气体传感器的制作方法

本公开涉及一种气体传感器。

背景技术：

作为检测氢气的气体传感器，公知有不受水分(换句话说湿度)的影响的气体传感器(参照专利文献1)。在专利文献1的气体传感器中，在向检测对象气体敞开的空间配置有检测用的气体检测元件，在经由使水蒸气透过并且不使被检测气体透过的膜体而与检测对象气体连通的空间配置有参照用的气体检测元件。

由此，一对气体检测元件的湿度条件相同，因此在专利文献1的气体传感器中，能够不受到湿度的影响而检测气体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-124716号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

上述膜体虽然具有不使氢气透过的性质，但是无法完全地遮挡氢气的透过。因此，在被检测气氛中的氢气浓度显著变高的情况下，氢气会透过膜体，侵入配置有参照用的气体检测元件的空间内。作为其结果，参照用的气体检测元件与检测用的气体检测元件之间的电位差会变小，尽管处于高浓度的氢气环境下，但产生气体传感器仍进行与低浓度对应的输出的故障。

本公开的一方面的目的在于提供能够判定高浓度的氢气环境的气体传感器。

用于解决问题的手段

本公开的一方式是用于对被检测气氛中的氢气进行检测的气体传感器。气体传感器具备：第一气体检测元件以及第二气体检测元件，以构成电桥电路的一边的方式串联连接，并且根据自身的温度变化而电阻值发生变化；第一容纳部，具有容纳有第一气体检测元件的第一内部空间；第二容纳部，具有容纳有第二气体检测元件的第二内部空间；电流检测部，构成为检测在第一气体检测元件以及第二气体检测元件流动的电流；以及运算部，构成为根据第一气体检测元件与第二气体检测元件之间的电位来运算氢气的浓度。第一容纳部具有第一气体导入口，该第一气体导入口将第一内部空间与被检测气氛连通，并且由固体高分子电解质的膜体覆盖。第二容纳部具有第二气体导入口，该第二气体导入口以不经由膜体的方式将第二容纳部与被检测气氛连通。运算部在电流检测部所检测到的电流为阈值以上的情况下进行氢气为高浓度的判定。

若在高浓度的氢气环境下氢气侵入配置有参照用的第一气体检测元件的第一内部空间内，第一内部空间内的氢浓度上升，则第一气体检测元件的电阻变小。同时，暴露于高浓度的氢气的第二气体检测元件的电阻变小。其结果，电流检测部所检测的电流变大。因此，根据上述的结构，在电流检测部所检测到的电流为一定值以上的情况下判定氢气为高浓度，因此能够与气体传感器的输出无关地对高浓度的氢气环境进行判定。

在本公开的一方式中，也可以是，运算部在从电压向第一气体检测元件以及第二气体检测元件的施加开始经过了预先确定的时间后，进行判定。根据这样的结构，能够将在电源刚接通后在第一气体检测元件以及第二气体检测元件流动的过大的电流从判定对象除去。作为其结果，能够提高高浓度的氢气环境的判定精度。另外，第一气体检测元件以及第二气体检测元件也可以是具有根据自身的温度变化而电阻值发生变化的热电阻体的热传导式的检测元件。在高浓度的氢气环境中存在氧缺乏的担忧。因此，在通过贵金属等燃烧催化剂而使氢气燃烧的接触燃烧式的检测元件中，在高浓度的氢气环境下，存在氢气的燃烧反应变小，电流检测部所检测的电流变小的担忧。相对于此，若第一气体检测元件以及第二气体检测元件为热传导式的检测元件，则即使在存在氧缺乏的担忧的高浓度的氢气环境下电流检测部所检测的电流也与氢浓度的上升成比例而变大。作为其结果，对于热传导式的检测元件而言，即使在氧缺乏的高浓度的氢气环境下，也能够高精度地判定高浓度的氢气环境。

附图说明

图1是表示实施方式的气体传感器的示意性的剖视图。

图2是图1的气体传感器的第一容纳部以及第二容纳部附近的示意性的局部放大剖视图。

图3是图1的气体传感器的气体检测元件的示意性的俯视图。

图4是图3的vi-vi线的示意性的剖视图。

图5是图1的气体传感器的示意性的电路图。

图6是概略地示出图1的气体传感器的运算部所执行的判定处理的流程图。

图7是概略地示出与图6不同的实施方式的气体传感器的运算部所执行的判定处理的流程图。

具体实施方式

以下，使用附图对应用了本公开的实施方式进行说明。

[1.第一实施方式]

[1-1.结构]

图1所示的气体传感器1是用于检测被检测气氛中的氢气的气体传感器。

如图1以及图2所示，气体传感器1具备：第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3、第一容纳部4以及第二容纳部5、壳体6、电路基板10以及运算部12。

＜第一气体检测元件以及第二气体检测元件＞

第一气体检测元件2是具有根据自身的温度变化而电阻值发生变化的热电阻体的热传导式的检测元件。

如图3以及图4所示，第一气体检测元件2具有：热电阻体20、绝缘层21、布线22、一对第一电极焊盘23a、23b、测温电阻体24、一对第二电极焊盘25a、25b以及基板26。

热电阻体20是被图案化成涡旋形状的导体，埋设于绝缘层21的中央部分。另外，热电阻体20经由布线22而与第一电极焊盘23a、23b电连接。

第一电极焊盘23a、23b形成于绝缘层21的表面。另外，第一电极焊盘23a、23b的一方连接到地。

此外，如图4所示，在绝缘层21的与第一电极焊盘23a、23b相反一侧的表面层叠有硅制的基板26。基板26未存在于配置有热电阻体20的区域。该区域成为绝缘层21露出的凹部27，构成横隔板构造(diaphragmstructure)。

测温电阻体24埋设于比热电阻体20靠绝缘层21的外缘侧，并与第二电极焊盘25a、25b电连接。具体而言，测温电阻体24配置于绝缘层21的一边的附近。另外，第二电极焊盘25a、25b的一方连接到地。

热电阻体20是根据自身的温度变化而电阻值发生变化的部件，由电阻温度系数大的导电性材料构成。作为热电阻体20的材料，例如能够使用铂(pt)。

另外，测温电阻体24由电阻值与温度成比例变化的导电性材料而构成。作为测温电阻体24的材料，例如能够使用与热电阻体20相同的铂(pt)。布线22、第一电极焊盘23a、23b、以及第二电极焊盘25a、25b的材料也能够与热电阻体20相同。

此外，绝缘层21可以由单一的材料形成，也可以由使用了不同材料的多个层构成。作为构成绝缘层21的绝缘性材料，例如，可举出二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)等。

第二气体检测元件3与第一气体检测元件2同样是具有根据自身的温度变化而电阻值发生变化的热电阻体的热传导式的检测元件。第二气体检测元件3的结构与第一气体检测元件2相同，因此省略详细的说明。此外，优选第一气体检测元件2的热电阻体与第二气体检测元件3的热电阻体电阻值相同。这样，由于第一气体检测元件以及第二气体检测元件为热传导式的检测元件，所以即使在有氧缺乏的担忧的高浓度的氢气环境中，电流检测部所检测出的电流也与氢浓度的上升而成比例地变大。作为其结果，对于热传导式的检测元件而言，即使在氧缺乏的高浓度的氢气环境下，也能够高精度地判定高浓度的氢气环境。

＜第一容纳部以及第二容纳部＞

如图2所示，第一容纳部4具有：第一内部空间4a、第一气体导入口4b以及膜体4c。另外，第一容纳部4具有：绝缘性陶瓷制的台座7和绝缘性陶瓷制的保护盖8。

膜体4c由具有使水蒸气透过并且相比水蒸气而难以使氢气透过的性质(换句话说阻碍氢气的透过的性质)的固体高分子电解质构成。作为这样的膜体4c，能够适当地使用氟树脂系的离子交换膜。具体而言，例如可举出nafion(注册商标)、flemion(注册商标)、aciplex(注册商标)等。另外，作为膜体4c，也可以使用能够使被检测气体与水蒸气分离的中空纤维膜。

在第一内部空间4a容纳有第一气体检测元件2。另外，第一气体导入口4b使第一内部空间4a与被检测气氛(换句话说第一内部空间4a的外部亦即壳体6的内部)连通。并且，膜体4c以覆盖而堵住第一气体导入口4b的整体的方式配置。

这样，第一内部空间4a通过膜体4c而被限制被检测气体的流入。因此，第一气体检测元件2作为未暴露于被检测气体气氛的参照元件发挥功能，膜体4c使水蒸气透过，所以湿度条件与第二气体检测元件3相同。此外，第一容纳部4在第一气体导入口4b以外不具有开口。

在本实施方式中，膜体4c配置为从第一内部空间4a的外侧覆盖第一气体导入口4b。由此，能够通过台座7以及保护盖8的回焊而形成第一内部空间4a后配置膜体4c。因此，能够防止由于回焊时的第一内部空间4a内的空气的膨胀而使膜体4c变形。其中，也可以以从第一内部空间4a侧覆盖第一气体导入口4b的方式配置膜体4c。

膜体4c在设置于保护盖8的凹部内配置，通过绝缘性的粘结剂而粘结于保护盖8。膜体4c周缘由粘结剂密封。

第二容纳部5具有第二内部空间5a和第二气体导入口5b。另外，第二容纳部5与第一容纳部4共有绝缘性陶瓷制的台座7和绝缘性陶瓷制的保护盖8。

在第二内部空间5a容纳有第二气体检测元件3。另外，第二气体导入口5b将第二内部空间5a与被检测气氛(换句话说第二内部空间5a的外部亦即壳体6的内部)连通。在第二气体导入口5b并未配置膜体4c，而是敞开。因此，从壳体6的内部经由第二气体导入口5b而对第二内部空间5a供给被检测气体。换句话说，第二气体导入口5b不经由膜体等而将被检测气体直接导入第二内部空间5a。此外，第二容纳部5在第二气体导入口5b以外不具有开口。

第一内部空间4a以及第二内部空间5a分别通过在台座7覆盖保护盖8而形成。换句话说，台座7以及保护盖8构成第一容纳部4并且也构成第二容纳部5。

另外，第一内部空间4a以及第二内部空间5a由通过将台座7以及保护盖8连结而构成的壁来分隔。换句话说，第一容纳部4以及第二容纳部5以共有一个壁的方式邻接设置。通过像这样使第一内部空间4a与第二内部空间5a接近配置，从而能够减少第一内部空间4a与第二内部空间5a的温度差。作为其结果，气体传感器1相对于温度变化的输出变动变小，从而能够降低传感器输出的误差。

(台座)

台座7具有：载置有第一气体检测元件2的凹部和载置有第二气体检测元件3的凹部。另外，台座7设置于电路基板10的表面。

台座7的材质是绝缘性陶瓷。作为构成台座7的优选的绝缘性陶瓷，例如可举出氧化铝、氮化铝、氧化锆等。在本实施方式中，台座7由与保护盖8相同的绝缘性陶瓷构成。

(保护盖)

保护盖8以覆盖台座7、和载置于台座7的两个凹部的第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的方式粘结于台座7。

在保护盖8设置有第一气体导入口4b以及第二气体导入口5b。另外，在第一气体导入口4b的第一内部空间4a的外侧的开口部分通过粘结剂等而固定有膜体4c。

保护盖8的材质是绝缘性陶瓷。作为构成保护盖8的优选的绝缘性陶瓷，例如可举出氧化铝。如上述那样，在本实施方式中，台座7和保护盖8由相同的绝缘性陶瓷构成。

台座7与保护盖8通过绝缘性粘结剂而粘结。作为该绝缘性粘结剂，能够使用以热固化性树脂、热塑性树脂、紫外线固化树脂等作为主成分的材料。从提高台座7与保护盖8的贴合性的观点出发，它们中也优选以热固化性树脂作为主成分的绝缘性粘结剂。作为热固化性树脂的具体例，例如可举出环氧树脂、聚烯烃树脂等。此外，“主成分”意味着含有80质量％以上的成分。

＜壳体＞

壳体6收容第一容纳部4以及第二容纳部5。壳体6具有将被检测气体导入内部的开口6a和配置于开口6a的膜6b。

具体而言，第一容纳部4以及第二容纳部5(换句话说台座7以及保护盖8)收容于在壳体6与电路基板10之间设置的内部空间6c。内部空间6c通过将电路基板10经由密封部件11而固定于向壳体6的内部突出的内框6d而形成。

另外，开口6a形成为使被检测气氛与内部空间6c连通。从开口6a被取入内部空间6c的被检测气体在被检测气体的浓度较低的情况下，通过第二气体导入口5b仅供给于第二内部空间5a。另一方面，内部空间6c内的水蒸气能够在第一内部空间4a以及第二内部空间5a双方扩散。

膜6b是使被检测气体透过并且不使液状的水透过(换句话说，将被检测气体所包含的水滴除去)的防水膜。通过膜6b，可抑制水滴以及其他的异物从开口6a侵入内部空间6c。此外，在本实施方式中，膜6b以堵住开口6a的方式安装于壳体6的内表面。

＜电路基板＞

电路基板10是配置于壳体6内的板状的基板，并具备图5所示的电路。该电路与第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的第一电极焊盘23a、23b以及第二电极焊盘25a、25b分别电连接。第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3以构成电桥电路的一边的方式串联连接。

在电路基板10配置有图5所示的电流检测部13。电流检测部13是检测在第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3中流动的电流的电路。电流检测部13具有分流电阻体13a。

分流电阻体13a相对于以第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3为一边的电桥电路而串联连接。而且，分流电阻体13a将在上述电桥电路内流动的电流转换为电压。成为上述电桥电路内的一边的两个电阻r3、r4是各自电阻值恒定的固定电阻。成为电桥电路内的另一边的第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3根据自身的温度变化而电阻值发生变化。因此，读取电桥电路的电流变化就与读取第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的电流变化同意。而且，通过分流电阻体13a从电流被转换的电压由电流检测部13的放大电路放大，作为电流检测电压a1而向运算部12输出。

＜运算部＞

运算部12对被检测气氛中的氢气的浓度进行运算。具体而言，如图5所示，运算部12根据对串联连接的第一气体检测元件2的热电阻体20以及第二气体检测元件3的热电阻体30施加了一定的电压vcc时的、第一气体检测元件2的热电阻体20与第二气体检测元件3的热电阻体30之间的电位来运算浓度。

更详细而言，运算部12获取电位差vd，该电位差vd是通过工作放大电路将第一气体检测元件2的热电阻体20与第二气体检测元件3的热电阻体30之间的电位、同和热电阻体20、30并联配置的固定电阻r3与固定电阻r4之间的电位的电位差放大而得到的。运算部12根据电位差vd来计算氢气的浓度d，并将该浓度d输出。

此外，从直流电源40对运算部12以及电路基板10供给电流。直流电源40对第一气体检测元件2的热电阻体20以及第二气体检测元件3的热电阻体30施加电压。

另外，运算部12在电流检测部13所检测出的电流为阈值以上的情况下进行氢气为高浓度的判定。具体而言，对从电流检测部13输出的电流检测电压a1、与预先规定的阈值a0进行比较，在a1≥a0的情况下，判定为处于高浓度的氢气环境。

阈值a0是基于气体传感器1的规格、假定的氢气浓度等而预先确定的值，并记录于运算部12。此外，从电流检测部13输出的电流检测电压a1是将由分流电阻体13a检测到的电压放大的值，因此阈值a0与该放大后的电流检测电压a1对应而决定。

在运算部12判定为处于高浓度的氢气环境的情况下，运算部12输出用于通知高浓度的氢气环境的信号。该信号可以作为用于通知高浓度的专用的信号而输出，也可以作为氢气的浓度d的上限值、异常值而输出。

另外，运算部12在从电压向第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的施加开始经过了预先确定的待机时间t0后，进行判定。待机时间t0成为从向第一气体检测元件2的热电阻体20以及第二气体检测元件3的热电阻体30的通电开始至各热电阻体的通电状态稳定的时间。换言之，待机时间t0是指在不是高浓度的氢气环境的情况下，在开始了电压向第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的施加后，直至各热电阻体的电阻值成为规定的电阻值的范围内的时间。

[1-2.处理]

以下，参照图6的流程图，对气体传感器1的运算部12所执行的处理进行说明。

运算部12通过对气体传感器1供给电源而起动(步骤s10)。在步骤s10中，对第一气体检测元件2的热电阻体20与第二气体检测元件3的热电阻体30施加电压，开始通电。

接下来，运算部12对预先确定的待机时间t0、与从电压向第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的施加开始的经过时间t1进行比较，判定是否为t0≥t1(步骤s20)。在t0≥t1的情况下(s20：是)，运算部12重复步骤s20直至成为t0＜t1。

在t0＜t1的情况下(s20：否)，运算部12基于第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3间的电位差来计算氢气的浓度d(步骤s30)。

其后，运算部12从电流检测部13获取与在第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3流动的电流对应的电流检测电压a1(步骤s40)。

运算部12对从电流检测部13获取的电流检测电压a1、与预先规定的阈值a0进行比较，判定是否为a0≤a1(步骤s50)。在a0≤a1的情况下(s50：是)，运算部12判定为现在的气氛为高浓度的氢气环境，例如将计算出的氢气的浓度d设置为上限值(换句话说数据覆盖)(步骤s60)。接着，运算部12将设置为上限值的氢气的浓度d输出(步骤s70)。

另一方面，在a0＞a1的情况下(s50：否)，运算部12将由步骤s70计算出的氢气的浓度d原样输出。

换句话说，在电流检测电压a1为阈值a0以上的情况下，运算部12使用氢气的浓度d的上限值而将表示处于高浓度的氢气环境的信号输出。

但是，也可以运算部12取代将氢气的浓度d设置为上限值，而是在步骤s60中，将通知高浓度的氢气环境的独特的信号输出。在像这样输出独特的信号的情况下，运算部12也可以不执行步骤s70。

在步骤s70中将氢气的浓度d输出后，运算部12返回步骤s30重复直至步骤s70的处理。重复该处理直至气体传感器1的电源切断。

[1-3.效果]

根据以上详述的实施方式，获得以下的效果。

(1a)运算部12在电流检测部13所检测到的电流为一定值以上的情况下判定为氢气为高浓度，因此能够与气体传感器1的输出无关地对高浓度的氢气环境进行判定。

(1b)通过运算部12的判定处理的步骤s20，能够将在电源刚接通后在第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3流动的过大的电流从高浓度的氢气环境的判定对象除去。作为其结果，能够提高判定精度。

[2.其他的实施方式]

以上，对本公开的实施方式进行了说明，但本公开不限定于上述实施方式，可采用各种方式是自不必说的。

(2a)在上述实施方式的气体传感器1中，运算部12也可以不一定在从电压向第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3的施加开始经过了预先确定的时间后进行高浓度的氢气环境的判定。

换句话说，如图7所示，也可以运算部12在步骤s10中起动后，立刻执行步骤s30以后(换句话说，氢气浓度d的计算以及高浓度的氢气环境的判定)。

(2b)在上述实施方式的气体传感器1中，第一容纳部4以及第二容纳部5的结构是一个例子。例如，也可以分开设置第一容纳部4的台座以及保护盖、与第二容纳部5的台座以及保护盖。另外，第一容纳部4与第二容纳部5也可以分离配置。

另外，第一容纳部4以及第二容纳部5也可以不一定具有绝缘性陶瓷制的台座、保护盖。换句话说，第一容纳部4以及第二容纳部5也可以分别由一个部件构成。

(2c)在上述实施方式的气体传感器1中，第一气体检测元件2以及第二气体检测元件3也可以不具备测温电阻体24。另外，也可以在第一容纳部4以及第二容纳部5设置有测温电阻体24以外的测温单元。

(2d)也可以将上述实施方式的一个构成要素所具有的功能分散为多个构成要素，或将多个构成要素所具有的功能统一为一个构成要素。另外，也可以将上述实施方式的结构的一部分省略。另外，也可以将上述实施方式的结构的至少一部分相对于其他的上述实施方式的结构而进行附加、置换等。此外，从权利要求书的范围所记载的语言确定出的技术思想所包含的所有的方式均为本公开的实施方式。

标号说明

1…气体传感器；2…第一气体检测元件；3…第二气体检测元件；4…第一容纳部；4a…第一内部空间；4b…第一气体导入口；4c…膜体；5…第二容纳部；5a…第二内部空间；5b…第二气体导入口；6…壳体；6a…开口；6b…膜；6c…内部空间；6d…内框；7…台座；8…保护盖；10…电路基板；11…密封部件；12…运算部；13…电流检测部；13a…分流电阻体；20…热电阻体；21…绝缘层；22…布线；23a、23b…第一电极焊盘；24…测温电阻体；25a、25b…第二电极焊盘；26…基板；27…凹部；30…热电阻体；40…直流电源。