CN108369198B - 气体传感器装置及气体传感器装置的加热电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使是环境温度发生变化，也能够实现高精度测量的气体传感器装置。该装置具备形成于薄膜部的检测加热器(3)、围绕检测加热器形成的温度补偿加热器(4)、控制检测加热器(3)的加热温度的检测加热器加热控制电路(10)、以及将温度补偿加热器的加热温度控制于比检测加热器的加热温度低的加热温度的温度补偿加热器加热控制电路(11)，相应于基板温度的上升，检测加热器加热控制电路(10)与温度补偿加热器加热控制电路(11)分别调整各加热电流，使检测加热器(3)的加热温度与温度补偿加热器(4)的加热温度之间的温度差缩小。

Description

气体传感器装置及气体传感器装置的加热电流控制方法

技术领域

本发明涉及具备检测气体的物理量用的传感器元件的气体传感器装置及气体传感器装置的加热电流控制方法。

背景技术

测量气体的水分浓度等物理量的气体传感器装置被使用于各种技术领域。例如，在汽车用的内燃机中，为了应对废气规定、减少燃料消耗，测量吸入的空气的湿度、压力、温度等物理量，并根据该测量出的物理量求出最合适的燃料喷射量、点火时间。并且，为了满足将来日益严峻的废气规定等，为了最佳地操作内燃机而需要高精度地测量气体的物理量。

作为这样的气体传感器装置，例如，日本专利特开2011-137679号公报(专利文献1)中，具备：具有空洞部的基板、由层叠于空洞部的多个绝缘层构成的薄膜支承体、由薄膜支承体的绝缘层挟持的第1加热器和第2加热器，第2加热器配置于第1加热器的周边，第1加热器被加热并控制为比第2加热器高的温度，根据第1加热器的散热量测定湿度等气体的物理量。又，为了减小由周围气体温度的变化引起的第1加热器的散热量变化所造成的测量误差，利用第2加热器将第1加热器的周边保持为规定的温度，由此谋求高精度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011-137679号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

例如，根据测定通过内燃机的吸气通路的吸入空气的物理量的气体传感器装置，由行驶环境变化造成的温度变化、由增压器引起的进气增压是否存在等运行状态，都会使放置气体传感器装置的环境的温度发生很大变化。因此气体传感器装置需要与温度变化相对应的良好的测量精度。

专利文献1的气体传感器装置由于使用第2加热器，减少了环境温度变化造成的测量误差。进一步地，为了高精度化，利用第2加热器进行加热的区域的温度稳定性是很重要的。关于第2加热器的加热温度，是通过第2加热器的电阻测定等来检测出温度并将加热量反馈的。

但是，一旦环境温度发生较大变化，第2加热器形成的温度分布就会发生变化，对检测气体的物理量的第1加热器产生影响，从而产生测量误差。又，由于温度控制电路的温度特性等原因，第2加热器的加热温度也会发生变动。

本发明的目的在于，提供一种即使是环境温度发生变化，也能够得到高精度的测量性能的新颖的气体传感器装置及气体传感器装置的加热电流控制方法。

解决技术问题用的手段

本发明的特征为一种气体传感器装置，其具备：形成于基板的一部分的薄膜部；形成于薄膜部的检测加热器；以围绕检测加热器的方式形成的温度补偿加热器；对检测加热器的加热温度进行控制的检测加热器驱动电路；以及将温度补偿加热器的加热温度控制为比检测加热器的加热温度低的加热温度的温度补偿加热器驱动电路，所述气体传感器装置根据检测加热器的散热量来测量气体的物理量，上述气体传感器装置中，检测加热器驱动电路和温度补偿加热器驱动电路与基板的温度上升相对应地控制各加热电流，以使检测加热器的加热温度与温度补偿加热器的加热温度之间的温度差缩小。

发明效果

根据本发明，由于与温度补偿加热器的内侧区域的温度下降相对应地调整检测加热器的加热温度，因此能够抑制环境温度变化引起的检测加热器的加热量的变动，减小测量误差。

附图说明

图1是适用本发明的气体传感器装置的传感器元件部分的俯视图。

图2是图1所示的传感器元件的X-X剖面图。

图3是表示图1所示的传感器元件的驱动电路的构成的电路图。

图4是说明传感器元件的加热状态的说明图。

图5是说明本发明的传感器元件的过热状态的说明图。

图6是进一步说明本发明的传感器元件的温度变化状态的说明图。

图7是说明本发明的传感器元件整体的温度变化状态的说明图。

图8是作为本发明的实施方式的传感器元件部分的俯视图。

图9是表示图8所示的传感器元件的驱动电路的电路图。

图10是说明图8所示的实施方式的、与环境温度的变化有关的温度依存性的说明图。

图11是作为本发明的另一实施方式的传感器元件部分的俯视图。

图12是说明图11所示的实施方式的、与环境温度的变化有关的温度依存性的说明图。

具体实施方式

以下利用附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明不限于以下的实施方式，在本发明的技术概念中各种变形例、应用例也包含于其范围内。

在对本发明的实施方式进行说明之前，首先对一般的气体传感器装置的构成及其技术问题进行说明。图1是表示一般的气体传感器装置的传感器元件的俯视图，图2表示图1的X-X剖面。以下利用图1、图2对气体传感器装置的传感器元件进行说明。还有，以下以测定空气中含有的水分的量的湿度传感器为例进行说明。

在图1、图2中，传感器元件1具有由单晶硅形成的基板2。在基板2上形成有空洞部5，在该空洞部5内铺设有作为第1加热器的检测加热器3、以及作为第2加热器的温度补偿加热器4。又，支承这些加热器3、4的薄膜支承体6覆盖着基板2的空洞部5而形成。

在这里，薄膜支承体6如图2所示，由在基板2的上表面叠层的绝缘层8a、8b构成，在这些绝缘层8a、8b之间，夹存并支承有检测加热器3和温度补偿加热器4。温度补偿加热器4围绕着检测加热器3配置。又，检测加热器3、温度补偿加热器4由沿着薄膜支承体6的平面延伸、并且具有多个折回部的微小宽度的电阻器构成。

通过这样围绕着检测加热器3周边配置温度补偿加热器4，检测加热器3的周围温度被维持为温度补偿加热器4的加热温度(Th2)，能够减小环境温度(Ta)的变化造成的影响。为了与外部电路连接，检测加热器3、温度补偿加热器4与基板2上形成的电极7a、7b、7c、7d通过配线电连接。

检测加热器3、温度补偿加热器4利用相同的材料制成，作为在高温下稳定的材料(高熔点材料)可以选择例如铂(Pt)、钽(Ta)、钼(Mo)、硅(Si)等。又，作为绝缘层8a、8b，将二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)以单层或叠层状态配置。又，作为绝缘层8a、8b，也有将聚酰亚胺等树脂材料、陶瓷、玻璃等以单层或叠层状态配置。又，电极7a、7b、7c、7d采用铝(Al)等。

传感器元件1借助于利用了光刻(Photolithography)技术的半导体微细加工技术、各向异性蚀刻技术形成。又，空洞部5通过对单晶硅基板2实施各向异性蚀刻、各向同性蚀刻等技术形成。为了保护电极7a～7d，最好是在传感器元件1的表面上形成保护层后实施各向异性蚀刻。

然后，如图2所示，借助于温度补偿加热器4在内侧区域形成加热温度(Th2)的温度空间，在检测加热器3的附近区域形成加热温度(Th1)的温度空间。由此，加热温度(Th1)的温度空间成为被加热温度(Th2)的温度空间内包的状态，加热温度(Th1)的温度空间能够减小环境温度的影响。

图3示出气体传感器装置的驱动电路。传感器元件1的驱动电路9至少由加热控制电路10、11、校正运算电路12、输出电路13构成。加热控制电路10对检测加热器3的温度进行检测，通过提供被反馈控制的加热电流来将检测加热器3的温度控制为加热温度(Th1)。又，在加热控制电路10上连接有检测环境温度(Ta)用的感温元件16。进一步地，加热控制电路11对温度补偿加热器4的温度进行检测，通过提供被反馈控制的加热电流来将温度补偿加热器4的温度控制为加热温度(Th2)。

校正运算电路12被输入加热控制电路10中的检测加热器3的加热量、即与湿度相应的信号。又，校正运算电路12被输入来自加热控制电路11的信号，能够用于动作状态的监视等。进一步地，构成为能够输入单独设立的温度传感器14、压力传感器15的检测值，将湿度、温度、压力等的检测值相互校正。还有，这种校正与本发明没有直接关联，因此其说明省略。校正运算电路12的输出信号被传送到输出电路13，经模拟转换或转换为通信用的数字信号后传送到外部。

加热控制电路10对检测加热器3的温度进行检测并提供加热电流，由此将检测加热器3的温度控制为加热温度(Th1)。同样地，加热控制电路11对温度补偿加热器4的温度进行检测并提供加热电流，由此将温度补偿加热器4的温度控制为加热温度(Th2)。例如，加热温度(Th1)为500℃左右，加热温度(Th2)为300℃左右。

下面对如上所述控制的检测加热器3、温度补偿加热器4的温度分布状态进行说明。环境温度(Ta)是配置有传感器元件1的环境的温度。在本实施方式中，因为是测定内燃机的吸入空气的湿度的装置，因此气体传感器装置被配置于吸入空气流动的吸气通路中。还有，传感器元件1一旦受到吸入空气的流动的影响，散热量就会有很大变动，因此配置于吸入空气不流动的区域。

已知在配置于汽车用的内燃机的吸气通路中的情况下，上述环境温度(Ta)在-40℃～+125℃之间变动。因此，在这样的环境温度变化中，即使环境温度(Ta)发生变动，温度补偿加热器4的温度也大致保持为加热温度(Th2)。又，检测加热器3被加热到比加热温度(Th2)高的温度、即加热温度(Th1)。

在这里，从检测加热器3向吸入空气的散热量Q1、从温度补偿加热器4向吸入空气的散热量Q2近似表达如下式。

Q1＝λ·S₁·(Th1-Th2)

Q2＝λ·S₂·(Th2-Ta)

还有，λ为依存于空气的导热系数的参数，随湿度变化。S₁为检测加热器的散热面积，S₂为温度补偿加热器的散热面积。

根据上式，一旦环境温度(Ta)发生变化，温度补偿加热器4的散热量Q2就会发生变动，但是检测加热器3相当于始终曝露于大致一定的加热温度(Th2)的环境，因此检测加热器3的散热量Q1可以看作不受周围环境温度(Ta)的影响。因此，如果加热温度(Th1)、加热温度(Th2)为一定，则检测加热器3的散热量Q1就会依存于λ。而且，由于λ随湿度而变化，因此散热量Q1是与湿度相应的散热量。

下面对实施这样的动作的气体传感器装置中的技术问题进行说明。图4表示由温度补偿加热器4的加热而形成的温度分布因环境温度而变化的情况。

在图4中，L1是表示环境温度(Ta)为25℃时温度补偿加热器4造成的温度上升量的补偿温度分布曲线。又，L2是表示环境温度(Ta)为80℃时的温度补偿加热器4造成的温度上升量的补偿温度分布曲线。在这里，补偿温度分布曲线L1、L2与停止检测加热器3的加热、仅进行温度补偿加热器4的加热时的温度分布等价。

将补偿温度分布曲线L1与补偿温度分布曲线L2进行比较，在配置有温度补偿加热器4的位置，两者都被维持为加热温度(Th2)。但是，在温度补偿加热器4包围的内侧区域，与环境温度(Ta)为25℃的情况相比，环境温度(Ta)上升到80℃时，温度补偿加热器4包围的内侧区域的温度会有降低的倾向。又，环境温度(Ta)一旦上升，与补偿温度分布曲线L1相比，温度的变化倾向会像补偿温度分布曲线L2那样变得平缓，温度补偿加热器4形成的温度分布会发生变化。因此，由于检测加热器3被包围于温度补偿加热器4的内侧地配置，故而会受到上述环境温度的变化的影响。

并且，一旦驱动检测加热器3，就从被温度补偿加热器4加热的温度状态上升到检测加热器3驱动时的加热温度(Th1)，被施加图中的检测温度分布曲线L3那样的加热量。在检测加热器3的加热温度(Th1)为固定值的情况下，环境温度(Ta)＝25℃时，检测加热器3的加热量为图中的Ph。另一方面，环境温度(Ta)＝80℃时，由于温度补偿加热器4的内侧区域的温度降低，因此检测加热器3的加热量增加到Ph’。

因此，如上所述，由于湿度是基于检测加热器3的加热量(＝散热量Q1)的变化的，因此当因环境温度的变化导致检测加热器3的加热量有变动时，就会产生湿度的测量误差。

为了减小这样的环境温度变化引起的测量误差，在本发明的实施方式中，提出图5～图10所示的构成。

首先，利用图5对本发明的实施方式的思路进行说明。如上所述，补偿温度分布曲线L1是表示环境温度(Ta)为25℃时温度补偿加热器4产生的温度上升量的补偿温度分布曲线。又，补偿温度分布曲线L2是表示环境温度(Ta)为80℃时温度补偿加热器4产生的温度上升量的补偿温度分布曲线。

并且，一旦驱动检测加热器3，在环境温度(Ta)为25℃的情况下，就会从被温度补偿加热器4加热过的温度状态上升到检测加热器3驱动时的加热温度(Th1)，从而被施加图中的检测温度分布曲线L3那样的加热量，检测加热器3的加热量就成为图中的Ph。

另一方面，在环境温度(Ta)上升到了80℃的情况下，就会像检测温度分布曲线L4那样将检测加热器3的温度变更、调整到比加热温度(Th1)低的加热温度(Th1’)。借助于此，与温度补偿加热器4的内侧区域的温度的下降相对应地使检测加热器3的加热温度下降，因此加热量就成为Ph’。在这种情况下，加热量Ph≒加热量Ph’。其结果是，环境温度变化引起的检测加热器3的加热量的变动得到抑制，能够减小测量误差。

图6表示环境温度(Ta)的变化引起的检测加热器3与温度补偿加热器4的温度的变化。在本实施方式中，当环境温度(Ta)上升时，温度补偿加热器4的加热温度(Th2)被控制为大致一定的温度，但是检测加热器3以随着环境温度(Ta)的上升而从加热温度(Th1)下降到加热温度(Th1’)的方式具有负的温度依存性。也就是说，具有因环境温度(Ta)的上升，检测加热器3与温度补偿加热器4的温度差ΔT缩小到ΔT’的特性。

图7表示本实施方式的情况下的传感器元件1的整体温度分布的变化状态。测量湿度时，由于驱动检测加热器3与温度补偿加热器4两者，因此形成在检测加热器3的部位具有峰值的温度分布。当环境温度(Ta)上升时，温度补偿加热器4的部位的加热温度(Th2)的变化小，另一方面，检测加热器3的部位的温度从加热温度(Th1)大幅度降低到加热温度(Th1’)。通过具有这样的温度分布的温度依存，能够实现高精度化。

在这里，环境温度(Ta)最好为检测加热器3与温度补偿加热器4的周边温度、即从基板2检测出的温度。因此，在本实施方式中，构成为利用基板2的温度来控制检测加热器3的加热温度(Th1)。这种控制，可以通过利用温度来改变构成检测加热器3的加热控制电路的桥式电路的电阻而实現。

因此，作为检测基板2的温度的桥式电路的电阻，在传感器元件1的基板上形成温度依存电阻即可。作为温度依存电阻，可以采用电阻温度系数大的Si扩散层、多晶硅、铂、钼等。在本实施方式中，从制造上考虑，温度依存电阻利用与检测加热器3相同的材料制造。

在这里，作为环境温度(Ta)的检测方法，可以采用与传感器元件1分开设置的热敏电阻等。但是在分开设置的情况下，有时由于急剧的环境温度变化、从传感器装置外部来的热传导等原因，传感器元件1的周边温度与热敏电阻的温度会有不同。因此，为了实现更高的精度，最好是采用由传感器元件1上形成的温度依存电阻检测出的基板温度。

如上所述，在与环境温度(Ta)的变化对应地将温度补偿加热器4的温度维持为大致一定的加热温度(Th2)的情况下，一旦环境温度(Ta)上升，温度补偿加热器4的内侧区域的温度就会有下降的倾向。该温度的下降量因传感器元件1的形状、温度补偿加热器4的大小、检测加热器3与温度补偿加热器4的位置关系等而改变。因此，因环境温度(Ta)而改变的检测加热器3的加热温度(Th1、Th1’)最好是根据传感器元件1的形状、温度补偿加热器4的大小、位置适当设定。

基于上述本实施方式的思路，下面利用图8～图10对本实施方式的具体构成进行说明。

图8表示作为本实施方式的传感器元件1的构成。检测加热器3利用位于空洞部5上的薄膜支承体6的配线17、位于基板2上的配线18引出，并连接于电极7a、7b。配线17和配线18的材料与检测加热器3的材料相同，选定例如铂(Pt)、钽(Ta)、钼(Mo)、硅(Si)等。也就是说，配线17及配线18作为温度依存电阻起作用。下面有时候也把配线17及配线18设为温度依存电阻17、18。又，温度依存电阻17、18还能获得可与检测加热器3在同一加工工序中同时形成这一制造上的效果。

同样，温度补偿加热器4从外侧围绕检测加热器3地配置，利用位于空洞部5上的薄膜支承体6上的配线19、位于基板2上的配线20引出，并与电极7c、7d连接。配线19及配线20的材料采用与温度补偿加热器4相同的材料，例如选定铂(Pt)、钽(Ta)、钼(Mo)、硅(Si)等。也就是说，配线19及配线20作为温度依存电阻起作用。下面有时候也把配线19及配线20设为温度依存电阻19、20。又，与检测加热器3一方相同，温度依存电阻19、20也能获得可与温度补偿加热器4在同一加工工序中同时形成这一制造上的效果。

在这里，决定各配线17、18、19、20的宽度，以使检测加热器3与电极7a、7b间的配线17和配线18的电阻值比温度补偿加热器4与电极7c、7d间的配线19和配线20的电阻值大。也就是说，从图8可知，配线17、18的宽度W2比配线19、20的宽度W1窄。还有，这样做的理由将在图9中进行详细说明。

图9表示本实施方式的驱动电路的构成。连接有温度依存电阻(配线)17、18的检测加热器3与固定电阻21a、21b、21c一起，构成作为检测加热器加热控制电路的桥式电路。桥式电路由以下两个串联电路构成，即：由第1臂和第2臂构成的串联电路、以及由固定电阻21a的第3臂与固定电阻21b的第4臂串联连接而成的串联电路，其中，所述第1臂由检测加热器3与温度依存电阻(配线)17、18串联连接而成，所述第2臂由与该第1臂串联连接的固定电阻21c形成。

并且，包含温度依存电阻17、18的检测加热器3与固定电阻21c间的电位(第1臂与第2臂之间的电位)以及固定电阻21a与21b间的电位(第3臂与第4臂之间的电位)被输入差动放大器22a。差动放大器22a将与输入电压之差相应的电压输出到晶体管23a的基极。利用晶体管23a，根据差动放大器22a的输出值来控制集电极-发射极间流动的电流。晶体管23a的发射极连接于检测加热器3与固定电阻21a之间，集电极连接于电源24。利用这一构成，检测加热器3的温度就被反馈控制为500℃左右。

检测加热器3的温度设定为，根据已知的检测加热器3的电阻温度系数，设定得使500℃时的检测加热器3与固定电阻21c的电阻值之比、与固定电阻21a与固定电阻21b的电阻值之比一致，当检测加热器3的温度低于500℃时，晶体管23a就导通，加热电流增加。

同样地，连接有温度依存电阻(配线)19、20的温度补偿加热器4与固定电阻21d、21e、21f一起构成作为温度补偿加热器加热控制电路的桥式电路。桥式电路由以下两个串联电路构成，即：由第1臂和第2臂构成的串联电路、以及由固定电阻21d的第3臂与固定电阻21e的第4臂串联连接而成的串联电路，其中，所述第1臂由温度补偿加热器4与温度依存电阻(配线)19、20串联连接而成，所述第2臂由与该第1臂串联连接的固定电阻21f形成。

而且，包含温度依存电阻19、20的温度补偿加热器4与固定电阻21f之间的电位(第1臂与第2臂间的电位)、以及固定电阻21d与21e之间的电位(第3臂与第4臂之间的电位)被输入到差动放大器22b。差动放大器22b将与输入电压之差相应的电压输出到晶体管23b的基极。利用晶体管23b，根据差动放大器22b的输出值来控制在集电极-发射极间流动的电流。晶体管23b的发射极连接于温度补偿加热器4与固定电阻21d之间，集电极连接于电源24。借助于这一构成，温度补偿加热器4的温度就被反馈控制为300℃左右。

温度补偿加热器4的温度设定为，根据已知的温度补偿加热器4的电阻温度系数，设定得使300℃时的温度补偿加热器4与固定电阻21f的电阻值之比、与固定电阻21d与固定电阻21e的电阻值之比一致，当温度补偿加热器4的温度低于300℃时，晶体管23b就导通，加热电流增加。

在如上所述的桥式电路的构成中，对加热电流进行控制，以使包含检测加热器3与温度依存电阻17、18的总电阻值为一定值。包含温度依存电阻17、18的检测加热器3的总电阻值Rh’为，

Rh’＝Rh+r17+r18

在这里，Rh：检测加热器3的电阻值、r17：温度依存电阻17的电阻值、r18：温度依存电阻18的电阻值。还有，检测加热器3的电阻值Rh是由温度补偿加热器4包围的区域的电阻值。

在这里，根据传感器元件1的温度分布的测定结果，位于基板2上的配线即温度依存电阻18的温度依存于环境温度(Ta)，位于薄膜支承体6上的配线即温度依存电阻17的温度被认为是温度补偿加热器4的温度(Th2)与环境温度(Ta)的中间温度，考虑到各电阻的温度依存性，检测加热器3的总电阻值Rh’由下式表示。

[数式1]

还有，α：电阻温度系数、Th1：检测加热器3的加热温度、Th2：温度补偿加热器4的加热温度、Ta:环境温度(基板2的温度)。

而且，一旦驱动检测加热器3及温度补偿加热器4，各桥式电路中就流过加热电流，检测加热器3的加热温度Th1、温度补偿加热器4的加热温度Th2上升，维持为检测加热器3的加热温度Th1为500度、温度补偿加热器4的加热温度Th2为300℃时的Rh’。

在上式中，一旦环境温度(Ta)上升，作为温度依存电阻的配线17与配线18的温度就上升，右边的第2项与第3项的值变大。其结果是，为了使总电阻值Rh’为一定值，加热电流降低以使检测加热器3的加热温度Th1下降。

同样地，对于温度补偿加热器4，温度补偿加热器4的总电阻值Rs’也可以表示为下式，即

[数式2]

还有，Rs：温度补偿加热器4的电阻值、α：电阻温度系数、Th2：温度补偿加热器4的加热温度、Ta:环境温度(基板2的温度)。

而且，一旦驱动检测加热器3及温度补偿加热器4，从上式可知，当环境温度(Ta)上升时，作为温度依存电阻的配线19和配线20的温度就会上升，右边的第2项和第3项的值变大。其结果是，为了使总电阻值Rs’为一定值，加热电流减小，以使温度补偿加热器4的加热温度Th2降低。

如上所述，若在检测加热器3上连接温度依存电阻17、18，检测加热器3的加热温度(Th1)就会因环境温度而变动。同样地，若在温度补偿加热器4上连接温度依存电阻19、20，温度补偿加热器4的加热温度(Th2)就会因环境温度而变动。

在此，本实施方式构成为：能够将由温度依存电阻19、20引起的温度补偿加热器4的加热温度Th2的温度变化设定得较小，与此相反地，将由温度依存电阻17、18引起的检测加热器3的加热温度(Th1)的温度变化设定得比温度补偿加热器4的温度变化大。

具体地说，当将温度依存电阻17、18与检测加热器3的电阻值之比设为(r17+r18)/(Rh)，同样地，将温度依存电阻19、20与温度补偿加热器4的电阻值之比设为(r19+r20)/(Rs)时，设定温度依存电阻17、18与温度依存电阻19、20的电阻值，以使其具有(r17+r18)/(Rh)＞(r19+r20)/(Rs)的关系即可。

因此，本实施方式如图8所示，相比配线19、20的宽度W1，将配线17、18的宽度W2形成得比较狭窄，相比温度补偿加热器4与电极7c、7d之间的配线19与配线20的电阻值，检测加热器3与电极7a、7b之间的配线17与配线18的电阻做得更大。借助于此，可以使检测加热器3相对于环境温度变动的温度依存性更大。

图10表示本实施方式的检测加热器3与温度补偿加热器4相对于环境温度变动的温度依存性。图10所示的加热温度(Th2)是温度补偿加热器4的温度变化，一旦环境温度(Ta)上升，作为配线的温度依存电阻19、20的电阻值就上升，加热电流减少，由此加热温度(Th2)下降。

相对于此，加热温度(Th1)是检测加热器3的温度变化，一旦环境温度(Ta)上升，作为配线的温度依存电阻17、18的电阻值就上升，加热电流减少，由此加热温度(Th1)下降。从上述说明可知，该加热温度(Th1)的下降量比加热温度(Th2)大，因此形成检测加热器3的加热温度(Th1)与温度补偿加热器4的加热温度(Th2)之差从ΔT缩小到ΔT’的特性。

因此，如图5所示，例如环境温度(Ta)为25℃的情况下，从被温度补偿加热器4加热的温度状态出发，上升至驱动时的加热温度(Th1)，施加图中的检测温度分布曲线L3那样的加热量，从而检测加热器3的加热量为图中的Ph。

另一方面，在环境温度(Ta)上升到80℃的情况下，像检测温度分布曲线L4那样使检测加热器3的温度变成比加热温度(Th1)更低的加热温度(Th1’)。借助于此，与温度补偿加热器4的内侧区域的温度下降相对应地使检测加热器3的加热温度(Th1)下降，因此加热量就为Ph’。在这种情况下，加热量Ph≒加热量Ph’，环境温度变化引起的检测加热器3的加热量的变动受到抑制，从而能够减小测量误差。

在以上说明的实施方式中，检测加热器3与温度补偿加热器4、以及与它们连接的配线17、18、19、20，在同一层而且是用相同的材料形成。借助于此，能够得到以下的效果。

如上所述，环境温度变动引起的检测加热器3的温度变化量由检测加热器3与配线17、18的电阻值之比决定。在半导体工艺中，通过对同一层的电阻膜进行蚀刻并图案化，从而形成多个电阻的情况下，能够提高这些电阻值比的精度。

例如，当电阻膜的膜厚发生变动时，由同一层的电阻膜形成的电阻同样地发生膜厚变动，但是维持了多个电阻体的电阻平衡。其结果是，能够减少检测加热器3与温度补偿加热器4与配线17、18、19、20的电阻平衡的偏差，使得环境温度变动引起的检测加热器3的温度变化量稳定化，减小批量生产时的个体差异。

在本实施方式中，对利用配线17、18、19、20的电阻温度变化，使检测加热器3的温度具有环境温度依存性的构成进行了说明，但作为配线电阻，除了利用单一材料形成外，多种材料组合的情况下也能够得到效果。在这种情况下，针对多个配线电阻，可根据电阻值、电阻温度系数、形成位置，通过求配线电阻的电阻温度变化来进行适当的设计。

还有，上述实施方式具有使检测加热器3的加热温度(Th1)对应于环境温度的上升而下降，由此将检测加热器3的加热温度(Th1)与温度补偿加热器4的加热温度(Th2)之差从ΔT缩小为ΔT’的特性。另一方面，还具有能够使温度补偿加热器4的加热温度(Th2)对应于环境温度的上升而增加，由此将检测加热器3的加热温度(Th1)与温度补偿加热器4的加热温度(Th2)之差从ΔT缩小到ΔT’的特性。

在图11中，在将检测加热器3的配线17、18及温度补偿加热器4的配线19、20设定为相同的电阻值(使配线长度与配线宽度相同)的状态下，从温度补偿加热器4的配线20的一部分引出配线25作为温度依存电阻，将该配线25的电极7e连接于形成温度补偿加热器4的桥式电路的电阻21d，由此能够使温度补偿加热器4的加热温度(Th2)对应于环境温度(Ta)的上升而增加。也就是说，在晶体管23b的发射极与温度补偿加热器4的固定电阻21d之间，连接配线25作为温度依存电阻。

图12表示本实施方式的检测加热器3与温度补偿加热器4相对于环境温度的变动的温度依存性。图12所示的加热温度(Th2)是温度补偿加热器4的温度变化，当环境温度(Ta)上升时，由于加热电流增加，加热温度(Th2)上升。因此，形成检测加热器3的加热温度(Th1)与温度补偿加热器4的加热温度(Th2)之差从ΔT缩小到ΔT’的特性，环境温度变化所引起的检测加热器3的加热量的变动得到抑制，能够减小测量误差。

如上所述，根据本发明的构成，检测加热器驱动电路与温度补偿加热器驱动电路对应于基板温度的上升而实施控制各加热电流的动作，以使检测加热器的加热温度与温度补偿加热器的加热温度之间的温度差缩小。

如果这样做，由于对应于温度补偿加热器的内侧区域的温度下降而调整检测加热器的加热温度，因此能够抑制环境温度变化引起的检测加热器的加热量的变动，减小测量误差。

还有，本发明不限于上述实施例，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了容易理解本发明而进行详细说明的例子，并不限定于具备说明过的全部构成的例子。又，可以将某一实施例的构成的一部分置换为其他实施例的构成，也可以在某一实施例的构成中增加其他实施例的构成。又，对于各实施例的构成的一部分，可以追加其他构成，或删减、置换。

符号说明

1…传感器元件、2…基板、3…检测加热器、4…温度补偿加热器、5…空洞部、6…薄膜支承体、7a～7d…电极、8a、8b…绝缘层、9…驱动电路、10、11…加热控制电路、12…校正运算电路、13…输出电路、14…温度传感器、15…压力传感器、16…感温元件、17、18、19、20、25…配线(温度依存电阻)、21a～21f…固定电阻、22a、22b…差动放大器、23a、23b…晶体管、24…电源。

Claims (9)

1.一种气体传感器装置，具备：形成于基板的一部分的薄膜部；形成于所述薄膜部的检测加热器；以围绕所述检测加热器的方式在所述薄膜部形成的温度补偿加热器；对所述检测加热器的加热温度进行控制的检测加热器加热控制电路；以及将所述温度补偿加热器的加热温度控制为比所述检测加热器的加热温度低的加热温度的温度补偿加热器加热控制电路，所述气体传感器装置根据所述检测加热器的散热量来测量气体的物理量，

所述气体传感器装置的特征在于，

所述检测加热器加热控制电路和所述温度补偿加热器加热控制电路与所述基板的温度上升相对应地控制各加热电流，以使所述检测加热器的加热温度与所述温度补偿加热器的加热温度之间的温度差缩小。

2.根据权利要求1所述的气体传感器装置，其特征在于，

所述检测加热器加热控制电路与所述温度补偿加热器加热控制电路对应于所述基板的温度上升而减小加热电流，使所述检测加热器与所述温度补偿加热器的温度下降，此时的加热电流以使所述检测加热器的温度比所述温度补偿加热器的温度降低得更多的方式下降。

3.根据权利要求2所述的气体传感器装置，其特征在于，

所述检测加热器加热控制电路是由以下桥式电路构成的，该桥式电路通过连接有所述检测加热器和温度依存电阻的第1臂、由串联连接于所述第1臂的固定电阻构成的第2臂、由固定电阻构成的第3臂、以及由串联连接于所述第3臂的固定电阻构成的第4臂所形成，

所述温度补偿加热器加热控制电路是由以下桥式电路构成的，该桥式电路通过连接有所述温度补偿加热器和温度依存电阻的第1臂、由串联连接于所述第1臂的固定电阻构成的第2臂、由固定电阻构成的第3臂、以及由串联连接于所述第3臂的固定电阻构成的第4臂所形成，

构成所述检测加热器加热控制电路的所述第1臂的所述温度依存电阻的电阻值大于构成所述温度补偿加热器加热控制电路的所述第1臂的所述温度依存电阻的电阻值。

4.根据权利要求3所述的气体传感器装置，其特征在于，

构成所述检测加热器加热控制电路的所述第1臂的所述检测加热器与所述温度依存电阻通过相同的材料形成在所述基板上，

构成所述温度补偿加热器加热控制电路的所述第1臂的所述温度补偿加热器与所述温度依存电阻通过与所述检测加热器相同的材料形成在所述基板上，

构成所述检测加热器加热控制电路的所述温度依存电阻的配线的宽度比构成所述温度补偿加热器加热控制电路的所述温度依存电阻的配线的宽度短。

5.根据权利要求4所述的气体传感器装置，其特征在于，

所述检测加热器加热控制电路的所述温度依存电阻与所述检测加热器的电阻值之比大于所述温度补偿加热器加热控制电路的所述温度依存电阻与所述温度补偿加热器的电阻值之比。

6.根据权利要求5所述的气体传感器装置，其特征在于，

所述检测加热器加热控制电路的所述温度依存电阻由形成于所述薄膜部的配线与形成在薄膜部以外的配线构成，将形成于所述薄膜部的配线的电阻值设为r1，形成在薄膜部以外并延伸到电极为止的配线的电阻值设为r2，

所述温度补偿加热器加热控制电路的所述温度依存电阻由形成于所述薄膜部的配线与形成在薄膜部以外的配线构成，将形成于所述薄膜部的配线的电阻值设为r3，形成在薄膜部以外并延伸到电极为止的配线的电阻值设为r4，

进一步地，将所述检测加热器的电阻值设为Rh，将所述温度补偿加热器的电阻值设为Rs时，(r1+r2)/(Rh)＞(r3+r4)/(Rs)的关系成立。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的气体传感器装置，其特征在于，

所述气体传感器装置被配置于内燃机的吸气通路内，对吸入空气的湿度进行测量。

8.一种气体传感器装置的加热电流控制方法，所述气体传感器装置具备：形成于基板的一部分的薄膜部；形成于所述薄膜部的检测加热器；以围绕所述检测加热器的方式在所述薄膜部形成的温度补偿加热器；对所述检测加热器的加热温度进行控制的检测加热器加热控制电路；以及将所述温度补偿加热器的加热温度控制为比所述检测加热器的加热温度低的加热温度的温度补偿加热器加热控制电路，所述气体传感器装置根据所述检测加热器的散热量来测量气体的物理量，

所述气体传感器装置的加热电流控制方法的特征在于，

所述检测加热器加热控制电路与所述温度补偿加热器加热控制电路对应于所述基板的温度上升地控制各加热电流，以使所述检测加热器的加热温度与所述温度补偿加热器的加热温度之间的温度差缩小。

9.根据权利要求8所述的气体传感器装置的加热电流控制方法，其特征在于，

所述检测加热器加热控制电路与所述温度补偿加热器加热控制电路对应于所述基板的温度上升而减小加热电流，使所述检测加热器与所述温度补偿加热器的温度下降，此时的加热电流以使所述检测加热器的温度比所述温度补偿加热器的温度降低得更多的方式下降。

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