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檢 測試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，并根據(jù)該導(dǎo)熱系數(shù)來測量試樣氣體中規(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1(日本專利公開公報特開 2003-42983號)所示，把構(gòu)成惠斯登電橋電路的測量用電阻中的一個收容在測量單元內(nèi)， 把比較用電阻中的一個收容在比較單元內(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 外部電阻與測量用電阻和比較用電阻受到的來自外部的溫度影響不同，所以難以得到準確 的測量結(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，使每個產(chǎn)品的外部電阻受到的溫度影響不同，所以需要 對每個產(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，僅僅用來自一個測量用電阻和一個比較用電阻的電信號，由于信號量小，使 信噪(SN)比變差，其結(jié)果，難以在低濃度范圍內(nèi)進行測量。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，使用四個單元(兩 個測量單元和兩個比較單元)，在各單元中收容測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)地會導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差。

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、并且能夠增大檢測信號提高測量靈 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 量用電阻，配置在一組對邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻，配置在另一組對邊上，與 參照氣體接觸；通過對所述比較用電阻和所述測量用電阻的連接點的電位差進行比較，來 檢測所述試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其特征在于，配置在所述一組對邊上的測量用電阻收容在 裝有所述試樣氣體的一個測量空間內(nèi)，配置在所述另一組對邊上的比較用電阻收容在裝有 所述參照氣體的一個參照空間內(nèi)。按照上述構(gòu)成，由于把配置在對邊上的測量用電阻收容在一個測量空間內(nèi)，把配 置在對邊上的比較用電阻收容在一個參照空間內(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測量用電阻和兩個比較用電阻，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，與簡單地分別設(shè)置一個測量空間和一個參照空間、在該空間內(nèi)設(shè)置一個測量用電阻和一個比較用電阻的情況相比，可以使檢測信號成倍增加，所以可以提高測量靈敏度。為了能夠使測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，以進行高精度的測量，并且可以使傳感器小型化，優(yōu)選的是配置在所述一 組對邊上的測量用電阻包括設(shè)置在同一個基板表面上的兩個薄膜電阻件，配置在所述另一 組對邊上的比較用電阻包括設(shè)置在同一個基板表面上的兩個薄膜電阻件。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。當按照防爆標準用本傳感器測量可燃性氣體時，根據(jù)防爆標準，傳感器溫 度具有上限。此時，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，當向圖案形成 部通電時，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，并且能夠增大檢測信號，提高測量靈敏度。


圖1是表示本發(fā)明一個實施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的測量電路的圖。圖2是表示上述實施方式的導(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是表示上述實施方式中的傳感器基板的俯視圖。圖6是表示上述實施方式中的薄膜電阻件的溫度分布的模擬結(jié)果。符圖標記說明100…導(dǎo)熱系數(shù)傳感器Sl…測量空間S2…參照空間WB…惠斯登電橋電路P1、P2…連接點R1、R2…測量用電阻R3、R4…比較用電阻33…薄膜電阻件33P…圖案形成部
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)傳感器的一個實施方式進行說明。本實施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100用于檢測含有可燃性和/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)來測量試樣氣體中規(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，參照圖1對導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100的測量電路進行說明。 該測量電路使用設(shè)置成接觸試樣氣體的兩個測量用電阻Rl、R2和設(shè)置成接觸參 照氣體的兩個比較用電阻R3、R4，具體地說，測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測量用電阻Rl或R2與一個比較用電阻R3或R4串聯(lián) 而形成的兩個串聯(lián)電路部并聯(lián)。此時并聯(lián)成各串聯(lián)電路部的測量用電阻Rl、R2位于相對的對邊上，比較用電阻 R3、R4位于相對的對邊上。并且，在各串聯(lián)電路部的連接點之間連接用于流過恒定電流的恒 定電流源CS。此外，在一個串聯(lián)電路部的連接點上設(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，運算部X檢測各串聯(lián)電路部中的測量用電阻Rl、R2和比較用電阻R3、R4的 連接點P1、P2的電位，得到作為檢測信號的所述連接點P1、P2的電位差，計算出試樣氣體中 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和運算 部X。下面對導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100的裝置結(jié)構(gòu)進行說明。本實施方式的導(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(參照圖 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)部流動通道2A，并且通過配管連接在導(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)部流動通道2A，并且通過配管連接在導(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)的流動通道隔開成模塊主體21—側(cè)(點火源一側(cè))和配管一側(cè)。具體地說，燒結(jié)金屬部 件做成有底筒形，沿流動通道設(shè)置成其底部朝向模塊主體21 —側(cè)。通過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)行人獨立行政 法人勞動安全衛(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)部流動通道2A上 形成測量空間Si，在所述測量空間Sl內(nèi)配置有形成測量用電阻R1、R2的傳感器基板3(以 下、特別是在進行區(qū)分的情況下稱為“測量用基板3m”)。具體地說，通過把支承測量用基板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形成測量空間Si， 測量用基板3m設(shè)置在所述測量空間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)置成獨立于內(nèi)部流動通道2A。具體地說，通過把支承比較用基板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行連接。本實施方式的導(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的一組對邊 上的測量用電阻R1、R2配置在一個測量空間Sl內(nèi)，把設(shè)置在另一組對邊上的比較用電阻 R3、R4配置在一個參照空間S2內(nèi)。即，把測量用電阻R1、R2設(shè)置在一個測量用基板3m上， 把比較用電阻R3、R4設(shè)置在一個比較用基板3r上，并且把所述測量用基板3m配置在一個 測量空間Sl內(nèi)，把比較用基板3r配置在一個參照空間S2內(nèi)。此外，所謂一個測量空間Sl 是由一個測量單元形成的空間，不是用配管等連通兩個測量單元而形成。在本實施方式中， 由一個傳感器托架4和模塊主體21構(gòu)成一個測量單元。此外，所謂一個參照空間S2是由 一個參照單元形成的空間，不是用配管等連通兩個參照單元而形成。在本實施方式中，由一 個傳感器托架4和模塊主體21構(gòu)成一個參照單元。在此，對測量用基板3m和比較用基板3r進行說明。如圖4所示，測量用基板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膜等表面保護膜35覆蓋。 并且，比較用基板3r的結(jié)構(gòu)與測量用基板3m相同。具體地說，構(gòu)成測量用基板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，在本實施方式中俯視都為矩形。此外，構(gòu)成測量用基板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，通過使測量用基板3m和比較用基板3r的結(jié)構(gòu)相 同，使測量用基板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的對邊上的測量用電阻R1、R2由在一個硅基板31 上形成圖案的兩個薄膜電阻件33構(gòu)成，配置在另一組對邊上的比較用電阻R3、R4由在一個 硅基板31上形成圖案的兩個薄膜電阻件33構(gòu)成。在此，參照圖5，以構(gòu)成測量用電阻Rl、R2的薄膜電阻件33的圖案為代表進行說明。構(gòu)成測量用電阻R1、R2的薄膜電阻件33分別在把硅基板31表面兩等分的每個區(qū) 域內(nèi)形成一個。此外，在各區(qū)域形成的薄膜電阻件33做成相對于兩等分線對稱。具體地說，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，當向圖案形成部33P通電時，可以使圖案形成部33P附近 的溫度升溫到基本相同。
更詳細地說，圖案形成部33P的圖案形狀做成雙Z形，在一個方向(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)防爆標準，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，圖6是表示本實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“改進后”是表示本 實施方式的薄膜電阻件33的溫度分布，所謂“改進前”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，“改進前”的溫度在中心部位具有峰值，該峰值受到防爆標準 溫度(具體地說為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，“改進后”的溫度在防爆標準溫度(具體地說為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量用電阻等電路要素的傳感 器基板配置在測量空間內(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，引線連接到一個端部設(shè)置在測量空間內(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)。可是，如果鍍層具有針孔(微細孔)，則腐蝕性成分從該微細孔進入，使引腳被腐 蝕造成傳導(dǎo)不良，會導(dǎo)致檢測信號產(chǎn)生誤差等。此時，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)明氣體傳感器通過提高耐腐蝕性從而可以延長壽 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)置在測量空間內(nèi)，形成用 于檢測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，一個端部設(shè)置在測量空間內(nèi)，與所述墊片部電連接，另一個端部設(shè)置 在測量空間外；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端部電連接。在 所述引腳的一個端部上形成由鉻、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，解決檢測信號產(chǎn)生誤差等問題，此外可以延長壽命。并且，在引腳的一個端部上 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， 來緩解傳感器基板產(chǎn)生的應(yīng)力，適當?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，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 一個端部5a設(shè)置在空間Si、S2內(nèi)，與墊片部34電連接，另一個端部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由對于腐蝕性氣體顯示出耐腐蝕性的材料制成，具體地說，是鎳合金制的 棒形構(gòu)件。此外，本實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的一個端部5a (測量空間Sl 一側(cè)端部)和測量用基板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的一個端 部5a上，在本實施方式中該連接件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)來成膜。金線6利用超聲波焊接進行 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 振動進行搓蹭，利用此時產(chǎn)生的摩擦熱和施加的壓力進行連接。在本實施方式中，在引腳5的一個端部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。當相對于鎳合金，Au層8難以成膜時，如上所述，在Cr層7上成膜后，通過在該 Cr層7上形成Au層8，使Au層8可以在引腳5的測量空間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(微細孔)的情 況下，通過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的另一個端部5b (與測量空間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。在本實施方式中，在引腳5的另一個端部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。當相對于鎳合金，Ni層11難以成膜時，如上所述，在Cr層10上成膜后，通過在該 Cr層10上形成Ni層11，可以使Ni層11在引腳5的另一個端部5b (外部引線一側(cè))上成 膜。通過用錫焊把外部導(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，來連接外部導(dǎo)線9和Ni層11。
成膜方法等下面對上述引腳5上的各層的成膜方法等的一個例子進行說明。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對應(yīng)的貫通孔的 掩膜基板從底座41的測量空間Sl 一側(cè)重合，以使引腳5插入到插入孔41a內(nèi)。此時，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，通過把掩膜基板取下，在引腳5的一個端部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對應(yīng)的貫通孔的掩膜基板從與底座41的測 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，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，通過把掩膜基板取下，在引腳5的另一 個端部5b上形成Cr層/Ni層/Au層的薄膜。如上所述，在引腳5的兩個端部5a、5b上成膜后，把用于與傳感器基板3進行電連 接的金線6利用超聲波焊接在引腳5的一個端部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。下面對使用具有上述結(jié)構(gòu)的引腳5的傳感器托架4進行耐腐蝕性試驗的結(jié)果進行 說明。在該耐腐蝕性試驗中使用的氣體包含50%以上的一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)。 此外，為了進行比較，對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)也進行了同樣的試驗。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，本實施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100在經(jīng)過了約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，在本實施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100中，通過把中間件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。本實施方式的中間件13可以考慮使用具有高融點、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 是對腐蝕性氣體適用范圍寬的二氧化鋯。通過把這樣的中間件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。最后對底座41和引腳5的組合進行如下說明。 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行鍍金，使用玻璃 對底座和引腳進行玻璃密封。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，所以不會因溫度變化引起玻璃密封的氣密 性降低?？墒?，如上所述，如果在鍍金上有針孔(微細孔)，則腐蝕性成分從該微細孔進入， 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?？墒牵词褂貌Ａυ摬讳P鋼制底座和不銹鋼制引腳進行玻璃密封，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和把玻璃冷卻固化時的溫度不同，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在玻璃冷卻固化時進行相同的冷卻收縮，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，可以在冷卻收縮時進一步確保高氣密性。本實施方式的效果采用上述結(jié)構(gòu)的本實施方式的導(dǎo)熱系數(shù)傳感器100，把配置在對邊上的測量用電 阻R1、R2收容在一個測量空間Sl內(nèi)，把配置在對邊上的比較用電阻R3、R4收容在一個參照 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，由兩個測量用電阻R1、R2和兩個比較用電阻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，可以無須考慮外部電阻受 到的外部溫度的影響，不需要對外部電阻進行溫度影響的修正。由于只設(shè)置一個參照空間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，可以通過減少空間數(shù)量來減少部件數(shù)量，可以有助于降低成本。并且，與簡單地各設(shè)置一個測量空間Sl和參照空間S2、在該空間內(nèi)設(shè)置一個測量 用電阻R1、R2和比較用電阻R3、R4的情況相比，能夠使檢測信號成倍增加，所以可以提高測
量靈敏度。其他變形實施方式本發(fā)明并不限定于所述實施方式。例如在所述實施方式中，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，在引腳5的一個端面上，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 金測溫電阻件。不過在這種情況下，與所述實施方式相比，由于結(jié)構(gòu)的偏差大，存在有測量 靈敏度產(chǎn)生波動的問題。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，也可以把所述實施方式或變形實施方式的一部分或全部進行適當組合，本發(fā)明并不限于所述實施方式，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)當然可以進行各種變形。
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量用電阻，配置在一組對邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻，配置在另一組對邊上，與參照氣體接觸；通過對所述比較用電阻和所述測量用電阻的連接點的電位差進行比較，來檢測所述試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其特征在于，配置在所述一組對邊上的測量用電阻收容在裝有所述試樣氣體的一個測量空間內(nèi)，配置在所述另一組對邊上的比較用電阻收容在裝有所述參照氣體的一個參照空間內(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，配置在所述一組對邊上的測量用電阻包括設(shè)置在同一個基板表面上的兩個薄膜電阻件，配置在所述另一組對邊上的比較用電阻包括設(shè)置在同一個基板表面上的兩個薄膜電 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 向圖案形成部通電時，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，并且增大檢測信號提高測量靈敏度。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)包括測量用電阻(R1、R2)，配置在一組對邊上，與試樣氣體接觸；以及比較用電阻(R3、R4)，配置在另一組對邊上，與參照氣體接觸；通過對比較用電阻(R3、R4)和測量用電阻(R1、R2)的連接點的電位差進行比較，來檢測試樣氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，其中，配置在一組對邊上的測量用電阻(R1、R2)收容在一個測量空間(S1)內(nèi)，配置在另一組對邊上的比較用電阻(R3、R4)收容在一個參照空間(S2)內(nèi)。
文檔編號G01N25/18GK101846643SQ20101013913
公開日2010年9月29日 申請日期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, 水谷浩, 生田卓司, 遠藤正彥, 高田秀次 申請人:株式會社堀場制作所