻件的溫度分布的模擬結(jié)果。符圖標(biāo)記說(shuō)明100…導(dǎo)熱系數(shù)傳感器Sl…測(cè)量空間S2…參照空間WB…惠斯登電橋電路P1、P2…連接點(diǎn)R1、R2…測(cè)量用電阻R3、R4…比較用電阻33…薄膜電阻件33P…圖案形成部
具體實(shí)施例方式下面參照附圖對(duì)本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100用于檢測(cè)含有可燃性和/或腐蝕性成分的試 樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，并利用該導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)測(cè)量試樣氣體中規(guī)定成分的濃度。此外，可燃性 和/或腐蝕性成分包括水(H2O)、氧氣(O2)、硫氧化物(SOx)氣體、氮氧化物(NOx)氣體、鹽酸 (HCl)氣體、氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)氣體或氫氣(H2)等。
首先，參照?qǐng)D1對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100的測(cè)量電路進(jìn)行說(shuō)明。 該測(cè)量電路使用設(shè)置成接觸試樣氣體的兩個(gè)測(cè)量用電阻Rl、R2和設(shè)置成接觸參 照氣體的兩個(gè)比較用電阻R3、R4，具體地說(shuō)，測(cè)量電路包括惠斯登電橋電路WB (Wheatstone bridge)，所述惠斯登電橋電路把一個(gè)測(cè)量用電阻Rl或R2與一個(gè)比較用電阻R3或R4串聯(lián) 而形成的兩個(gè)串聯(lián)電路部并聯(lián)。此時(shí)并聯(lián)成各串聯(lián)電路部的測(cè)量用電阻Rl、R2位于相對(duì)的對(duì)邊上，比較用電阻 R3、R4位于相對(duì)的對(duì)邊上。并且，在各串聯(lián)電路部的連接點(diǎn)之間連接用于流過(guò)恒定電流的恒 定電流源CS。此外，在一個(gè)串聯(lián)電路部的連接點(diǎn)上設(shè)置有用于調(diào)整偏置用的可變電阻R5。 在上述結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算部X檢測(cè)各串聯(lián)電路部中的測(cè)量用電阻Rl、R2和比較用電阻R3、R4的 連接點(diǎn)P1、P2的電位，得到作為檢測(cè)信號(hào)的所述連接點(diǎn)P1、P2的電位差，計(jì)算出試樣氣體中 規(guī)定成分的濃度。此外，氣體分析裝置至少包括導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100、恒定電流源CS和運(yùn)算 部X。下面對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100的裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100在內(nèi)部具有所述惠斯登電橋電路WB，所述導(dǎo)熱 系數(shù)傳感器100包括耐壓防爆結(jié)構(gòu)的殼體(未圖示)，所述殼體具有把試樣氣體導(dǎo)入內(nèi)部 的導(dǎo)入口和把試樣氣體導(dǎo)出到外部的導(dǎo)出口 ；以及耐壓防爆結(jié)構(gòu)的內(nèi)部模塊件2(參照?qǐng)D 2)，設(shè)置在該殼體內(nèi)，連通所述導(dǎo)入口和導(dǎo)出口。如圖2所示，內(nèi)部模塊件2包括模塊主體21，具有內(nèi)部流動(dòng)通道2A ；導(dǎo)入配管連 接部22，設(shè)置在該模塊主體21上，連通內(nèi)部流動(dòng)通道2A，并且通過(guò)配管連接在導(dǎo)入口上；導(dǎo) 出配管連接部23，設(shè)置在該模塊主體21上，連通內(nèi)部流動(dòng)通道2A，并且通過(guò)配管連接在導(dǎo) 出口上。在導(dǎo)入配管連接部22和導(dǎo)出配管連接部23上設(shè)置有燒結(jié)金屬部件24，把連接部 內(nèi)的流動(dòng)通道隔開成模塊主體21—側(cè)(點(diǎn)火源一側(cè))和配管一側(cè)。具體地說(shuō)，燒結(jié)金屬部 件做成有底筒形，沿流動(dòng)通道設(shè)置成其底部朝向模塊主體21 —側(cè)。通過(guò)上述方式在各連接部22、23內(nèi)設(shè)置燒結(jié)金屬部件24，在模塊主體21內(nèi)產(chǎn)生 火焰的情況下，能夠防止該火焰波及到連接部22、23外，配管的結(jié)構(gòu)和用于把該配管連接 到各連接部22、23上的接頭的結(jié)構(gòu)，不需要根據(jù)工業(yè)電氣設(shè)備防爆指南(發(fā)行人獨(dú)立行政 法人勞動(dòng)安全衛(wèi)生綜合研究所)制成專用的結(jié)構(gòu)，可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并且可以降低制造成 本。模塊主體21用不銹鋼等耐腐蝕性材料制成，在模塊主體21的內(nèi)部流動(dòng)通道2A上 形成測(cè)量空間Si，在所述測(cè)量空間Sl內(nèi)配置有形成測(cè)量用電阻R1、R2的傳感器基板3(以 下、特別是在進(jìn)行區(qū)分的情況下稱為“測(cè)量用基板3m”)。具體地說(shuō)，通過(guò)把支承測(cè)量用基板3m的傳感器托架4以氣密的方式嵌入到形成為 內(nèi)部流動(dòng)通道2A —部分的凹陷部21a內(nèi)，由傳感器托架4和凹陷部21a形成測(cè)量空間Si， 測(cè)量用基板3m設(shè)置在所述測(cè)量空間Sl內(nèi)。在模塊主體21內(nèi)形成參照空間S2，在所述參照空間S2內(nèi)配置有形成比較用電阻 R3、R4的傳感器基板3 (以下、特別是在進(jìn)行區(qū)分的情況下稱為“比較用基板3r”)。在該參 照空間S2內(nèi)封入?yún)⒄諝怏w，并且該參照空間S2設(shè)置成獨(dú)立于內(nèi)部流動(dòng)通道2A。具體地說(shuō)，通過(guò)把支承比較用基板3r的傳感器托架4以氣密的方式嵌入到模塊主體21內(nèi)的凹陷部21b中，由傳感器托架4和凹陷部21b形成參照空間S2，比較用基板3r設(shè)置在所述參照空間S2內(nèi)。此外，支承比較用基板3r的傳感器托架4和支承測(cè)量用基板3m 的傳感器托架4采用相同的結(jié)構(gòu)。該傳感器托架4由不銹鋼等耐腐蝕性材料制成，做成大體圓筒形。如圖3所示，該 傳感器托架4包括大體圓板形的底座41，在該底座41上固定有傳感器基板3和與該傳感 器基板3電連接的引腳5;以及托架主體42，從兩側(cè)夾持并固定在該底座41上。此外，底座 41和托架主體42利用全周激光焊接進(jìn)行連接。本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100把設(shè)置在構(gòu)成惠斯登電橋電路WB的一組對(duì)邊 上的測(cè)量用電阻R1、R2配置在一個(gè)測(cè)量空間Sl內(nèi)，把設(shè)置在另一組對(duì)邊上的比較用電阻 R3、R4配置在一個(gè)參照空間S2內(nèi)。即，把測(cè)量用電阻R1、R2設(shè)置在一個(gè)測(cè)量用基板3m上， 把比較用電阻R3、R4設(shè)置在一個(gè)比較用基板3r上，并且把所述測(cè)量用基板3m配置在一個(gè) 測(cè)量空間Sl內(nèi)，把比較用基板3r配置在一個(gè)參照空間S2內(nèi)。此外，所謂一個(gè)測(cè)量空間Sl 是由一個(gè)測(cè)量單元形成的空間，不是用配管等連通兩個(gè)測(cè)量單元而形成。在本實(shí)施方式中， 由一個(gè)傳感器托架4和模塊主體21構(gòu)成一個(gè)測(cè)量單元。此外，所謂一個(gè)參照空間S2是由 一個(gè)參照單元形成的空間，不是用配管等連通兩個(gè)參照單元而形成。在本實(shí)施方式中，由一 個(gè)傳感器托架4和模塊主體21構(gòu)成一個(gè)參照單元。在此，對(duì)測(cè)量用基板3m和比較用基板3r進(jìn)行說(shuō)明。如圖4所示，測(cè)量用基板3m包括硅基板31，具有例如俯視為矩形的孔洞部31a ； 隔膜結(jié)構(gòu)的電阻件保持膜32 (例如由SiO2膜和在該SiO2膜上形成的Si3N4膜構(gòu)成)，設(shè)置 在該硅基板31上來(lái)遮擋孔洞部31a ；薄膜電阻件33，由在該電阻件保持膜32上形成的白 金構(gòu)成；以及墊片部34，成為與該薄膜電阻件33的各個(gè)端部接觸的配線連接部，由金構(gòu)成。 此外，在薄膜電阻件33和電阻件保持膜32上，部分被TEOS-SiO2膜等表面保護(hù)膜35覆蓋。 并且，比較用基板3r的結(jié)構(gòu)與測(cè)量用基板3m相同。具體地說(shuō)，構(gòu)成測(cè)量用基板3m的硅基板31和構(gòu)成比較用基板3r的硅基板31做 成相同的形狀，在本實(shí)施方式中俯視都為矩形。此外，構(gòu)成測(cè)量用基板3m的薄膜電阻件33 的圖案和構(gòu)成比較用電阻R3、R4的薄膜電阻件33的圖案，做成相同圖案，使它們的電阻值 相同。其他膜的結(jié)構(gòu)也相同。如上所述，通過(guò)使測(cè)量用基板3m和比較用基板3r的結(jié)構(gòu)相 同，使測(cè)量用基板3m和比較用基板3r的溫度特性相同。此外，配置在惠斯登電橋電路WB的對(duì)邊上的測(cè)量用電阻R1、R2由在一個(gè)硅基板31 上形成圖案的兩個(gè)薄膜電阻件33構(gòu)成，配置在另一組對(duì)邊上的比較用電阻R3、R4由在一個(gè) 硅基板31上形成圖案的兩個(gè)薄膜電阻件33構(gòu)成。在此，參照?qǐng)D5，以構(gòu)成測(cè)量用電阻Rl、R2的薄膜電阻件33的圖案為代表進(jìn)行說(shuō)明。構(gòu)成測(cè)量用電阻R1、R2的薄膜電阻件33分別在把硅基板31表面兩等分的每個(gè)區(qū) 域內(nèi)形成一個(gè)。此外，在各區(qū)域形成的薄膜電阻件33做成相對(duì)于兩等分線對(duì)稱。具體地說(shuō)，各薄膜電阻件33在硅基板31 (具體為電阻件保持膜32)的表面上，具 有形成圖案的兩個(gè)圖案形成部33P，各圖案形成部33P的圖案形狀做成在周圍部位的密度 最大、向中央部位密度逐漸變小，當(dāng)向圖案形成部33P通電時(shí)，可以使圖案形成部33P附近 的溫度升溫到基本相同。
更詳細(xì)地說(shuō)，圖案形成部33P的圖案形狀做成雙Z形，在一個(gè)方向(例如左右方 向)的兩端部位上，薄膜電阻件33的線寬度和薄膜電阻件33的線之間的間隔(間距)均為 最小，越朝向中央部位，薄膜電阻件33的線寬度和薄膜電阻件33的線之間的間隔(間距) 逐漸變大。 此外，在本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100中，為了提高傳感器靈敏度，優(yōu)選的是 盡可能地使薄膜電阻件33(測(cè)量用電阻R1、R2和比較用電阻R3、R4)的溫度上升?？墒?， 根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)，薄膜電阻件33的溫度上限值受到限制，所以優(yōu)選的不是具有峰值的溫度分 布，而是寬幅的溫度分布。根據(jù)這種觀點(diǎn)，圖6是表示本實(shí)施方式的薄膜電阻件33的溫度分布模擬結(jié)果。圖 6所示的溫度(Y軸)是表示沿圖5中的線C的溫度。此外，圖6中所謂“改進(jìn)后”是表示本 實(shí)施方式的薄膜電阻件33的溫度分布，所謂“改進(jìn)前”是作為比較例，把薄膜電阻件的圖案 形成部的圖案形狀做成雙Z形，在圖案的兩端部位和中央部位上，均使薄膜電阻件的線寬 度和薄膜電阻件的線之間的間隔相同，周圍部位的密度和中央部位的密度相等。從該圖6可以看出，“改進(jìn)前”的溫度在中心部位具有峰值，該峰值受到防爆標(biāo)準(zhǔn) 溫度(具體地說(shuō)為130°C )的限制，不能使其他部分的溫度上升到比它更高的溫度。另一方 面，“改進(jìn)后”的溫度在防爆標(biāo)準(zhǔn)溫度(具體地說(shuō)為130°C )以下形成均勻的溫度分布。傳感器基板3的配線結(jié)構(gòu)以往的氣體傳感器把具有構(gòu)成惠斯登電橋電路的測(cè)量用電阻等電路要素的傳感 器基板配置在測(cè)量空間內(nèi)。在該傳感器基板上形成作為電路要素的配線連接部的墊片部， 墊片部由金或白金制成。并且，引線連接到一個(gè)端部設(shè)置在測(cè)量空間內(nèi)的引腳上。其中，在試樣氣體含有酸性或堿性的腐蝕性成分的情況下，引腳需要具有耐腐蝕 性，以往在耐腐蝕性差的例如鐵(Fe)上鍍銅(Cu)，再鍍鎳(Ni)，然后鍍金(Au)?？墒?，如果鍍層具有針孔(微細(xì)孔)，則腐蝕性成分從該微細(xì)孔進(jìn)入，使引腳被腐 蝕造成傳導(dǎo)不良，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生誤差等。此時(shí)，為了使針孔消失，可以考慮增加鍍層的厚度，但是一旦增加鍍層厚度必然存 在成本增加的問題。為了一并解決上述問題，本發(fā)明氣體傳感器通過(guò)提高耐腐蝕性從而可以延長(zhǎng)壽 命，并且提高了傳感器基板的墊片部和引腳的電連接性能。即，本發(fā)明氣體傳感器的特征在于包括傳感器基板，設(shè)置在測(cè)量空間內(nèi)，形成用 于檢測(cè)試樣氣體的電路要素，并具有作為該電路要素的配線連接部的金或白金制的墊片 部；鎳合金制的引腳，一個(gè)端部設(shè)置在測(cè)量空間內(nèi)，與所述墊片部電連接，另一個(gè)端部設(shè)置 在測(cè)量空間外；以及金或白金制的連接件，與所述墊片部和所述引腳的一個(gè)端部電連接。在 所述引腳的一個(gè)端部上形成由鉻、鎢或鈦構(gòu)成的第一層；以及在該第一層上由金或白金 構(gòu)成的第二層。按照上述結(jié)構(gòu)，由于用鎳合金制成引腳，所以可以使引腳具有耐腐蝕性，可以防止 傳導(dǎo)不良，解決檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生誤差等問題，此外可以延長(zhǎng)壽命。并且，在引腳的一個(gè)端部上 形成由鉻等構(gòu)成的第一層和由金等構(gòu)成的第二層，從而成膜，通過(guò)把連接件連接在該第二 層上，可以提高連接件和引腳的電連接性能。此外，為了提高外部導(dǎo)線和引腳的電連接性能，優(yōu)選的是在所述引腳的另一個(gè)端部上形成由鉻、鎢或鈦構(gòu)成的第一層；以及在該第一層上由鎳構(gòu)成的第二層，在該第二層 上連接外部導(dǎo)線。為了利用支承傳感器基板的構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)和傳感器基板的熱膨脹系數(shù)不同， 來(lái)緩解傳感器基板產(chǎn)生的應(yīng)力，適當(dāng)?shù)胤乐箓鞲衅骰宓钠茡p，優(yōu)選的是具有把所述傳感 器基板支承在所述測(cè)量空間內(nèi)的底座，在所述底座和所述傳感器基板之間夾有中間件，所 述中間件的熱膨脹系數(shù)在所述底座的熱膨脹系數(shù)和所述傳感器基板的熱膨脹系數(shù)之間。具體地說(shuō)，如圖4所示，在傳感器托架4上設(shè)置有耐腐蝕性的引腳5，所述引腳5的 一個(gè)端部5a設(shè)置在空間Si、S2內(nèi)，與墊片部34電連接，另一個(gè)端部5b設(shè)置在空間Si、S2 夕卜。在傳感器托架4的底座41上形成插入引腳5的插入孔41a，在把引腳5插入到該插入 孔41a內(nèi)的狀態(tài)下，利用玻璃密封以氣密的方式固定引腳5。引腳5由對(duì)于腐蝕性氣體顯示出耐腐蝕性的材料制成，具體地說(shuō)，是鎳合金制的 棒形構(gòu)件。此外，本實(shí)施方式中的鎳合金是以鎳(Ni)為主要成分，含有鈷(Co)、鉻(Cr)、鉬 (Mo)、鎢(W)、鐵(Fe)、硅(Si)、錳(Mn)、碳(C)等的合金。此外，引腳5的一個(gè)端部5a (測(cè)量空間Sl 一側(cè)端部)和測(cè)量用基板3的墊片部34 用連接件6電連接。利用引線結(jié)合方式把該連接件6連接在墊片部34和引腳5的一個(gè)端 部5a上，在本實(shí)施方式中該連接件6是金線。為了利用引線結(jié)合方式使鎳合金和金線6電連接，并且為了提高耐腐蝕性，如圖4 上部的局部放大圖所示，在引腳5的一個(gè)端部5a上，利用由鉻(Cr)構(gòu)成的第一層7 (Cr層) 和在該第一層7上由金(Au)構(gòu)成的第二層8 (Au層)來(lái)成膜。金線6利用超聲波焊接進(jìn)行 連接。此外，所謂超聲波焊接是把金線6用夾具壓在引腳5上，利用數(shù)十KHz左右的超聲波 振動(dòng)進(jìn)行搓蹭，利用此時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱和施加的壓力進(jìn)行連接。在本實(shí)施方式中，在引腳5的一個(gè)端部5a上成膜的Cr層7的膜厚例如為 100 500 A ,Au層8的膜厚例如為2000 A以上。當(dāng)相對(duì)于鎳合金，Au層8難以成膜時(shí)，如上所述，在Cr層7上成膜后，通過(guò)在該 Cr層7上形成Au層8，使Au層8可以在引腳5的測(cè)量空間Sl 一側(cè)的端部上(內(nèi)部引線一 側(cè))成膜。此外，由于Cr層7容易氧化，即使假設(shè)在Au層8上產(chǎn)生了針孔(微細(xì)孔)的情 況下，通過(guò)在因該針孔而暴露在外部的Cr層7上形成氧化膜，也可以抑制氧化的進(jìn)行，提高 耐腐蝕性。為了提高鎳合金和外部導(dǎo)線9(例如由銅(Cu)構(gòu)成的引線)的連接性能，如圖4 下部的局部放大圖所示，在引腳5的另一個(gè)端部5b (與測(cè)量空間Sl相反一側(cè)的端部)上， 形成由鉻(Cr)構(gòu)成的第一層10(Cr層)、在該第一層10上由鎳(Ni)構(gòu)成的第二層11 (Ni 層)和在該第二層11上由金(Au)構(gòu)成的第三層12(Au層)，從而成膜。在本實(shí)施方式中，在引腳5的另一個(gè)端部5b上成膜的Cr層10的膜厚例如為 100 500 A，Ni層11的膜厚例如為8000 A以上，Au層12的膜厚例如為500 A以下。當(dāng)相對(duì)于鎳合金，Ni層11難以成膜時(shí)，如上所述，在Cr層10上成膜后，通過(guò)在該 Cr層10上形成Ni層11，可以使Ni層11在引腳5的另一個(gè)端部5b (外部引線一側(cè))上成 膜。通過(guò)用錫焊把外部導(dǎo)線9連接在該Ni層11 上，可以使外部導(dǎo)線9和鎳合金(引腳5) 電連接。并且，由于在Ni層11上形成Au層12，所以可以防止Ni層11氧化。此外，在外部 導(dǎo)線9的錫焊中，Au層12溶解，來(lái)連接外部導(dǎo)線9和Ni層11。
成膜方法等下面對(duì)上述引腳5上的各層的成膜方法等的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。首先，把引腳5插入到設(shè)置在傳感器托架4的底座41上的插入孔41a內(nèi)，利用玻璃密封把引腳5固定在底座41上。然后，使具有與底座41的插入孔41a對(duì)應(yīng)的貫通孔的 掩膜基板從底座41的測(cè)量空間Sl 一側(cè)重合，以使引腳5插入到插入孔41a內(nèi)。此時(shí)，從掩 膜基板露出的部分為成膜的部分。在這種狀態(tài)下，利用濺射法、真空蒸鍍法或化學(xué)氣相淀積 法(CVD)等薄膜制造技術(shù)，在從掩膜基板露出的部分上依次形成Cr層7和Au層8的薄膜。 此后，通過(guò)把掩膜基板取下，在引腳5的一個(gè)端部5a上形成Cr層/Au層的薄膜。并且，使具有與底座41的插入孔41a對(duì)應(yīng)的貫通孔的掩膜基板從與底座41的測(cè) 量空間Sl相反一側(cè)重合，以使引腳5插入到插入孔41a內(nèi)。此時(shí)，從掩膜基板露出的部分 為成膜的部分。在這種狀態(tài)下，利用上述薄膜制造技術(shù)，在從掩膜基板露出的部分上，以Cr 層10、Ni層11和Au層12的順序依次成膜。此后，通過(guò)把掩膜基板取下，在引腳5的另一 個(gè)端部5b上形成Cr層/Ni層/Au層的薄膜。如上所述，在引腳5的兩個(gè)端部5a、5b上成膜后，把用于與傳感器基板3進(jìn)行電連 接的金線6利用超聲波焊接在引腳5的一個(gè)端部5a上。另一方面，把外部導(dǎo)線9用焊錫焊 接在引腳5的另一個(gè)端部5b上。此后，把托架主體42用激光焊接在底座41上。由此，使 傳感器基板3和引腳5電連接，并且它們被固定在傳感器托架4上，形成傳感器單元。下面對(duì)使用具有上述結(jié)構(gòu)的引腳5的傳感器托架4進(jìn)行耐腐蝕性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行 說(shuō)明。在該耐腐蝕性試驗(yàn)中使用的氣體包含50%以上的一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)。 此外，為了進(jìn)行比較，對(duì)在鐵制的底座和引腳上鍍金的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器(下面稱為以往產(chǎn) 品1)和在鐵制底座和引腳上鍍金后用環(huán)氧樹脂涂敷的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器(下面稱為以往產(chǎn) 品2)也進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)。在以往產(chǎn)品1中，在1天 2天中底座和引腳發(fā)生腐蝕，在以往產(chǎn)品2中，在約20 天中底座和引腳發(fā)生腐蝕。另一方面，本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100在經(jīng)過(guò)了約250 天后也沒有發(fā)現(xiàn)底座41和引腳5發(fā)生腐蝕。應(yīng)力緩解結(jié)構(gòu)此外，在本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100中，通過(guò)把中間件13夾在傳感器托架 4的底座41和傳感器基板3之間，利用粘接劑14粘接底座41和中間件13，并且粘接中間 件13和傳感器基板3，中間件13的熱膨脹系數(shù)在底座41的熱膨脹系數(shù)和傳感器基板3的 熱膨脹系數(shù)之間。此外，例如可以使用環(huán)氧類粘接劑作為粘接劑14。本實(shí)施方式的底座41由不銹鋼制成，其熱膨脹系數(shù)約為16 X 10_6 [/°C ]，傳感器基 板3使用硅基板31，其熱膨脹系數(shù)約為2. 4X ΙΟ"6[/0C ]，所以優(yōu)選的是中間件13的熱膨脹 系數(shù)在兩者之間。本實(shí)施方式的中間件13可以考慮使用具有高融點(diǎn)、化學(xué)穩(wěn)定性良好和導(dǎo) 熱系數(shù)小的二氧化鋯(ZrO2)(熱膨脹系數(shù)約為10X10_6[/°C ])，或者使用常溫強(qiáng)度、耐腐蝕 性和電絕緣性能優(yōu)良的氧化鋁(Al2O3)(熱膨脹系數(shù)約為8. 1X10_6[/°C])，但是特別優(yōu)選的 是對(duì)腐蝕性氣體適用范圍寬的二氧化鋯。通過(guò)把這樣的中間件13夾在中間，可以緩解因底座41而在傳感器基板3上產(chǎn)生 的應(yīng)力，可以解決在電阻件保持膜32等上產(chǎn)生彎曲、裂紋的問題。此外，中間件13例如做成直徑為400 μ m以上的大體球形。因此，在把底座41和傳感器基板3粘接，使中間件13夾在中間的情況下，由于可以增加粘接劑14和中間件13 的接觸面積，所以可以把傳感器基板3牢固地固定在底座41上。即，可以防止因熱膨脹不 同產(chǎn)生的應(yīng)力而造成粘接破壞。此外，利用在中間件13上涂敷的粘接劑14的表面張力，可 以把傳感器基板3定位在中間件13上。最后對(duì)底座41和引腳5的組合進(jìn)行如下說(shuō)明。 在以往的結(jié)構(gòu)中，底座和引腳為鐵制，為了容易與配線連接而進(jìn)行鍍金，使用玻璃 對(duì)底座和引腳進(jìn)行玻璃密封。鐵的熱膨脹系數(shù)約為10X10_6[/°C ]，玻璃的熱膨脹系數(shù)約為 9. 5X10_6[/°C ]，由于底座和引腳的熱膨脹相同，所以不會(huì)因溫度變化引起玻璃密封的氣密 性降低?？墒牵缟纤?，如果在鍍金上有針孔(微細(xì)孔)，則腐蝕性成分從該微細(xì)孔進(jìn)入， 存在有使鐵制的引腳產(chǎn)生腐蝕的問題。為了具有耐腐蝕性，可以考慮使底座和引腳為不銹鋼制。可是，即使用玻璃對(duì)該不銹鋼制底座和不銹鋼制引腳進(jìn)行玻璃密封，由于不銹鋼 的熱膨脹系數(shù)約為16X 10_6[/°C ]，玻璃的熱膨脹系數(shù)約為9. 5X ΙΟ"6[/0C ]，所以，例如因制 作中把玻璃熔化封入時(shí)和把玻璃冷卻固化時(shí)的溫度不同，存在有容易在引腳和玻璃之間產(chǎn) 生間隙的問題。因此，從氣密性的角度考慮，引腳不能使用不銹鋼。所以在本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100中，引腳5使用鎳合金(熱膨脹系數(shù)約 為10.0X1(T6[/°C ])，底座41使用不銹鋼，把它們用玻璃進(jìn)行玻璃密封。其結(jié)果，不僅能夠 使底座41和引腳5具有耐腐蝕性，并且由于玻璃和鎳合金的熱膨脹系數(shù)接近，所以玻璃和 弓丨腳5在玻璃冷卻固化時(shí)進(jìn)行相同的冷卻收縮，難以在玻璃和引腳5之間產(chǎn)生間隙，而且， 通過(guò)使底座41使用熱膨脹系數(shù)大的不銹鋼，可以在冷卻收縮時(shí)進(jìn)一步確保高氣密性。本實(shí)施方式的效果采用上述結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100，把配置在對(duì)邊上的測(cè)量用電 阻R1、R2收容在一個(gè)測(cè)量空間Sl內(nèi)，把配置在對(duì)邊上的比較用電阻R3、R4收容在一個(gè)參照 空間S2內(nèi)，所以可以使導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100小型化。此外，由兩個(gè)測(cè)量用電阻R1、R2和兩個(gè)比較用電阻R3、R4構(gòu)成惠斯登電橋電路WB， 所以可以不需要用于構(gòu)成惠斯登電橋電路WB的外部電阻。此外，可以無(wú)須考慮外部電阻受 到的外部溫度的影響，不需要對(duì)外部電阻進(jìn)行溫度影響的修正。由于只設(shè)置一個(gè)參照空間S2，所以可以減小因封入?yún)⒄諝怏w等造成的制造誤差。 此外，可以通過(guò)減少空間數(shù)量來(lái)減少部件數(shù)量，可以有助于降低成本。并且，與簡(jiǎn)單地各設(shè)置一個(gè)測(cè)量空間Sl和參照空間S2、在該空間內(nèi)設(shè)置一個(gè)測(cè)量 用電阻R1、R2和比較用電阻R3、R4的情況相比，能夠使檢測(cè)信號(hào)成倍增加，所以可以提高測(cè)
量靈敏度。其他變形實(shí)施方式本發(fā)明并不限定于所述實(shí)施方式。例如在所述實(shí)施方式中，利用Au引線結(jié)合方式連接傳感器基板和引腳5，除此以 夕卜，也可以利用Pt引線結(jié)合方式。此時(shí)，在引腳5的一個(gè)端面上，在Cr層上形成的第二層 不是Au層，而是形成Pt層的薄膜。此外，作為連接件6并不限定于引線，也可以是夾在引腳5的前端面和墊片部34 之間的例如球形的構(gòu)件。
并且，在所述實(shí)施方式中，在硅基板上形成薄膜電阻件，但也可以在玻璃上涂敷白 金測(cè)溫電阻件。不過(guò)在這種情況下，與所述實(shí)施方式相比，由于結(jié)構(gòu)的偏差大，存在有測(cè)量 靈敏度產(chǎn)生波動(dòng)的問題。此外，由于涂敷玻璃，所以存在熱容量大且響應(yīng)速度慢的問題。除此以外，也可以把所述實(shí)施方式或變形實(shí)施方式的一部分或全部進(jìn)行適當(dāng)組合，本發(fā)明并不限于所述實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)當(dāng)然可以進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求
一種導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，使用惠斯登電橋電路，所述惠斯登電橋電路包括測(cè)量用電阻，配置在一組對(duì)邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻，配置在另一組對(duì)邊上，與參照氣體接觸；通過(guò)對(duì)所述比較用電阻和所述測(cè)量用電阻的連接點(diǎn)的電位差進(jìn)行比較，來(lái)檢測(cè)所述試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其特征在于，配置在所述一組對(duì)邊上的測(cè)量用電阻收容在裝有所述試樣氣體的一個(gè)測(cè)量空間內(nèi)，配置在所述另一組對(duì)邊上的比較用電阻收容在裝有所述參照氣體的一個(gè)參照空間內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，其特征在于，配置在所述一組對(duì)邊上的測(cè)量用電阻包括設(shè)置在同一個(gè)基板表面上的兩個(gè)薄膜電阻件，配置在所述另一組對(duì)邊上的比較用電阻包括設(shè)置在同一個(gè)基板表面上的兩個(gè)薄膜電 阻件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器，其特征在于，在所述基板表面上，至少使構(gòu)成所述測(cè)量用電阻的薄膜電阻件具有形成圖案的圖案形 成部，所述圖案形成部的圖案形狀在周圍部位的密度最大、朝向中央部位密度逐漸減小，當(dāng) 向圖案形成部通電時(shí)，能夠使圖案形成部附近的溫度升溫到基本相同。
4.一種氣體分析裝置，其特征在于，使用權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的導(dǎo)熱系數(shù)傳 感器。
全文摘要
本發(fā)明的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器實(shí)現(xiàn)了小型化，盡可能地抑制了周圍溫度的影響，減小了因封入?yún)⒄諝怏w等造成的制造誤差，并且增大檢測(cè)信號(hào)提高測(cè)量靈敏度。所述導(dǎo)熱系數(shù)傳感器(100)使用惠斯登電橋電路(WB)，所述惠斯登電橋電路(WB)包括測(cè)量用電阻(R1、R2)，配置在一組對(duì)邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻(R3、R4)，配置在另一組對(duì)邊上，與參照氣體接觸；通過(guò)對(duì)比較用電阻(R3、R4)和測(cè)量用電阻(R1、R2)的連接點(diǎn)的電位差進(jìn)行比較，來(lái)檢測(cè)試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其中，配置在一組對(duì)邊上的測(cè)量用電阻(R1、R2)收容在一個(gè)測(cè)量空間(S1)內(nèi)，配置在另一組對(duì)邊上的比較用電阻(R3、R4)收容在一個(gè)參照空間(S2)內(nèi)。
文檔編號(hào)G01N25/18GK101846643SQ20101013913
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者世古朋子, 井戶琢也, 松濱誠(chéng), 水谷浩, 生田卓司, 遠(yuǎn)藤正彥, 高田秀次 申請(qǐng)人:株式會(huì)社堀場(chǎng)制作所