JP2010091471A - 煤検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱容量が小さい煤検出センサを提供すること。
【解決手段】 煤検出センサ１００は、表層部に溝１４を有する基板１２と、その基板１２に梁部１６ｂを介して支持されているとともに前記溝１４上に配置されている検出部１６ａと、その検出部１６ａに設けられているとともに間隔を置いて配置されている一対の検出電極２４ａ，２４ｂと、その検出部１６ａに設けられているとともに前記間隔に配置されている導電性配線３２を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスに含まれる煤の量を検出する煤検出センサに関する。

内燃機関等の排気ガス規制に対処するために、排気ガスに含まれる煤の量を正確に把握する技術が必要とされている。特許文献１及び特許文献２には、煤が電気的に導電性であることを利用して、一対の検出電極間に堆積した煤の量を一対の検出電極間の電気抵抗値から把握する技術が開示されている。また、特許文献１及び特許文献２は、煤検出センサを初期状態にリセットするために、堆積した煤が所定量を超えたときに、堆積した煤を燃焼させる技術を提案している。特許文献１では、一対の検出電極間に高電圧を印加し、電極間放電を利用して堆積した煤を燃焼させる技術を提案している。特許文献２では、一対の検出電極間に設けられたヒータを利用して堆積した煤を燃焼させる技術を提案している。

特開２００６−２６７０２１号公報 特開２００６−２６６９６１号公報

特許文献１の高電圧による電極間放電を利用する技術では、放電ダメージによって検出電極が損傷するという問題がある。検出電極が損傷すると、煤検出センサの初期特性が変化してしまう。
特許文献２のヒーターを利用する技術では、検出電極に対して放電ダメージが生じない。しかしながら、特許文献２の技術では、板状のセラミックス基板を積層させ、その積層したセラミックス基板間にヒータを配設させている。セラミックス基板の熱容量が大きいので、煤が燃焼する温度まで昇温させるのに多大な電力が必要となる。また、セラミックス基板の熱容量が大きいので応答性が遅いという問題もある。
本発明は、熱容量が小さい煤検出センサを提供することを目的としている。

本明細書で開示される煤検出センサは、表層部に溝を有する基板と、その基板に梁部を介して支持されているとともに前記溝上に配置されている検出部と、その検出部に設けられているとともに間隔を置いて配置されている一対の検出電極と、その検出部に設けられているとともに前記間隔に配置されている加熱手段を備えている。
上記の煤検出センサでは、検出電極及び加熱手段が設けられている検出部が、基板に形成された溝の上方に浮遊した形態を有していることを特徴としている。このため、検出部の熱容量を小さくすることができる。検出部の熱容量が小さいので、検出部を加熱手段によって効率的に昇温させることができる。上記の煤検出センサでは、少ない電力で堆積した煤を燃焼させることができ、また、その応答性も速い。

加熱手段は、導電性配線であることが好ましい。導電性配線に電流を流すと、ジュール熱によって導電性配線に熱が発生し、これにより検出部が昇温する。この加熱手段は簡単な形態であり、検出部に容易に配設することができる。

加熱手段に導電性配線が用いられる場合、煤検出センサは、導電性配線に電気的に接続されているとともに導電性配線の抵抗値を検出可能な抵抗値検出手段をさらに備えていることが好ましい。導電性配線の抵抗値は、導電性配線を流れる電流と電圧から求めることができる。したがって、抵抗値検出手段は、導電性配線を流れる電流と電圧を把握可能な手段であることが好ましい。導電性配線の抵抗温度係数を予め把握しておけば、検出した抵抗値から検出部の温度を換算することができる。したがって、抵抗値検出手段が設けられていると、導電性配線は、堆積した煤を燃焼させるヒータとして機能する他に、検出部の温度を測定する機能をも有することができる。

本明細書で開示される技術によると、少ない電力で堆積した煤を燃焼させることができ、また、その応答性も速い煤検出センサを提供することができる。

以下に、本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）基板及び検出部の材料には、半導体材料が用いられる。ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して、微小な煤検出センサを製造することができる。
（第２特徴）加熱手段には、導電性配線の他に、単結晶シリコン配線、ポリシリコン配線を利用することができる。
（第３特徴）煤検出センサは、検出部を支持する４つの梁部を備えているのが好ましい。正側検出配線、負側検出配線、正側ヒータ配線及び負側ヒータ配線のそれぞれが独立して梁部に配設されているのが好ましい。
（第４特徴）基板を加熱可能な第２の加熱手段が設けられているのが好ましい。

以下、図面を参照して本明細書で開示される煤検出センサを説明する。各図面を通して共通する構成要素に関しては共通符号を付し、その説明を省略する。

（第１実施例）
図１は、煤検出センサ１００の平面図を模式的に示す。図２は、図１のII-II線に対応した縦断面図を模式的に示す。煤検出センサ１００は、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して製造される。煤検出センサ１００は、内燃機関の排気ガス流路内に設置され、排気ガスに含まれる煤の量を検出するために用いられる。

図２に示すように、煤検出センサ１００は、表層部に溝１４を有する基板１２を備えている。基板１２の材料には、シリコン単結晶が用いられている。溝１４は、ウェットエッチング技術を利用して形成することができ、その深さは約１０μｍである。図１及び図２に示すように、溝１４の平面形態は矩形状である。

図１及び図２に示すように、煤検出センサ１００は、基板１２上に設けられている絶縁層１６を備えている。絶縁層１６の材料には、酸化シリコンが用いられている。絶縁層１６は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や熱酸化技術を利用して形成することができ、その厚みは約１μｍである。絶縁層１６は、エッチング技術を利用して加工されており、周囲支持部１６ｃと梁部１６ｂと検出部１６ａを備えている。周囲支持部１６ｃは、基板１２に直接的に接合しており、溝１４の周囲を一巡している。梁部１６ｂは、周囲支持部１６ｃから側方に向けて直線状に延びており、周囲支持部１６ｃと検出部１６ａを連結している。検出部１６ａは、溝１４の上方に設けられており、梁部１６ｂ及び周囲支持部１６ｃを介して基板１２から支持されている。検出部１６ａの平面形態は矩形状であり、約２０μｍ×２０μｍである。

図１及び図２に示すように、煤検出センサ１００は、検出部１６ａに設けられている正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂを備えている。正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂは、検出部１６ａ上に間隔を置いて配置されている。正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の領域を検出領域３０という。煤検出センサ１００は、この検出領域３０に堆積した煤の量を、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値から検出する。

正側検出電極２４ａは、周囲支持部１６ｃ上に設けられている正側外部電極２２ａに正側検出配線２３ａを介して電気的に接続されている。負側検出電極２４ｂは、周囲支持部１６ｃ上に設けられている負側外部電極２２ｂに負側検出配線２３ｂを介して電気的に接続されている。これらの検出配線２３ａ，２３ｂは、梁部１６ｂを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間に配設されている。煤検出センサ１００を使用するときは、正側外部電極２２ａに電流生成回路からの電流が入力され、電位差を検知する電圧測定回路が外部電極２２ａ，２２ｂに接続される。負側外部電極２２ｂは接地されることが多い。なお、正側外部電極２２ａと負側外部電極２２ｂの間に電流測定回路と低電圧生成回路を接続してもよい。

図１及び図２に示すように、煤検出センサ１００は、検出部１６ａの検出領域３０に設けられている導電性配線３２を備えている。導電性配線３２の一端は、正側ヒータ電極３６ａに正側ヒータ配線３５ａを介して電気的に接続されている。導電性配線３２の他端は、負側ヒータ電極３６ｂに負側ヒータ配線３５ｂを介して電気的に接続されている。これらのヒータ配線３５ａ，３５ｂは、梁部１６ｂを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間を配設されている。煤検出センサ１００を利用するときは、正側ヒータ電極３６ａが電流生成回路に接続され、負側ヒータ電極３６ｂが接地されることが多い。

一対の検出電極２４ａ，２４ｂ、一対の外部電極２２ａ，２２ｂ、一対のヒータ電極３６ａ，３６ｂ、一対の検出配線２３ａ，２３ｂ、一対のヒータ配線３５ａ，３５ｂ及び導電性配線３２は、スパッタ技術を利用して絶縁層１６上にパターニングされる。これらの材料には、タングステン，チタン系金属，ニッケル，モリブデン等が用いられている。

図２に示すように、煤検出センサ１００は、絶縁層１６上を被覆する絶縁被膜３４を備えている。絶縁被膜３４の材料には、酸化膜や窒化膜が用いられている。絶縁被膜３４は、ＣＶＤ技術を利用して形成することができ、その厚みは約１μｍである。絶縁被膜３４には、複数の開口部が形成されている。これらの開口部を介して、一対の検出電極２４ａ，２４ｂ、一対の外部電極２２ａ，２２ｂ、及び一対のヒータ電極３６ａ，３６ｂの一部が露出している。例えば、正側検出電極２４ａは、正側開口部２６ａを介して露出している。負側検出電極２４ｂは、負側開口部２６ｂを介して露出している。検出領域３０の導電性配線３２は、絶縁被膜３４によって被覆されている。なお、図１の平面図では、図示の明瞭化のために、絶縁被膜３４を除去して図示されている。

次に、図３〜図５を参照して、煤検出センサ１００の動作を説明する。煤検出センサ１００は、煤が電気的に導電性であることを利用して、内燃機関の排気ガスに含まれる煤の量を検出する。煤検出センサ１００では、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の検出領域３０に堆積した煤の量を、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値から換算する。前記したように、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間には定電流が流されている。このため、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電位差から、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値を求めることができる。

検出領域３０に煤が堆積していない状態では、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂは電気的に絶縁されている。このため、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値は無限大である。なお、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間に既知の抵抗体を接続し、初期状態の電気抵抗値を固定値にしてもよい。

図３に示すように、検出領域３０に煤が堆積すると、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間が煤を介して電気的に接続される。また、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値は、堆積した煤の量に応じて変化する。検出領域３０に堆積する煤の量が増加すると、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値は低下する。このため、正側検出電極２４ａと負側検出電極２４ｂの間の電気抵抗値から、排気ガスに含まれる煤の量を換算することができる。

図４に示すように、検出領域３０に堆積した煤が所定量を超えたら、導電性配線３２に電流を通電し、発生したジュール熱によって検出領域３０を加熱し、検出領域３０に堆積した煤を燃焼させる。図５に、検出領域３０に堆積する煤の量と電気抵抗値の経時的な変化を示す。煤堆積監視期間では、煤の堆積量が増加するのに伴って電気抵抗値が低下する。例えば、この電気抵抗値の時間変化率から排気ガスに含まれる煤の量を換算することができる。堆積した煤が所定量を超えたら（電気抵抗値が閾値を下回ったら）、導電性配線３２に電流を通電し、検出領域３０を加熱し、堆積した煤を燃焼させ、電気抵抗値を初期値にリセットする。このように、堆積した煤が所定量を超えたら煤を燃焼させることによって、煤検出センサ１００を連続運転させることが可能となる。

煤検出センサ１００は、溝１４の上方に浮遊する検出部１６ａに、一対の検出電極２４ａ，２４ｂ及び導電性配線３２が設けられていることを特徴としている。検出部１６ａが溝１４の上方に浮遊しているので、検出部１６ａの熱容量を小さくすることができる。検出部１６ａの熱容量が小さいので、検出部１６ａを導電性配線３２によって効率的に昇温させることができる。煤検出センサ１００では、少ない電力で堆積した煤を燃焼させることができ、また、その応答性も速い。

煤検出センサ１００は、以下のような構成とすることもできる。
（１）煤検出センサ１００は、導電性配線３２に電気的に接続されているとともに導電性配線３２の抵抗値を検出可能な抵抗値検出手段を備えていることが好ましい。導電性配線３２の抵抗値は、導電性配線３２を流れる電流と電圧から求めることができる。したがって、抵抗値検出手段は、定電圧生成回路と電流測定回路の組合せ、あるいは定電流生成回路と電圧測定回路の組合せとすることができる。導電性配線３２に用いられている材料に基づいて、導電性配線３２の抵抗温度係数を予め把握することができる。このため、抵抗値検出手段によって検出した抵抗値から検出部１６ａの温度を換算することができる。抵抗値検出手段が設けられていると、導電性配線３２は、堆積した煤を燃焼させるヒータとして機能する他に、検出部１６ａの温度を測定する機能をも有することができる。
（２）煤検出センサ１００は、基板１２を加熱することが可能な第２の加熱手段を備えているのが好ましい。第２の加熱手段には、例えば、セラミックヒーターを用いることができる。このような構成を採用すると、基板１２の溝１４内に煤が入り込んだとしても、例えば第２の加熱手段を利用して基板１２を定期的に加熱することで、入り込んだ煤を除去することができる。あるいは、溝１４内に入り込んだ煤が所定量を超えたときに第２の加熱手段を利用して基板１２を加熱し、入り込んだ煤を除去してもよい。あるいは、導電性配線３２を加熱するタイミングに合わせて第２の加熱手段を利用して基板１２を加熱し、入り込んだ煤を除去してもよい。

（第２実施例）
図６は、煤検出センサ２００の平面図を模式的に示す。煤検出センサ２００は、検出部１６ａを基板１２から支持する２つの梁部１６ｂ，１６ｄを備えていることを特徴としている。梁部１６ｂと梁部１６ｄは、検出部１６ａを介して対向配置されており、それぞれの長手方向は平行である。さらに、煤検出センサ２００では、一対の検出配線２３ａ，２３ｂが梁部１６ｄを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間に配設され、一対のヒータ配線３５ａ，３５ｂが梁部１６ｂを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間に配設されていることを特徴としている。

煤検出センサ２００は、２つの梁部１６ｂ，１６ｄを備えているので、検出部１６ａを安定的に支持することができる。このため、煤検出センサ２００は衝撃等に対して強く、信頼性が高い。また、一対の検出配線２３ａ，２３ｂとヒータ配線３５ａ，３５ｂが、それぞれの梁部１６ｂ，１６ｄを介して引き出されているので、短絡等の発生も抑制される。

（第３実施例）
図７は、煤検出センサ３００の平面図を模式的に示す。図８は、図７のVIII-VIII線に対応した縦断面図を模式的に示す。煤検出センサ３００は、検出部１６ａを基板から支持する４つの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを備えていることを特徴としている。４つの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、検出部１６ａの側面のそれぞれに対して設けられており、それらの長手方向は対応する側面に対して平行である。４つの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、絶縁層１６に形成された４つのＬ字状の貫通孔１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄによって画定されている。梁部１５ａは、貫通孔１８ａと貫通孔１８ｂによって画定されている。梁部１５ｂは、貫通孔１８ｂと貫通孔１８ｃによって画定されている。梁部１５ｃは、貫通孔１８ｃと貫通孔１８ｄによって画定されている。梁部１５ｄは、貫通孔１８ｄと貫通孔１８ａによって画定されている。

煤検出センサで３００では、正側検出配線２３ａが梁部１５ｃを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間を配設され、負側検出配線２３ｂが梁部１５ａを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間を配設され、正側ヒータ配線３５ａが梁部１５ｂを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間を配設され、負側ヒータ配線３５ｂが梁部１５ｄを介して検出部１６ａと周囲支持部１６ｃの間を配設されている。

煤検出センサ３００は、４つの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを備えているので、検出部１６ａを安定的に支持することができる。このため、煤検出センサ２００は衝撃等に対して強く、信頼性が高い。さらに、４つの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、検出部１６ａの対応する側面に対して平行に延びているので、素子面積の消費を抑えることができる。また、一対の検出配線２３ａ，２３ｂとヒータ配線３５ａ，３５ｂが、それぞれの梁部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを介して引き出されているので、短絡等の発生も抑制される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の煤検出センサの平面図を模式的に示す。 図１のII−II線に沿った縦断面図を模式的に示す。 煤が堆積した状態の煤検出センサの断面図を模式的に示す。 煤を加熱処理した状態の煤検出センサの断面図を模式的に示す。 堆積する煤の量と電気抵抗値の経時的な変化を示す。 第２実施例の煤検出センサの平面図を模式的に示す。 第３実施例の煤検出センサの平面図を模式的に示す。 図７のVIII−VIII線に沿った縦断面図を模式的に示す。

符号の説明

１２：基板
１４：溝
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１６ｂ，１６ｄ ：梁部
１６：絶縁層
１６ａ：検出部
１６ｃ：周囲支持部
２２ａ，２２ｂ：外部電極
２３ａ，２３ｂ：検出配線
２４ａ，２４ｂ：検出電極
３０：検出領域
３２：導電性配線
３４：絶縁被膜
３５ａ，３５ｂ：ヒータ配線
３６ａ，３６ｂ：ヒータ電極

Claims (3)

1. 表層部に溝を有する基板と、
   その基板に梁部を介して支持されているとともに前記溝上に配置されている検出部と、
   その検出部に設けられているとともに間隔を置いて配置されている一対の検出電極と、
   その検出部に設けられているとともに前記間隔に配置されている加熱手段と、を備えている煤検出センサ。
2. 前記加熱手段は、導電性配線であることを特徴とする請求項１に記載の煤検出センサ。
3. 前記導電性配線に電気的に接続されているとともに、前記導電性配線の抵抗値を検出可能な抵抗値検出手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の煤検出センサ。
   

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