JP7640749B2

JP7640749B2 - 一体構造を有する気体熱伝導方式の水素センサ

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Publication number: JP7640749B2
Application number: JP2023571358A
Authority: JP
Inventors: ジョン－ウクブ; イン－フェキム; ファン－ソブク; ジャ－ブング
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Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2025-03-05
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Description

本発明は、一体構造を有する気体熱伝導方式の水素センサに関する。

新しいクリーンエネルギーとして窮極的に水素を用いたエネルギー生産に対する技術の発展が急速に進められるに伴い、最近、水素電気自動車の生産量が急速に増加している。

水素電気車（ＦＣＥＶ、ＦｕｅｌＣｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）は、車両に貯蔵された水素と大気中の空気との結合で生成された電気で運行される１００％無公害車両である。前記水素電気車は、既存の車両の燃料タンクの代わりに、化学エネルギーを電気エネルギーに変換させるための装置を備える。

水素電気車は、燃料電池スタック、水素供給装置、空気供給装置、熱管理装置および水素貯蔵装置を備える。

このうち、水素供給および貯蔵装置は、水素電気車の燃料に相当する水素を貯蔵し、スタックに定量を搬送するシステムである。これらは、供給される水素を管理するために、水素の圧力、全体的な温度変化、水素の漏洩などのモニタリングおよび管理が要求される。

水素センサは、水素ガスの漏洩を検知する水素ガス漏洩検知センサと、水素の濃度を管理する水素濃度センサとに分けられる。前記水素ガス漏洩検知センサは、水素電気車において水素貯蔵容器付近、水素搬送配管系の継ぎ目付近、スタック周辺、そして車両室内などに適用されており、水素濃度センサは、スタックの出口付近または水素希釈および排気装置付近に適用されている。

特に、水素ガス漏洩検知センサは、水素ガスを直接探知する技術であって、水素タンク内の高圧で圧縮させた水素による爆発の危険性に備えて欠かせないセンサである。

水素ガスの探知技術は、大きく、熱線型半導体式、接触燃焼式、気体熱伝導式があり、現在研究開発段階にある方式には、光学式およびＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）方式、複合材透過フィルム薄膜方式などがある。

熱線型半導体式は、金属酸化物半導体の表面でガス吸着による電気抵抗の変化を金属配線の両端に現れた抵抗値の変化として測定するものである。また、接触燃焼式は、可燃性ガスに対して反応する検知試験片と反応しない補償試験片の２つの素子で構成されて、可燃性ガスに露出した時、検知試験片の温度上昇を補償試験片との抵抗差によって測定するものである。さらに、気体熱伝導式は、ガスの熱伝導度の差による発熱体の温度変化を測定するものである。

前記方式は、水素の濃度に応じて異なり、図１に示すように、低濃度の水素探知は熱線型半導体式が、高濃度の水素探知は接触燃焼式方式が使用されている。

接触燃焼式水素センサは、高濃度の水素を探知できるという利点があるが、触媒の劣化によって長期信頼性の問題がある。

その代案として、高濃度の測定に使用可能な気体熱伝導式水素センサが提案された。ガスや水蒸気の伝導度は物理的性質であるので、触媒の品質低下または毒性化が発生せず、長い期間安定した状態をなすことができる。

市販の水素センサは、補償試験片と、検知試験片とを備え、シリコン微細加工により熱孤立部（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を有するメンブレンを構成し、これらを開放キャップを有するパッケージと閉鎖キャップを有するパッケージ内にそれぞれ装着する。前記構成を有する水素センサは、互いに異なる２つの個別パッケージを共に用いることでセンサの体積が大きいしかない。

特に、漏洩検知のための水素センサは、水素貯蔵容器付近、水素搬送配管系の継ぎ目付近、スタック周辺、そして車両室内などに適用されていて、実際に車両内の限られた空間内に装着するのに限界がある。また、２つの個別パッケージされたセンサの価格を低価化するにも限界がある。

一方、水素センサは、外部環境、特に湿度が高い場合、水蒸気によって熱伝導度が変化して計測誤差が発生する。そこで、水素センサと共に追加的な湿度センサを付着して湿度の補正を別途に行う方法が提案されたが、費用増加という新たな問題をもたらす。

ＫＲ公開第１０－２０１５－００３０４９５号（２０１５．０３．２０公開）ＫＲ公開第１０－２０１７－０１１４９８５号（２０１７．１０．１６公開）

本発明者らは、水素気体の熱伝導が他の気体に比べて相対的に大きい原理を利用してセンサを作製しかつ、センシング部と参照部とを１つのチップに形成して同一のパッケージ内に設ける場合、センサの体積の縮小とともに作製工程を単純化するだけでなく、チップの内部に湿度の影響を受けない温度でセンシング可能に発熱可能なヒータを設けて水素センサの応答特性と正確性を高めることができた。

そこで、本発明の目的は、一体構造を有する気体熱伝導方式の水素センサを提供することである。

本発明は、気体熱伝導方式で水素を検知すべく、内部のチップを収容するためにステムおよびキャップが接合されたハウジングを備える、一体構造を有する水素センサを提供する。

前記チップは、基板と、前記基板上に所定の間隔で離隔して形成され、センシング部および参照部それぞれを形成する２つのメンブレンと、前記各メンブレンの中央領域に形成され、センシング温度まで加熱してジュール熱（Ｊｏｕｌｅｈｅａｔ）を発生させるためのヒータと、前記メンブレンおよびヒータと所定の距離離隔して形成された電極パッドと、前記センシング部に気体が接触できるように、前記センシング部に対応するステムの所定の領域に形成された少なくとも１つ以上の開放ホールとを含む。

前記開放ホール（Ｈ）の直径（Ｄ）は、下記式１を満たす。

［式１］
Ｄ＜ａ＋２Ｔ／（ｔａｎθ）

（上記式中、
Ｄは開放ホールの直径、
ａはセンシング部のメンブレンの辺の長さ、
Ｔは基板の厚さ、
θは９０度以下である）

前記基板は、センシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するように、後面がエッチングされた構造を有する。

前記メンブレンは、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）およびシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を少なくとも１つ以上含む単層または多層薄膜であってもよい。

前記ヒータは、４００℃以上に加熱可能である。

前記チップとキャップとからなる内部領域に空気、不活性ガスのいずれか１つ以上が注入される。

また、本発明は、
（Ｓ１）基板上に絶縁膜を蒸着後、エッチングしてメンブレンを形成するステップと、
（Ｓ２）前記メンブレン上に導電性薄膜を形成後、エッチングしてヒータを形成するステップと、
（Ｓ３）前記基板上に電極材質を蒸着後、エッチングして電極パッドを形成するステップと、
（Ｓ４）前記メンブレンが形成されていない基板の後面が、センシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するようにエッチングするステップと、
（Ｓ５）所定の領域に１つ以上の開放ホールが具備されたステムを用意するステップと、
（Ｓ６）前記ステム上にチップを装着するステップと、
（Ｓ７）前記ステムとキャップとを接合するステップとを含む、一体構造を有する水素センサの製造方法を提供する。

本発明による気体熱伝導方式の水素センサは、水素ガスを探知することができる。

このような水素センサは、１つのパッケージ内にセンシング部および検知部を備える一体構造を有することにより、既存の２つの個別パッケージされたセンサに比べて体積を大幅に縮小して、限られた室内空間内への装着が非常に容易である。

また、前記水素センサは、作製が容易な上に、生産費を大きく低減可能で、同種製品に比べて競争力がある。

これとともに、センシング部と参照部に備えられたヒータを特定の温度以上にヒータの温度を上げることにより、湿度に対する選択性を高めて湿度による影響を排除させることが可能で、別の湿度補正のためのセンサなくても使用が可能である。

水素の濃度に応じて使用可能な水素センサである。本発明による水素センサの断面図である。本発明によるチップの正面図である。本発明によるチップのＱ－Ｑ’の断面図である。温度に応じた流体の熱伝導度である。本発明の一実施形態によるチップの正面図である。本発明の一実施形態によるチップの写真である。本発明の水素センサの特性を確認するために構成された回路である。

本発明の一実施形態によれば、一体構造を有する水素センサに関し、気体熱伝導方式で水素を検知すべく、内部のチップを収容するためにステムおよびキャップが接合されたハウジングを備え、前記チップは、基板と、前記基板上に所定の間隔で離隔して形成され、センシング部および参照部それぞれを形成する２つのメンブレンと、前記各メンブレンの中央領域に形成され、センシング温度まで加熱してジュール熱（Ｊｏｕｌｅｈｅａｔ）を発生させるためのヒータと、前記メンブレンおよびヒータと所定の距離離隔して形成された電極パッドと、前記センシング部に気体が接触できるように、前記センシング部に対応するステムの所定の領域に形成された少なくとも１つ以上の開放ホールとを含むことができる。

ここで、前記開放ホール（Ｈ）の直径（Ｄ）は、下記式１を満たすことができる：

［式１］
Ｄ＜（ａ＋２Ｔ）／ｔａｎθ

（上記式中、
Ｄは開放ホールの直径、
ａはセンシング部のメンブレンの辺の長さ、
Ｔは基板の厚さ、
θは９０度以下である）。

本発明の熱伝導方式の水素センサは、センサの体積を縮小化すると同時に、水素以外の外部環境要因、特に湿度に対して影響を受けないように設計したものである。

センサの体積の縮小化は、センシング部（ｓｅｎｓｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ）と参照部（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｅｌｅｍｅｎｔ）とを１つのチップに形成して同一のパッケージ内に設けることで可能になり、外部環境、すなわち湿度による要因は、チップ内にヒータ部を設けることで解決することができる。

以下、図面を参照してより詳しく説明する。

図２は、本発明による一体構造を有する水素センサを示す断面図であり、図３Ａは、チップの正面図であり、図３Ｂは、チップの断面図である。

図２および３をみると、水素センサは、内部のチップ５０を収容するためにステム（１０、ｓｔｅｍ）およびキャップ２０が接合されてハウジングを構成する。

ステム１０上にダイボンディングでパッケージをなし、センサの内部は、外部の気体流入防止のためにキャップ２０で接合する構造を有する。

ステム１０の中央部にチップ５０が形成され、複数のコネクタピン４３が通過できるように複数の貫通孔を具備する。

キャップ２０は、前記ステム１０上に実装されたチップ５０を覆うために形成され、その形状を限定しないが、円筒形状を有し、ステム１０と締結される。

チップ５０は、基板３１上にセンシング部３０ａおよび参照部３０ｂをそれぞれ形成するメンブレン３２ａ、３２ｂと、ヒータ３３ａ、３３ｂと、電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃとを含む。

基板３１は、シリコン基板３１を用いることができ、必要な場合、ガラス、サファイアまたは石英基板が使用されてもよい。この時、前記ヒータ３３ａ、３３ｂが形成された基板３１の中央領域の後面は、エッチングされて除去された構造、すなわちセンシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するようにする。

メンブレン（３２ａ、３２ｂ、ｍｅｍｂｒａｎｅ）は、センシング部３０ａおよび参照部３０ｂが形成できるように一対で形成され、所定の間隔で離隔して対向位置する。

センシング部３０ａを形成するメンブレン３２ａと、参照部３０ｂを形成するメンブレン３２ｂの大きさは、互いに同一でも異なっていてもよいが、同一のものが好ましい。

メンブレン３２ａ、３２ｂは、機械的物性とともに耐熱性を有する材質が可能であり、基板３１の後面のエッチング時にエッチング防止層の役割を果たし、ヒータ３３ａ、３３ｂの支持台の役割を果たす。また、前記ヒータ３３ａ、３３ｂの加熱時に発熱によるチップ５０の変形が起こるのを防止することができる。好ましくは、前記メンブレン３２ａ、３２ｂは、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）およびシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を少なくとも１つ以上含んで積層される。一例として、メンブレン３２ａ、３２ｂは、酸化シリコン／窒化シリコン／酸化シリコンのような多層薄膜形態であってもよい。

一方、本発明による水素センサは、外部環境、すなわち湿度による要因を排除するために、チップ５０内にヒータ３３ａ、３３ｂを備える。より具体的には、センシング部と参照部に備えられたヒータを特定の温度以上にヒータの温度を上げることにより、湿度に対する選択性を高めて湿度による影響を排除させることができる。

図４は、温度に応じた流体の熱伝導度を示すグラフであり、多様な流体の熱伝導度は温度に応じて増加または低減する様々な特異的な傾向を示す。このうち、水蒸気（ｗａｔｅｒ）をみると、約１５０℃程度まで熱伝導度が増加後に低くなる曲線を示し、約３５０℃以上では急速に気化して、水蒸気が熱伝導度に及ぼす影響がないことが分かる。

気体熱伝導方式の水素センサは、熱伝導度の差により水素ガスを検知するもので、前記図４の温度以上に加熱する場合、水素センサに対する湿気の影響を完全に排除することができる。

そこで、本発明では、図２および図３に示すように、チップ５０内に水蒸気の気化温度以上に加熱可能なヒータ３３ａ、３３ｂを装着し、センシング中に前記ヒータ３３ａ、３３ｂの作動によってジュール熱（Ｊｏｕｌｅｈｅａｔ）を発生させて、湿度による水素センサの熱伝導度の変化を最小化できることが分かる。

ジュール熱の発生は、センシング部３０ａおよび参照部３０ｂともに行われるように、それぞれのメンブレン３２ａ、３２ｂの中央領域にヒータ３３ａ、３３ｂを配置する。前記ジュール熱は、ヒータ３３ａ、３３ｂの両端に電圧を印加して発生させることができ、水蒸気の気化温度以上である少なくとも２５０℃、好ましくは４００℃以上に加熱させる。その結果、この温度でセンシングを安定的に行うことが可能で、本発明の水素センサのセンシング温度になる。

ヒータ３３ａ、３３ｂに使用可能な材質としては、金属または半導性酸化物が可能であり、好ましくは、金属材質であってもよいし、さらに好ましくは、金、タングステン、白金およびパラジウムのいずれか１つ以上であってもよい。

前記ヒータ３３ａ、３３ｂは、設計された抵抗、具体的には、５００～１０００Ωの抵抗を有するように全体長さと厚さおよび形状が調節され、好ましくは、インターデジタル（ｉｎｔｅｒ－ｄｉｇｉｔａｌ）形状またはギャップ（ｇａｐ）形状に形成される。

必要な場合、前記ヒータ３３ａ、３３ｂの形成時、接着力をさらに高めるために、メンブレン３２ａ、３２ｂ上にクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）などを用いた付着層（図示せず）をさらに形成することができる。前記付着層は、スパッタリング法、電子ビーム法または気化法などの方法を用いて形成される。

追加的に、湿度による影響を最小化するために、湿度センサをさらに備えることができ、前記測定された湿度センサによって水素センサの湿度補正を行うことができる。

電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、メンブレン３２ａ、３２ｂおよびヒータ３３ａ、３３ｂと所定の距離離隔して形成され、前記ヒータ３３ａ、３３ｂと同一または類似の特性を有する物質を用いて製造する。前記電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、ヒータ３３ａ、３３ｂに電力を伝達する役割を果たし、電源供給源との連結のためのボンディングワイヤ４１が接触できる。

ボンディングワイヤ４１は、導電性ワイヤであってもよいし、電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃと印刷回路基板とが電気的に連結されるようにする。したがって、センシング部３０ａでセンシングされたヒータの抵抗信号が電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃとボンディングワイヤ４１を介して印刷回路基板に伝達される。前記ボンディングワイヤ４１は、金ワイヤ、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤなど公知のものが使用できる。

特に、本発明の水素センサは、センシング部３０ａに気体が流入するための少なくとも１つ以上の開放ホール（Ｈ）が形成される。この時、便宜上、図２に示した開放ホール（Ｈ）は、１つを示したが、２つ以上の複数個が設置可能である。

開放ホール（Ｈ）は、気体中の識別対象である水素ガスが流入しやすいように、センシング部３０ａに対応するステム１０の領域に形成され、参照部３０ｂには流入しないようにする。このため、ステム１０の開放ホール（Ｈ）を通過した気体は水素センサの内部に流入し、図２のように、基板３１の下部領域が一定角度を有するようにエッチングされ、エッチングによって隔壁形状にパターニングされた基板３１によって気体の参照部３０ｂ内の流入が遮断される。

開放ホール（Ｈ）は、センシング部３０ａへの流出入が容易となるように一定水準の直径を有し、単数または複数の開放ホール（Ｈ）が設けられても、全体開放ホール（Ｈ）の形成領域は、センシング部３０ａに位置したメンブレン３２ａの幅を超えないようにする。

より好ましくは、開放ホール（Ｈ）の直径（Ｄ）は、下記式１を満たす。

［式１］
Ｄ＜（ａ＋２Ｔ）／ｔａｎθ

基板３１は、上部の断面積が広く、下部へいくほど断面積が小さくなる形状をしており、この時、ステム１０と基板３１とのなす角度（θ）は、基板３１のエッチング工程により制御可能である。好ましくは、θは、９０度以下、好ましくは５４．７４度または８５～９０度の角度を有し、具体的には５４．７４度である。

また、ａで定義されるメンブレン３２ａの辺の長さは、水平方向におけるメンブレン３２ａの小さい辺の長さであってもよい。

式１を満たすように開放ホール（Ｈ）の直径を設計する場合、水素ガスの検知度が高くなる。

開放ホール（Ｈ）の形状は、その水平切断面が円形、四角形または多角形であってもよいし、本発明において特に限定しない。

一方、チップ５０とキャップ２０とからなる内部空間（Ａ）には、空気、不活性ガスのいずれか１つ以上が注入され、この内部空間（Ａ）には外部気体が流入しないようにする。好ましくは、不活性ガスを充填して、他のガスによるノイズを最小化することができる。

コネクタピン４３は、複数個で形成され、印刷回路基板（図示せず）にソルダリングされて接続されることにより、前記印刷回路基板を介した電気的信号を外部電子装置に伝達することができる。前記コネクタピン４３は、ニッケル、銅、またはこれらの合金であってもよい。

必要な場合、前記電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃの所定の領域とヒータ３３ａ、３３ｂまたはメンブレン３２ａ、３２ｂを覆う形態で絶縁膜（図示せず）が形成されるが、必須な要素ではない。

このように構成される本発明による水素センサは、センサを集積化することにより、センサの大量生産を容易にする。

具体的には、本発明による水素センサ内のチップの製造方法は、
（Ｓ１）基板３１上に絶縁膜を蒸着後、エッチングしてメンブレン３２ａ、３２ｂを形成するステップと、
（Ｓ２）前記メンブレン３２ａ、３２ｂ上に導電性薄膜を形成後、エッチングしてヒータ３３ａ、３３ｂを形成するステップと、
（Ｓ３）前記基板３１上に電極材質を蒸着後、エッチングして電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃを形成するステップと、
（Ｓ４）前記メンブレン３２ａ、３２ｂが形成されていない基板３１の後面が、センシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するようにエッチングするステップとを含む。

まず、基板３１上に絶縁膜を蒸着後、エッチングしてメンブレン３２ａ、３２ｂを形成する（Ｓ１）。

絶縁膜は、メンブレン３２ａ、３２ｂを形成するための材質として、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）およびシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を少なくとも１つ以上含むことで単層または多層に積層する。積層方法は、乾式方法が使用されてもよいし、熱酸化法、スパッタリング法または化学気相蒸着法などの方法を用いて形成することができる。

次に、前記メンブレン３２ａ、３２ｂ上に導電性薄膜を形成後、エッチングしてヒータ３３ａ、３３ｂを形成する（Ｓ２）。

導電性薄膜は、金属または半導性酸化物、好ましくは、金、タングステン、白金およびパラジウムのいずれか１つ以上であってもよい。前記導電性薄膜の形成は、スパッタリング法、電子ビーム法または気化法などの方法が可能である。エッチングは、半導体工程で使用するフォトリソグラフィ工程で行うことができる。

次に、前記基板３１上に電極材質を蒸着後、エッチングして電極パッド３４ａ、３４ｂ、３４ｃを形成する（Ｓ３）。

電極材質は、導電性がある材質であればいずれも可能であり、前記ヒータ３３ａ、３３ｂと同一または類似の特性を有する物質を用いて製造する。一例として、金、タングステン、白金およびパラジウムのいずれか１つ以上であってもよい。前記電極材質の蒸着は、スパッタリング法、電子ビーム法または気化法などの方法が可能である。エッチングは、半導体工程で使用するフォトリソグラフィ工程で行うことができる。

次に、前記メンブレン３２ａ、３２ｂが形成されていない基板３１の後面が、センシング部と参照部が熱孤立構造を有するようにエッチングする（Ｓ４）。

エッチングは、フォトレジストパターンを用いた乾式エッチング工程を用いることができる。一例として、両面露光機を用いてシリコンエッチングのための開口部パターニングを施し、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＥＤＰなどの溶液を用いた湿式異方性エッチングをするか、シリコンＤｅｅｐＲＩＥ装置を用いた乾式エッチングが行われてもよい。

基板３１の下部を部分的に除去して熱孤立構造の島（ｉｓｌａｎｄ）状に作製する場合、水素センサの内部に流入する気体に対する感度をさらに高めることができる。

上記のステップを経て製造されたチップ５０は、
（Ｓ５）所定の領域に１つ以上の開放ホール（Ｈ）が具備されたステム１０を用意するステップと、
（Ｓ６）前記ステム１０上にチップ５０を装着するステップと、
（Ｓ７）前記ステム１０とキャップ２０とを接合して水素センサを作製する。

前記（Ｓ５）において、ステム１０の開放ホール（Ｈ）の形成は本発明において特に限定せず、公知の多様な穴あき方法が使用できる。

ただし、開放ホール（Ｈ）は、センシング部３０ａへの流出入が容易となるように一定水準の直径を有し、単数または複数の開放ホール（Ｈ）が設けられても、全体開放ホール（Ｈ）の形成領域は、センシング部３０ａに位置したメンブレン３２ａの幅を超えないようにする。

［式１］
Ｄ＜（ａ＋２Ｔ）／ｔａｎθ

次に、ステム１０上にチップ５０を装着し、これとともに、ボンディングワイヤ４１とソルダリングにより接続させて、コネクタピン４３を介して外部と電気的連結を行う。

（Ｓ７）の接合は本発明において特に限定せず、公知の方法が使用可能である。ただし、チップ５０とキャップ２０とのなす内部領域に必要な場合、空気または不活性ガスを注入するステップをさらに行うことができる。

図５Ａは、本発明の一実施形態によるチップ５０の正面図であり、図５Ｂは、その写真である。

図５Ａのように、本発明による水素センサのチップ５０は、センシング部３０ａと参照部３０ｂとを備え、水素センサは、図５Ｂのように、コインより小さい体積で作製可能である。

本発明による水素センサは、気体熱伝導式方法によって水素ガスを検知することができる。

水素ガスの検知は、水素センサの温度をヒータ３３ａ、３３ｂによって上昇させた後に行われる。前記水素ガスを含む気体がセンシング部３０ａと接触すれば、水素の熱伝導率の差によってセンシング部３０ａの温度が下がる。これによって、センシング部３０ａの領域内に形成されたヒータ３３ａの抵抗には変化が発生し、参照部３０ｂの領域内に形成されたヒータ３３ｂの抵抗に対する抵抗の変化を測定して、水素ガスの検知のみならず、濃度を測定することができる。

図６は、本発明の水素センサの特性を確認するために構成された回路である。

図６をみると、水素センサは、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、可変抵抗ＶＲの４つの抵抗を含むブリッジ回路と、ブリッジ回路に印加される電源Ｖとで簡単に構成することができる。この時、ヒータ３３ａ、３３ｂの抵抗を８００Ωにした場合、センシング部３０ａと参照部３０ｂとを含むブリッジ回路を介して水素気体による抵抗の変化を電気的信号として検出する。

センシング部３０ａに水素が流入し、水素の熱伝導率が異なり、これによって前記センシング部３０ａの温度が下がり、これによってヒータの抵抗に変化が生じる原理により水素の濃度を推定することができる。

その結果、本発明による水素センサは、速い応答速度を示し、水素の検知後、水素の濃度が低くなった時、再度原状復帰する回復時間（ｒｅｃｏｖｅｒｙｔｉｍｅ）は約数十秒前後必要になることが明らかになった。このような応答速度の特性は、高価格の他のセンサに比べて同等またはそれ以上の優れた数値を有する。

また、本発明の水素センサは、水素ガスの漏洩検知のために、水素電気車において水素貯蔵容器付近、水素搬送配管系の継ぎ目付近、スタック周辺、そして車両室内などに適用可能である。

特に、本発明による水素センサは、１つのパッケージ内にセンシング部および検知部を備える一体構造を有することにより、既存の２つの個別パッケージされたセンサに比べて体積を大幅に縮小して、限られた室内空間内への装着が非常に容易である。

これとともに、内部に装着されたヒータによって水素センサに対する湿度の影響力を排除させることが可能で、別の湿度補正のためのセンサなくても使用が可能であるが、必要な場合、水素センサの設置位置の周囲に設置可能である。

以上、限定された実施例および図面を参照して説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形実施が可能であることは通常の技術者に自明であろう。したがって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲の記載およびその均等範囲によって定められなければならない。

１０：ステム２０：キャップ
３０ａ：センシング部３０ｂ：参照部
３２ａ、３２ｂ：メンブレン３３ａ、３３ｂ：ヒータ
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ：電極パッド４１：ボンディングワイヤ
４３：コネクタピン５０：チップ

本発明は、水素電気車などに適用可能な、一体構造を有する気体熱伝導方式の水素センサに関する。

Claims

気体熱伝導方式で水素を検知すべく、内部のチップを収容するためにステムおよびキャップが接合されたハウジングを備え、
前記チップは、
基板と、
前記基板上に所定の間隔で離隔して形成され、センシング部および参照部それぞれを形成する２つのメンブレンと、
前記各メンブレンの中央領域に形成され、センシング温度まで加熱してジュール熱（Ｊｏｕｌｅｈｅａｔ）を発生させるためのヒータと、
前記メンブレンおよびヒータと所定の距離離隔して形成された電極パッドと、
前記センシング部に気体が接触できるように、前記センシング部に対応するステムの所定の領域に形成された少なくとも１つ以上の開放ホールとを含み、
前記開放ホール（Ｈ）の直径（Ｄ）は、下記式１を満たす、
［式１］
Ｄ＜（ａ＋２Ｔ）／ｔａｎθ
（上記式中、
Ｄは開放ホールの直径、
ａはセンシング部のメンブレンの辺の長さ、
Ｔは基板の厚さ、
θは９０度以下である）
一体構造を有する水素センサ。
前記基板は、センシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するように、後面がエッチングされた構造を有する、請求項１に記載の一体構造を有する水素センサ。
前記メンブレンは、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）およびシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を少なくとも１つ以上含む単層または多層薄膜である、請求項１に記載の一体構造を有する水素センサ。
前記ヒータは、４００℃以上に加熱可能である、請求項１に記載の一体構造を有する水素センサ。
前記チップとキャップとからなる内部領域に空気、不活性ガスのいずれか１つ以上が注入された、請求項１に記載の一体構造を有する水素センサ。
（Ｓ１）基板上に絶縁膜を蒸着後、エッチングしてメンブレンを形成するステップと、
（Ｓ２）前記メンブレン上に導電性薄膜を形成後、エッチングしてヒータを形成するステップと、
（Ｓ３）前記基板上に電極材質を蒸着後、エッチングして電極パッドを形成するステップと、
（Ｓ４）前記メンブレンが形成されていない基板の後面が、センシング部と参照部が熱孤立（ｈｅａｔｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有するようにエッチングするステップと、
（Ｓ５）所定の領域に１つ以上の開放ホール（Ｈ）が具備されたステムを用意するステップと、
（Ｓ６）前記ステム上にチップを装着するステップと、
（Ｓ７）前記ステムとキャップとを接合するステップとを含み、
前記開放ホール（Ｈ）の直径（Ｄ）は、下記式１を満たす、
［式１］
Ｄ＜（ａ＋２Ｔ）／ｔａｎθ
（上記式中、
Ｄは開放ホールの直径、
ａはセンシング部のメンブレンの辺の長さ、
Ｔは基板の厚さ、
θは９０度以下である）
一体構造を有する水素センサの製造方法。