DE112016004756T5

DE112016004756T5 - Gassensorvorrichtung und Heizstromsteuerverfahren für eine Gassensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112016004756T5
Application number: DE112016004756.8T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nakano; Masahiro Matsumoto; Yasuo Onose
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-07-26
Also published as: CN108369198B; US20180328872A1; WO2017090362A1; CN108369198A; US10712300B2; JP2017096856A; JP6499566B2

Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Gassensorvorrichtung zu schaffen, mit der eine sehr genaue Messleistung erreicht werden kann, selbst wenn Änderungen der Umgebungstemperatur bestehen. Die vorliegende Erfindung ist versehen mit: einer Detektionsheizvorrichtung (3), die in einem Dünnfilmteil ausgebildet ist; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung (4), die so ausgebildet ist, dass sie die Detektionsheizvorrichtung umgibt; einer Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung zum Steuern der Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung (3); und einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung zum Steuern der Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung auf eine Heiztemperatur, die niedriger ist als die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung. Die Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung und die Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung stellen die jeweiligen Heizströme in Reaktion auf eine Erhöhung der Temperatur eines Substrats ein, um eine Temperaturdifferenz zwischen der Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung (3) und der Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung (4) zu verringern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gassensorvorrichtung, die mit einem Sensorelement zum Detektieren von physikalischen Größen eines Gases versehen ist, und ein Verfahren zum Steuern von Heizströmen der Gassensorvorrichtung.
Stand der Technik
Eine Gassensorvorrichtung, die physikalische Größen wie z. B. die Feuchtigkeitskonzentration eines Gases misst, wird auf verschiedenen technischen Gebieten verwendet. Um Abgasregulierungen zu erfüllen und den Kraftstoffverbrauch zu verringern, werden beispielsweise physikalische Größen wie z. B. Feuchtigkeit, Druck und Temperatur der Einlassluft in Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge gemessen und die gemessenen physikalischen Größen ermöglichen die Bestimmung eines optimalen Betrags des Kraftstoffverbrauchs und der Zündzeit. Um die zunehmend engen Abgasregulierungen zu erfüllen, ist es ferner erforderlich, physikalische Größen eines Gases mit hoher Genauigkeit zu messen, um Brennkraftmaschinen optimal anzutreiben.
Als Beispiel einer solchen Gassensorvorrichtung offenbart JP 2011 - 137679 A (PTL 1) eine Gassensorvorrichtung, die ein Substrat mit einem hohlen Abschnitt; einen Dünnfilmträger mit mehreren Isolationsschichten, die im hohlen Abschnitt laminiert sind; und eine erste und eine zweite Heizvorrichtung, die durch die Isolationsschichten des Dünnfilmträgers eingelegt sind, umfasst. in dieser Gassensorvorrichtung ist die zweite Heizvorrichtung um die erste Heizvorrichtung angeordnet und die erste Heizvorrichtung wird so gesteuert, dass sie auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als jene der zweiten Heizvorrichtung. Auf der Basis einer Strahlungsmenge der ersten Heizvorrichtung werden physikalische Größen wie z. B. die Feuchtigkeit des Gases gemessen. Um Messfehler zu verringern, die durch Änderungen der Strahlungsmenge der ersten Heizvorrichtung verursacht werden, die durch Temperaturänderungen des Umgebungsgases verursacht werden, ist die zweite Heizvorrichtung dazu konfiguriert, eine Umgebungstemperatur der ersten Heizvorrichtung auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, um eine sehr genaue Messung zu ermöglichen.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2011-137679 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In einer Gassensorvorrichtung, die physikalische Größen von Einlassluft misst, die durch einen Einlassdurchgang einer Brennkraftmaschine hindurchtritt, ändert sich beispielsweise eine Umgebungstemperatur eines Orts, an dem die Gassensorvorrichtung angeordnet ist, stark in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, die durch Änderungen der Betriebsumgebung verursacht werden, und in Abhängigkeit von Antriebsbedingungen wie z. B. der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Einlassaufladung durch einen Lader. Daher erfordert eine Gassensorvorrichtung eine Messgenauigkeit, die gut genug ist, um auf Temperaturänderungen zu reagieren.
Die in PTL 1 offenbarte Gassensorvorrichtung verwendet die zweite Heizvorrichtung, um Messfehler zu verringern, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Um die Genauigkeit zu verbessern, ist ferner das, was wichtig ist, die Temperaturstabilität eines Bereichs, der durch die zweite Heizvorrichtung geheizt wird. Eine Heiztemperatur der zweiten Heizvorrichtung wird durch Messen eines Widerstandswerts der zweiten Heizvorrichtung detektiert und eine Wärmemenge wird zurückgeführt.
Eine große Änderung der Umgebungstemperatur verursacht jedoch eine Änderung der Temperaturverteilung, die durch die zweite Heizvorrichtung gebildet wird, und wirkt sich auf die erste Heizvorrichtung aus, die physikalische Größen eines Gases detektiert, was Messfehler verursacht. Außerdem schwankt die Heiztemperatur der zweiten Heizvorrichtung aufgrund von Temperaturcharakteristiken einer Temperatursteuerschaltung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neue Gassensorvorrichtung zu schaffen, die eine sehr genaue Messung selbst bei Änderungen der Umgebungstemperatur ermöglicht, und ein Verfahren zum Steuern von Heizströmen der Gassensorvorrichtung zu schaffen.
Lösung für das Problem
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Gassensorvorrichtung, die physikalische Größen eines Gases auf der Basis eines Dünnfilms, der in einem Teil eines Substrats ausgebildet ist, einer Detektionsheizvorrichtung, die im Dünnfilm ausgebildet ist; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung, die im Dünnfilm so ausgebildet ist, dass sie die Detektionsheizvorrichtung umgibt; einer Detektionsheizvorrichtungsansteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung zu steuern; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsansteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung so zu steuern, dass sie auf eine Heiztemperatur festgelegt wird, die niedriger ist als die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung; und einer Strahlungsmenge der Detektionsheizvorrichtung misst, wobei jede der Detektionsheizvorrichtungsansteuerschaltung und der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsansteuerschaltung einen Heizstrom steuert, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung und der Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung sich in Reaktion auf einen Anstieg der Temperatur des Substrats verringert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Heiztemperatur einer Detektionsheizvorrichtung in Reaktion auf eine Temperaturverringerung eines inneren Bereichs einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung eingestellt, so dass es möglich ist, Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung zu unterdrücken, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, was Messfehler verringert.
Figurenliste

[1] 1 ist eine Draufsicht eines Sensorelements einer Gassensorvorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird.
[2] 2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Sensorelements entlang der Linie X-X.
[3] 3 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung des in 1 gezeigten Sensorelements zeigt.
[4] 4 ist eine erläuternde Ansicht, die zeigt, dass das Sensorelement geheizt wird.
[5] 5 ist eine erläuternde Ansicht, die zeigt, dass ein Sensorelement der vorliegenden Erfindung überhitzt wird.
[6] 6 ist eine erläuternde Ansicht, die ferner Temperaturänderungen des Sensorelements der vorliegenden Erfindung zeigt.
[7] 7 ist eine erläuternde Ansicht, die Temperaturänderungen des ganzen Sensorelements der vorliegenden Erfindung zeigt.
[8] 8 ist eine Draufsicht eines Sensorelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[9] 9 ist ein Schaltplan, der eine Ansteuerschaltung des in 8 gezeigten Sensorelements zeigt.
[10] 10 ist eine erläuternde Ansicht, die die Temperaturabhängigkeit relativ zu Änderungen der Umgebungstemperatur in der in 8 gezeigten Ausführungsform zeigt.
[11] 11 ist eine Draufsicht eines Sensorelements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[12] 12 ist eine erläuternde Ansicht, die die Temperaturabhängigkeit relativ zu Änderungen der Umgebungstemperatur in der in 11 gezeigten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsform
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgende Ausführungsform begrenzt und umfasst verschiedene Modifikationen und Anwendungen im technischen Konzept der vorliegenden Erfindung.
Vor dem Beschreiben der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend eine Konfiguration einer typischen Gassensorvorrichtung und Probleme davon beschrieben. 1 zeigt eine Ebene eines Sensorelements in einer typischen Gassensorvorrichtung und 2 zeigt einen Querschnitt von 1 entlang der Linie X-X. Nachstehend wird ein Sensorelement in einer Gassensorvorrichtung mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass ein Feuchtigkeitssensor zum Messen einer Menge an Wasser, das in Luft enthalten ist, nachstehend als Beispiel beschrieben wird.
In 1 und 2 umfasst ein Sensorelement 1 ein Substrat 2, das aus Einkristallsilizium gebildet ist. Das Substrat 2 ist mit einem hohlen Abschnitt 5 ausgebildet. In diesem hohlen Abschnitt 5 sind eine Detektionsheizvorrichtung 3, die als erste Heizvorrichtung dient, und eine Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4, die als zweite Heizvorrichtung dient, verlegt. Ferner ist ein Dünnfilmträger 6, der diese Heizvorrichtungen 3 und 4 trägt, so ausgebildet, dass er den hohlen Abschnitt 5 des Substrats 2 bedeckt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Dünnfilmträger 6 Isolationsschichten 8a und 8b, die auf eine obere Oberfläche des Substrats 2 laminiert sind. Zwischen diese Isolationsschichten 8a und 8b sind die Detektionsheizvorrichtung 3 und die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 eingefügt und abgestützt. Die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 ist so angeordnet, dass sie die Detektionsheizvorrichtung 3 umgibt. Ferner bestehen die Detektionsheizvorrichtung 3 und die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 aus Widerständen mit feiner Breite, die sich entlang der Ebene des Dünnfilmträgers 6 erstrecken und mehrere gefaltete Abschnitte aufweisen.
Da die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 so angeordnet ist, dass sie die Detektionsheizvorrichtung 3 in dieser Weise umgibt, wird eine Umgebungstemperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 auf einer Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 gehalten, was die Verringerung von Einflüssen aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur (Ta) ermöglicht. Die Detektionsheizvorrichtung 3 und die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 sind mit Elektroden 7a, 7b, 7c und 7d, die auf dem Substrat 2 ausgebildet sind, zur Verbindung mit einer externen Schaltung elektrisch verbunden.
Die Detektionsheizvorrichtung 3 und die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 umfassen dasselbe Material. Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Silizium (Si) werden beispielsweise als Materialien mit Stabilität bei hohen Temperaturen (Materialien mit hohen Schmelzpunkten) ausgewählt. Im Hinblick auf die Isolationsschichten 8a und 8b sind Siliziumoxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) in einem Zustand einer einzelnen Schicht oder laminierten Schicht angeordnet. Außerdem können Harzmaterialien wie z. B. Polyimid oder Keramiken oder Glas in einem Zustand einer einzelnen Schicht oder laminierten Schicht als Isolationsschichten 8a und 8b angeordnet sein. Im Hinblick auf die Elektroden 7a, 7b, 7c und 7d wird Aluminium (Al) oder dergleichen verwendet.
Das Sensorelement 1 wird durch eine Halbleitermikrofertigungstechnologie unter Verwendung von Photolithographie und durch anisotrope Ätztechnologie ausgebildet. Der hohle Abschnitt 5 wird als Einkristallsiliziumsubstrat 2 ausgebildet, wird anisotropem Ätzen, isotropem Ätzen oder dergleichen unterzogen. Um die Elektroden 7a bis 7d zu schützen, ist es bevorzugt, eine Schutzschicht auf einer Oberfläche des Sensorelements 1 auszubilden und dann anisotropes Ätzen durchzuführen.
Wie in 2 gezeigt, wird ein geheiztes Gebiet der Heiztemperatur (Th2) in einem inneren Bereich durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung4 gebildet und ein geheiztes Gebiet einer Heiztemperatur (Th1) wird in einem proximalen Bereich der Detektionsheizvorrichtung 3 gebildet. Folglich ist das geheizte Gebiet der Heiztemperatur (Th1) im geheizten Gebiet der Heiztemperatur (Th2) enthalten, was ermöglicht, Einflusse der Umgebungstemperatur im geheizten Gebiet der Heiztemperatur (Th1) zu verringern.
3 zeigt eine Ansteuerschaltung der Gassensorvorrichtung. Eine Ansteuerschaltung 9 des Sensorelements 1 umfasst zumindest Heizsteuerschaltungen 10 und 11, eine Korrekturberechnungsschaltung 12 und eine Ausgabeschaltung 13. Die Heizsteuerschaltung 10 detektiert eine Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 und liefert Heizströme, die durch Rückkopplung gesteuert werden, um die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 auf der Heiztemperatur (Th1) zu halten. Außerdem ist die Heizsteuerschaltung 10 mit einem temperaturempfindlichen Element 16 zum Detektieren der Umgebungstemperatur (Ta) verbunden. Ferner detektiert die Heizsteuerschaltung 11 eine Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und liefert Heizströme, die durch Rückkopplung gesteuert werden, um die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 auf der Heiztemperatur (Th2) zu halten.
Ein Signal, das einer Wärmemenge oder Feuchtigkeit entspricht, der Detektionsheizvorrichtung 3 in der Heizsteuerschaltung 10 wird in die Korrekturberechnungsschaltung 12 eingegeben. Außerdem wird ein Signal von der Heizsteuerschaltung 11 in die Korrekturberechnungsschaltung 12 eingegeben. Diese Signale können beispielsweise verwendet werden, um einen Betriebszustand zu überwachen. Mit der Eingabe von Detektionswerten eines Temperatursensors 14 und eines Drucksensors 15, die separat von der Korrekturberechnungsschaltung 12 vorgesehen sind, ist ferner die Korrekturberechnungsschaltung 12 zur Wechselwirkungskorrektur von Detektionswerten hinsichtlich Feuchtigkeit, Temperatur, Druck und dergleichen in der Lage. Da diese Korrektur nicht direkt mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht, wird auf die Beschreibung davon verzichtet. Ein Ausgangssignal der Korrekturberechnungsschaltung 12 wird zur Ausgabeschaltung 13 übertragen und wird in ein analoges Signal oder ein digitales Signal zur Kommunikation umgesetzt und das umgesetzte Signal wird nach außen übertragen.
Die Heizsteuerschaltung 10 detektiert eine Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 und liefert Heizströme, um die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 auf der Heiztemperatur (Th1) zu halten. Ebenso detektiert die Heizsteuerschaltung 11 eine Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und liefert Heizströme, um die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 auf der Heiztemperatur (Th2) zu halten. Die Heiztemperatur (Th1) ist beispielsweise etwa 500 °C und die Heiztemperatur (Th2) ist etwa 300 °C.
Nachstehend werden Temperaturverteilungen der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 beschrieben, die in der vorstehend erwähnten Weise gesteuert werden. Die Umgebungstemperatur (Ta) ist eine Temperatur einer Umgebung, in der das Sensorelement 1 angeordnet ist. Die Gassensorvorrichtung in dieser Ausführungsform ist dazu konfiguriert, die Feuchtigkeit von Einlassluft einer Brennkraftmaschine zu messen, so dass die Gassensorvorrichtung in einem Einlassdurchgang angeordnet ist, durch den die Einlassluft strömt. Es sollte beachtet werden, dass das Sensorelement 1 in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Einlassluft nicht strömt, da eine Strahlungsmenge stark schwankt, wenn das Sensorelement 1 durch eine Strömung der Einlassluft beeinflusst wird.
Es ist bekannt, dass die vorstehend erwähnte Umgebungstemperatur (Ta) zwischen - 40 °C und + 125 °C schwankt, wenn eine Gassensorvorrichtung in einem Einlassdurchgang einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordnet ist. Bei solchen Änderungen der Umgebungstemperatur wird daher die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 im Wesentlichen auf der Heiztemperatur (Th2) gehalten, selbst wenn die Umgebungstemperatur (Ta) schwankt. Außerdem wird die Detektionsheizvorrichtung 3 auf die Heiztemperatur (Th1) geheizt, die höher ist als die Heiztemperatur (Th2).
Hier werden eine Strahlungsmenge Q1 von der Detektionsheizvorrichtung 3 zur Einlassluft und eine Strahlungsmenge Q2 von der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 zur Einlassluft ungefähr durch die folgenden Formeln dargestellt. $Q1= λ \cdot S_{1} \cdot (Th1-Th2)$
$Q2= λ \cdot S_{2} \cdot (Th2-Ta)$
Es sollte beachtet werden, dass λ ein Parameter ist, der von der Wärmeleitfähigkeit von Luft abhängt und sich mit der Feuchtigkeit ändert. S1 stellt eine Wärmestrahlungsfläche der Detektionsheizvorrichtung dar und S2 stellt eine Wärmestrahlungsfläche der Temperaturkompensationsheizvorrichtung dar.
Wie aus den obigen Formeln zu sehen ist, schwankt, wenn sich die Umgebungstemperatur (Ta) ändert, die Strahlungsmenge Q2 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4, aber die Detektionsheizvorrichtung 3 ist einer Umgebung der im Wesentlichen konstanten Heiztemperatur (Th2) ausgesetzt, so dass die Strahlungsmenge Q1 der Detektionsheizvorrichtung 3 als nicht durch die Umgebungstemperatur (Ta) beeinflusst betrachtet werden kann. Wenn die Heiztemperatur (Th1) und die Heiztemperatur (Th2) konstant sind, hängt daher die Strahlungsmenge Q1 der Detektionsheizvorrichtung 3 von λ ab. Da sich λ mit der Feuchtigkeit ändert, basiert die Strahlungsmenge Q1 auf der Feuchtigkeit.
Nachstehend werden Probleme in einer Gassensorvorrichtung beschrieben, die solche Operationen durchführt. 4 zeigt, dass die durch Heizen von der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 gebildete Temperaturverteilung sich auf der Basis der Umgebungstemperaturen ändert.
In 4 stellt L1 eine kompensierte Temperaturverteilungslinie dar, die ein Ausmaß an Anstieg der Temperatur zeigt, der durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verursacht wird, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 25 °C ist. L2 stellt eine kompensierte Temperaturverteilungslinie dar, die ein Ausmaß an Anstieg der Temperatur zeigt, der durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verursacht wird, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 80 °C ist. Hier sind die kompensierten Temperaturverteilungslinien L1 und L2 äquivalent zu einer Temperaturverteilung, wenn nur die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 Wärme erzeugt, während die Detektionsheizvorrichtung 3 das Heizen stoppt.
Beim Vergleich der kompensierten Temperaturverteilungslinie L1 mit der kompensierten Temperaturverteilungslinie L2 werden beide Linien in der Position auf der Heiztemperatur (Th2) gehalten, in der die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 angeordnet ist. Im inneren Bereich, der von der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 umgeben ist, nimmt jedoch, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) auf 80 °C ansteigt, die Temperatur in dem inneren Bereich, der von der Temperaturkompensationsheizvorrichtung4 umgeben ist, gewöhnlich im Vergleich zu einem Fall ab, in dem die Umgebungstemperatur (Ta) 25 °C ist. Wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, wird ferner die Tendenz von Temperaturänderungen in der kompensierten Temperaturverteilungslinie L2 sanfter als in der kompensierten Temperaturverteilungslinie L1 und die durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 gebildete Temperaturverteilung ändert sich. Da die Detektionsheizvorrichtung 3 einwärts durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 umgeben ist, wird daher die Detektionsheizvorrichtung 3 durch die vorstehend erwähnten Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflusst.
Beim Ansteuern der Detektionsheizvorrichtung 3 steigt ein Zustand der Temperatur, die durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geheizt wird, auf die Heiztemperatur (Th1) zur Zeit der Ansteuerung der Detektionsheizvorrichtung 3 an und eine Wärmemenge, wie durch eine detektierte Temperaturverteilungslinie L3 in der Zeichnung dargestellt, wird hinzugefügt. Wenn die Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 ein fester Wert ist, ist die Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 in der Zeichnung Ph bei der Umgebungstemperatur (Ta) gleich 25 °C. Andererseits nimmt bei der Umgebungstemperatur (Ta) gleich 80 °C die Temperatur im inneren Bereich der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 ab, so dass die Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 auf Ph' zunimmt.
Da die Feuchtigkeit von Änderungen der Wärmemenge (= Strahlungsmenge Q1) der Detektionsheizvorrichtung 3 abhängt, verursachen daher in diesen Weisen die Änderungen der Umgebungstemperatur Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3, was Messfehler der Feuchtigkeit erzeugt.
Um die Messfehler zu verringern, die durch die Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, schlägt die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration vor, wie in 5 bis 10 gezeigt.
Zuerst wird das Konzept der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 5 beschrieben. Wie vorstehend beschrieben, stellt die kompensierte Temperaturverteilungslinie L1 die kompensierte Temperaturverteilungslinie dar, die das Ausmaß an Anstieg der Temperatur zeigt, der durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verursacht wird, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 25 °C ist. Ferner stellt die kompensierte Temperaturverteilungslinie L2 die kompensierte Temperaturverteilungslinie dar, die das Ausmaß an Anstieg der Temperatur zeigt, der durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verursacht wird, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 80 °C ist.
Beim Ansteuern der Detektionsheizvorrichtung 3, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 25 °C ist, steigt der Zustand der Temperatur, die durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geheizt wird, auf die Heiztemperatur (Th1) zur Zeit der Ansteuerung der Detektionsheizvorrichtung 3 an und die Wärmemenge, wie durch die detektierte Temperaturverteilungslinie L3 in der Zeichnung dargestellt, wird hinzugefügt, so dass die Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 in der Zeichnung zu Ph äquivalent wird.
Wenn andererseits die Umgebungstemperatur (Ta) auf 80 °C ansteigt, wird die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 geändert und auf eine Heiztemperatur (Th1') eingestellt, die niedriger ist als die Heiztemperatur (Th1), wie in einer detektierten Temperaturverteilungslinie L4. Folglich wird die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 in Reaktion auf eine Temperaturabnahme des inneren Bereichs der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verringert, so dass die Wärmemenge zu Ph' äquivalent wird. In diesem Fall gilt Wärmemenge Ph ≈ Wärmemenge Ph'. Folglich ist es möglich, Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 zu unterdrücken, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, was zur Verringerung von Messfehlern führt.
6 zeigt Temperaturänderungen der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur (Ta). In dieser Ausführungsform wird, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, die Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 so gesteuert, dass sie im Wesentlichen konstant ist, aber die Detektionsheizvorrichtung 3 weist eine negative Temperaturabhängigkeit auf, so dass die Heiztemperatur (Th1) zusammen mit dem Anstieg der Umgebungstemperatur (Ta) auf die Heiztemperatur (Th1') abnimmt. Mit anderen Worten, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, verringert sich die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 auf ΔT'.
7 zeigt einen Änderungszustand der Temperaturverteilungen des ganzen Sensorelements 1 in dieser Ausführungsform. Wenn die Feuchtigkeit gemessen wird, werden sowohl die Detektionsheizvorrichtung 3 als auch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 so angesteuert, dass die Temperaturverteilungen eine Spitze in der Position der Detektionsheizvorrichtung 3 aufweisen. Wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, ändert sich die Heiztemperatur (Th2) in der Position der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geringfügig, während die Temperatur in der Position der Detektionsheizvorrichtung 3 weitgehend von der Heiztemperatur (Th1) auf die Heiztemperatur (Th1') abfällt. Eine solche Temperaturabhängigkeit einer Temperaturverteilung ermöglicht eine sehr genaue Messung.
Hier ist die Umgebungstemperatur (Ta) vorzugsweise eine Temperatur, die vom Substrat 2 detektiert wird, das auf einer Umgebungstemperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 liegt. Daher wird in dieser Ausführungsform die Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 durch die Temperatur des Substrats 2 gesteuert. Die Temperatur des Substrats 2 kann durch Ändern des Widerstandswerts einer Brückenschaltung, die in der Heizsteuerschaltung der Detektionsheizvorrichtung 3 enthalten ist, in Abhängigkeit von Temperaturen gesteuert werden.
Daher reicht es aus, einen temperaturabhängigen Widerstand auf dem Substrat des Sensorelements 1 auszubilden, der wich wie ein Widerstand der Brückenschaltung verhält, die die Temperatur des Substrats 3 detektiert. Brauchbare Beispiele des temperaturabhängigen Widerstandes umfassen eine Si-Diffusionsschicht mit einem hohen Widerstandstemperaturkoeffizienten, polykristallines Silizium, Platin und Mo. In dieser Ausführungsform ist der temperaturabhängige Widerstand aus demselben Material wie die Detektionsheizvorrichtung 3 von einem Herstellungsgesichtspunkt ausgebildet.
Als Verfahren zum Detektieren der Umgebungstemperatur (Ta) kann hier ein Thermistor oder dergleichen, der separat vom Sensorelement 1 vorgesehen ist, verwendet werden. In einem Fall, in dem der Thermistor separat vorgesehen ist, kann sich jedoch eine Umgebungstemperatur des Sensorelements 1 von einer Temperatur des Thermistors aufgrund einer plötzlichen Änderung der Umgebungstemperatur oder Wärmeleitung von der Außenseite der Sensorvorrichtung unterscheiden. Für den Zweck einer höheren Genauigkeit ist es daher bevorzugt, die Temperatur des Substrats zu verwenden, die durch den temperaturabhängigen Widerstand detektiert wird, der auf dem Sensorelement 1 ausgebildet ist.
Wie vorstehend beschrieben, wenn die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 auf der im Wesentlichen konstanten Heiztemperatur (Th2) in Reaktion auf die Änderungen der Umgebungstemperatur (Ta) gehalten wird, verringert ein Anstieg der Umgebungstemperatur (Ta) gewöhnlich die Temperatur im inneren Bereich der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4. Ein Ausmaß der Verringerung dieser Temperatur ändert sich auf der Basis einer Form des Sensorelements 1, einer Größe der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4, einer Positionsbeziehung zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und dergleichen. Daher ist es bevorzugt, dass die Heiztemperatur (Th1, Th1') der Detektionsheizvorrichtung 3, die sich auf der Basis der Umgebungstemperatur (Ta) ändert, in Abhängigkeit von der Form des Sensorelements 1, der Größe und der Position der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geeignet festgelegt wird.
Auf der Basis des vorstehend erwähnten Konzepts dieser Ausführungsform wird nachstehend eine spezielle Konfiguration dieser Ausführungsform mit Bezug auf 8 bis 10 beschrieben.
8 zeigt eine Konfiguration des Sensorelements 1 gemäß dieser Ausführungsform. Die Detektionsheizvorrichtung 3 ist mit den Elektroden 7a und 7b verbunden, die durch einen Draht 17, der auf dem Dünnfilmträger 6 am hohlen Abschnitt 5 angeordnet ist, und durch einen Draht 18, der auf dem Substrat 2 angeordnet ist, herausgezogen sind. Die Drähte 17 und 18 umfassen dasselbe Material wie die Detektionsheizvorrichtung 3. Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Silizium (Si) werden beispielsweise ausgewählt. Mit anderen Worten, die Drähte 17 und 18 funktionieren als temperaturabhängige Widerstände. Nachstehend können die Drähte 17 und 18 auch als temperaturabhängige Widerstände 17 und 18 bezeichnet werden. Ferner weisen die temperaturabhängigen Widerstände 17 und 18 einen solchen Effekt bei der Herstellung auf, dass diese Elemente gleichzeitig mit der Detektionsheizvorrichtung 3 in denselben Herstellungsprozessen hergestellt werden können.
Ebenso ist die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 so angeordnet, dass sie die Detektionsheizvorrichtung 3 von außen umgibt, und ist mit den Elektroden 7c und 7d verbunden, die durch einen Draht 19, der auf dem Dünnfilmträger 6 am hohlen Abschnitt 5 angeordnet ist, und durch einen Draht 20, der auf dem Substrat 2 angeordnet ist, herausgezogen sind. Die Drähte 19 und 20 umfassen dasselbe Material wie die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4. Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Silizium (Si) werden beispielsweise ausgewählt. Mit anderen Worten, die Drähte 19 und 20 funktionieren als temperaturabhängige Widerstände. Nachstehend können die Drähte 19 und 20 auch als temperaturabhängige Widerstände 19 und 20 bezeichnet werden. Wie ähnlich zur Detektionsheizvorrichtung 3 weisen ferner die temperaturabhängigen Widerstände 19 und 20 auch einen solchen Effekt bei der Herstellung auf, dass diese Elemente gleichzeitig mit der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 in denselben Herstellungsprozessen hergestellt werden können.
Nachstehend werden Breiten der Drähte 17, 18, 19 und 20 in einer solchen Weise bestimmt, dass der Widerstandswert der Drähte 17 und 18 zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und den Elektroden 7a, 7b größer wird als der Widerstandswert der Drähte 19 und 20 zwischen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und den Elektroden 7c, 7d. Mit anderen Worten, wie aus 8 zu sehen ist, ist jede Breite W2 der Drähte 17 und 18 schmäler als jede Breite W1 der Drähte 19 und 20. Der Grund für diese Anordnung wird mit Bezug auf 9 im Einzelnen erläutert.
9 zeigt eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in dieser Ausführungsform. Die Detektionsheizvorrichtung 3, mit der die temperaturabhängigen Widerstände (Drähte) 17, 18 verbunden sind, ist zusammen mit festen Widerständen 21a, 21b und 21c in einer Brückenschaltung oder einer Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten. Die Brückenschaltung umfasst eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Seite, mit der die Detektionsheizvorrichtung 3 und die temperaturabhängigen Widerstände (Drähte) 17, 18 in Reihe geschaltet sind, und einer zweiten Seite mit dem festen Widerstand 21c, der mit der ersten Seite in Reihe geschaltet ist, besteht. Die Brückenschaltung umfasst eine andere Reihenschaltung, in der eine dritte Seite des festen Widerstandes 21a und eine vierte Seite des festen Widerstandes 21b in Reihe geschaltet sind.
Ein Potential zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 mit den temperaturabhängigen Widerständen 17, 18 und dem festen Widerstand 21c (ein Potential zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite) und ein Potential zwischen den festen Widerständen 21a und 21b (ein Potential zwischen der dritten Seite und der vierten Seite) werden in einen Differenzverstärker 22a eingegeben. Der Differenzverstärker 22a gibt eine Spannung aus, die einer Differenz zwischen Eingangsspannungen in eine Basiselektrode eines Transistors 23a entspricht. Der Transistor 23a steuert Ströme, die zwischen einem Kollektor und einem Emitter fließen, auf der Basis des Ausgangswerts des Differenzverstärkers 22a. Die Emitterelektrode des Transistors 23a ist zwischen die Detektionsheizvorrichtung 3 und den festen Widerstand 21a geschaltet und die Kollektorelektrode davon ist mit einer Leistungsversorgung 24 verbunden. Mit dieser Konfiguration wird die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 durch Rückkopplung gesteuert und auf etwa 500 °C festgelegt.
Die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 wird in einer solchen Weise festgelegt, dass ein Widerstandswertverhältnis zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und dem festen Widerstand 21c vom bekannten Widerstandstemperaturkoeffizienten der Detektionsheizvorrichtung 3 zu 500 °C mit einem Widerstandswertverhältnis zwischen dem festen Widerstand 21a und dem festen Widerstand 21b übereinstimmt. Wenn die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 niedriger ist als 500 °C, wird der Transistor 23a eingeschaltet, um Heizströme zu erhöhen.
Ebenso ist die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4, mit der die temperaturabhängigen Widerstände (Drähte) 19, 20 verbunden sind, zusammen mit festen Widerständen 21d, 21e und 21f in einer Brückenschaltung oder einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten. Die Brückenschaltung umfasst eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Seite, mit der die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und die temperaturabhängigen Widerstände (Drähte) 19, 20 in Reihe geschaltet sind, und einer zweiten Seite mit dem festen Widerstand 21f, der mit der ersten Seite in Reihe geschaltet ist, besteht. Die Brückenschaltung umfasst eine weitere Reihenschaltung, in der eine dritte Seite des festen Widerstandes 21d und eine vierte Seite des festen Widerstandes 21e in Reihe geschaltet sind.
Ein Potential zwischen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 mit den temperaturabhängigen Widerständen 19, 20 und dem festen Widerstand 21f (ein Potential zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite) und ein Potential zwischen den festen Widerständen 21d und 21e (ein Potential zwischen der dritten Seite und der vierten Seite) werden in einen Differenzverstärker 22b eingegeben. Der Differenzverstärker 22b gibt eine Spannung aus, die einer Differenz zwischen Eingangsspannungen in eine Basiselektrode eines Transistors 23b entspricht. Der Transistor 23b steuert Ströme, die zwischen einem Kollektor und einem Emitter fließen, auf der Basis des Ausgangswerts des Differenzverstärkers 22b. Die Emitterelektrode des Transistors 23b ist zwischen die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und den festen Widerstand 21d geschaltet und die Kollektorelektrode davon ist mit der Leistungsversorgung 24 verbunden. Mit dieser Konfiguration wird die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 durch Rückkopplung gesteuert und auf etwa 300 °C festgelegt.
Die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 wird in einer solchen Weise festgelegt, dass ein Widerstandswertverhältnis zwischen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und dem festen Widerstand 21f vom bekannten Widerstandstemperaturkoeffizienten der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 zu 300 °C mit einem Widerstandswertverhältnis zwischen dem festen Widerstand 21d und dem festen Widerstand 21e übereinstimmt. Wenn die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 niedriger ist als 300 °C, wird der Transistor 23b eingeschaltet, um die Heizströme zu erhöhen.
In einer solchen Konfiguration der Brückenschaltung, wie vorstehend beschrieben, werden die Heizströme so gesteuert, dass ein Gesamtwiderstandswert mit der Detektionsheizvorrichtung 3 und den temperaturabhängigen Widerständen 17, 18 konstant wird. Der Gesamtwiderstandswert Rh' der Detektionsheizvorrichtung 3 mit den temperaturabhängigen Widerständen 17 und 18 ist in der folgenden Formel ausgedrückt: Rh' = Rh + r17 + r18. Hier stellt Rh den Widerstandswert der Detektionsheizvorrichtung 3 dar, r17 stellt den Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 17 dar und r18 stellt den Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 18 dar. Der Widerstandswert Rh der Detektionsheizvorrichtung 4 ist der Widerstandswert des Bereichs, der von der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 umgeben ist.
Auf der Basis der Messergebisse an den Temperaturverteilungen des Sensorelements 1 wird hier festgestellt, dass die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 18 oder des Drahts, der auf dem Substrat 2 angeordnet ist, von der Umgebungstemperatur (Ta) abhängt und die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 17 oder des Drahts, der auf dem Dünnfilmträger 6 angeordnet ist, als Zwischentemperatur zwischen der Temperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und der Umgebungstemperatur (Ta) betrachtet wird. Unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit jedes Widerstandes wird der Gesamtwiderstand Rh' der Detektionsheizvorrichtung 3 durch die folgende Formel ausgedrückt.
[Mathematische Formel 1] $R_{h}^{'} = R_{h} (1 + α T_{h 1}) + r_{17} (1 + α \frac{T_{h 2} - T_{a}}{2}) + r_{18} (1 + α T_{a})$
Es sollte beachtet werden, dass α den Widerstandstemperaturkoeffizienten darstellt, Th1 die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 darstellt, Th2 die Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 darstellt und Ta die Umgebungstemperatur (die Temperatur des Substrats 2) darstellt.
Beim Ansteuern der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 fließen Heizströme in jeder Brückenschaltung und die Heiztemperatur Th1 der Detektionsheizvorrichtung 3 und die Heiztemperatur Th2 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 werden erhöht und auf Rh' gehalten, wenn die Überhitzungstemperatur Th1 der Detektionsheizvorrichtung 3 auf 500 °C liegt und die Heiztemperatur Th2 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 auf 300 °C liegt.
In der obigen Formel erhöht ein Anstieg der Umgebungstemperatur (Ta) die Temperaturen der Drähte 17 und 18 oder der temperaturabhängigen Widerstände und erhöht Werte des zweiten und des dritten Terms auf der rechten Seite. Um den Gesamtwiderstandswert Rh' konstant zu machen, nehmen folglich die Heizströme ab, wenn die Heiztemperatur Th1 der Detektionsheizvorrichtung 3 abnimmt.
Im Hinblick auf die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 wird ebenso ein Gesamtwiderstandswert Rs' der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 durch die folgende Formel ausgedrückt.
[Mathematische Formel 2] $R_{s}^{'} = R_{s} (1 + α T_{h 2}) + r_{19} (1 + α \frac{T_{h 2} - T_{a}}{2}) + r_{20} (1 + α T_{a})$
Es sollte beachtet werden, dass Rs den Widerstandswert der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 darstellt, α den Widerstandstemperaturkoeffizienten darstellt, Th2 die Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 darstellt und Ta die Umgebungstemperatur (die Temperatur des Substrats 2) darstellt.
Wie aus der obigen Formel zu sehen ist, führt das Ansteuern der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 zu einem Anstieg der Umgebungstemperatur (Ta), was die Temperaturen der Drähte 19 und 20 erhöht oder der temperaturabhängigen Widerstände erhöht und Werte des zweiten und dritten Terms auf der rechten Seite erhöht. Um den Gesamtwiderstandswert Rs' konstant zu machen, nehmen folglich die Heizströme ab, wenn die Heiztemperatur Th2 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 abnimmt.
Wie vorstehend beschrieben, schwankt, wenn die temperaturabhängigen Widerstände 17 und 18 mit der Detektionsheizvorrichtung 3 verbunden sind, die Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 in Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen. Wenn die temperaturabhängigen Widerstände 19 und 20 mit der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 verbunden sind, schwankt ebenso die Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 in Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen.
In dieser Ausführungsform sind Änderungen der Heiztemperatur Th2 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4, die durch die temperaturabhängigen Widerstände 19 und 20 verursacht werden, klein festgelegt und umgekehrt sind Änderungen der Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3, die durch die temperaturabhängigen Widerstände 17 und 18 verursacht werden, größer festgelegt als die Temperaturänderungen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4.
Insbesondere können der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstände 17, 18 und der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstände 19, 20 so festgelegt werden, dass eine Beziehung von (r17 + r18)/(Rh) > (r19 + r20)/(Rs) hergestellt wird, wobei (r17 + r18)/(Rh) ein Widerstandswertverhältnis zwischen den temperaturabhängigen Widerständen 17, 18 und der Detektionsheizvorrichtung 3 darstellt und ebenso (r19 + r20)/(Rs) ein Widerstandswertverhältnis zwischen den temperaturabhängigen Widerständen 19, 20 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 darstellt.
In dieser Ausführungsform ist daher die Breite W2 der Drähte 17, 18 schmäler ausgebildet als die Breite W1 der Drähte 19, 20, wie in 8 gezeigt, so dass der Widerstandswert der Drähte 17, 18 zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und den Elektroden 7a, 7b größer wird als der Widerstandswert der Drähte 19, 20 zwischen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und den Elektroden 7c, 7d. Folglich ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit der Detektionsheizvorrichtung 3 in Bezug auf Schwankungen der Umgebungstemperatur zu erhöhen.
10 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Detektionsheizvorrichtung 3 und jene der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 gemäß dieser Ausführungsform in Bezug auf Änderungen der Umgebungstemperatur. Die Heiztemperatur (Th2), die in 10 gezeigt ist, stellt Temperaturänderungen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 dar. Wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, nimmt der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstände 19 und 20 oder der Drähte zu und die Heizströme nehmen ab, was die Heiztemperatur (Th2) verringert.
Im Hinblick auf die Heiztemperatur (Th1) stellt sie Temperaturänderungen der Detektionsheizvorrichtung 3 dar. Wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, nimmt der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstände 17 und 18 oder der Drähte zu und die Heizströme nehmen ab, was die Heiztemperatur (Th1) verringert. Wie aus der obigen Beschreibung verständlich ist, ist das Ausmaß der Verringerung der Heiztemperatur (Th1) größer als jenes in der Heiztemperatur (Th2), so dass eine Differenz zwischen der Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 sich von ΔT auf ΔT' verringert.
Wie in 5 gezeigt, beispielsweise wenn die Umgebungstemperatur (Ta) 25 °C ist, steigt daher der Zustand der Temperatur, die durch die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geheizt wird, auf die Heiztemperatur (Th1) zur Zeit der Ansteuerung an und eine Wärmemenge, wie durch die detektierte Temperaturverteilungslinie L3 in der Zeichnung dargestellt, wird hinzugefügt, so dass die Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 in der Zeichnung äquivalent zu Ph wird.
Wenn andererseits die Umgebungstemperatur (Ta) auf 80 °C ansteigt, ändert sich die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung 3 auf die Heiztemperatur (Th1'), die niedriger ist als die Heiztemperatur (Th1), wie in der detektierten Temperaturverteilungslinie L4. Folglich nimmt die Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 in Reaktion auf eine Temperaturverringerung des inneren Bereichs der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 ab, so dass die Wärmemenge zu Ph' äquivalent wird. In diesem Fall gilt Wärmemenge Ph ≈ Wärmemenge Ph', so dass es möglich ist, Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, zu unterdrücken, was die Verringerung von Messfehlern ermöglicht.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Detektionsheizvorrichtung 3, die Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und die Drähte 17, 18, 19 und 20, die mit diesen Heizvorrichtungen verbunden sind, in derselben Schicht und mit demselben Material ausgebildet. Folglich können die folgenden Effekte erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird das Ausmaß von Temperaturänderungen der Detektionsheizvorrichtung 3, die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, durch das Widerstandswertverhältnis zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3 und den Drähten 17, 18 bestimmt. In einem Halbleiterprozess ist es in einem Fall, in dem ein gleichmäßiger Widerstandsfilm durch Ätzen strukturiert wird, um mehrere Widerstände auszubilden, möglich, die Genauigkeit eines Widerstandswertverhältnisses zwischen diesen Widerständen zu verbessern.
Schwankungen der Filmdicke des Widerstandsfilms variieren beispielsweise ebenso eine Filmdicke der Widerstande, die durch den gleichmäßigen Widerstandsfilm ausgebildet sind, aber ein Widerstandswertgleichgewicht der mehreren Widerstände wird aufrechterhalten. Eine solche Anordnung führt zur Verringerung von Variationen des Widerstandswertgleichgewichts zwischen der Detektionsheizvorrichtung 3, der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 und den Drähten 17, 18, 19 und 20 und führt zur Stabilisierung der Menge an Temperaturänderungen der Detektionsheizvorrichtung 3, die durch die Schwankungen der Grenztemperatur verursacht werden. Folglich ist es möglich, individuelle Differenzen während der Massenproduktion zu verringern.
Diese Ausführungsform wurde mit einer Darstellung einer Konfiguration beschrieben, in der die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung- 3 mit einer Umgebungstemperaturabhängigkeit unter Verwendung von Änderungen der Widerstandstemperatur der Drähte 17, 18, 19 und 20 erteilt wird. Verdrahtete Widerstände, die mit einem einzelnen Material oder mehreren Materialien in Kombination ausgebildet sind, weisen jedoch einen positiven Effekt auf. In diesem Fall ist es möglich, die verdrahteten Widerstände durch Erhalten der Änderungen der Widerstandstemperatur der verdrahteten Widerstände auf der Basis des Widerstandswerts, des Widerstandstemperaturkoeffizienten und der Orte der mehreren verdrahteten Widerstände geeignet zu entwerfen.
In der vorstehend erwähnten Ausführungsform, wenn die Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 in Reaktion auf einen Anstieg der Umgebungstemperatur abnimmt, verringert sich eine Differenz zwischen der Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 von ΔT auf ΔT'. Alternativ ist es möglich, die Differenz zwischen der Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 von ΔT auf ΔT' zu verringern, wenn die Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 in Reaktion auf einen Anstieg der Umgebungstemperatur zunimmt.
In 11 sind die Drähte 17, 18 der Detektionsheizvorrichtung 3 und die Drähte 19, 20 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 so festgelegt, dass sie denselben Widerstandswert (dieselbe Drahtlänge und dieselbe Drahtbreite) aufweisen. In einem solchen Zustand ist ein Draht 25, der als temperaturabhängiger Widerstand dient, aus einem Teil des Drahts 20 der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 herausgezogen und eine Elektrode 7e des Drahts 25 ist mit dem Widerstand 21d verbunden, der die Brückenschaltung der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 bildet. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, die Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 in Reaktion auf einen Anstieg der Umgebungstemperatur (Ta) zu erhöhen. Mit anderen Worten, der Draht 25, der als temperaturabhängiger Widerstand dient, ist zwischen die Emitterelektrode des Transistors 23b und den festen Widerstand 21d der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 geschaltet.
12 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 in dieser Ausführungsform in Bezug auf Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Heiztemperatur (Th2), die in 12 gezeigt ist, stellt Temperaturänderungen der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 dar. Wenn die Umgebungstemperatur (Ta) ansteigt, nehmen die Heizströme zu und die Heiztemperatur (Th2) steigt an. Daher verringert sich die Differenz zwischen der Heiztemperatur (Th1) der Detektionsheizvorrichtung 3 und der Heiztemperatur (Th2) der Temperaturkompensationsheizvorrichtung 4 von ΔT auf ΔT', so dass es möglich ist, Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung 3 zu unterdrücken, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, was Messfehler verringert.
Wie vorstehend beschrieben, steuert gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Erfindung jede einer Detektionsheizvorrichtungsansteuerschaltung und einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsansteuerschaltung einen Heizstrom, um eine Temperaturdifferenz zwischen einer Heiztemperatur einer Detektionsheizvorrichtung und einer Heiztemperatur einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung in Reaktion auf einen Temperaturanstieg eines Substrats zu verringern.
Folglich wird die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung in Reaktion auf eine Temperaturverringerung in einem inneren Bereich der Temperaturkompensationsheizvorrichtung eingestellt, so dass es möglich ist, Schwankungen der Wärmemenge der Detektionsheizvorrichtung zu unterdrücken, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, was Messfehler verringert.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen begrenzt ist und verschiedene Modifikationen umfassen kann. Die vorstehend erwähnten Ausführungsformen wurden beispielsweise im Einzelnen beschrieben, um klare Beschreibungen der vorliegenden Erfindung zu geben, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die eine eingeschränkt, die die ganzen vorstehend beschriebenen Konfigurationen umfasst. Ferner kann eine Konfiguration einer Ausführungsform teilweise durch eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden und eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zu einer Konfiguration einer Ausführungsform hinzugefügt werden. Noch ferner kann eine Konfiguration jeder Ausführungsform teilweise hinzugefügt, gelöscht oder durch andere Konfigurationen ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensorelement
2: Substrat
3: Detektionsheizvorrichtung
4: Temperaturkompensationsheizvorrichtung
5: hohler Abschnitt
6: Dünnfilmträger
7a bis 7d: Elektrode
8a, 8b: Isolationsschicht
9: Ansteuerschaltung
10, 11: Heizsteuerschaltung
12: Korrekturberechnungsschaltung
13: Ausgabeschaltung
14: Temperatursensor
15: Drucksensor
16: temperaturabhängiges Element
17, 18, 19, 20, 25: Drähte (temperaturabhängige Widerstände)
21a bis 21f: fester Widerstand
22a, 22b: Differenzverstärker
23a, 23b: Transistor
24: Leistungsversorgung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011 [0003]
JP 137679 A [0003]
JP 2011137679 A [0004]

Claims

Gassensorvorrichtung, die eine physikalische Größe eines Gases auf der Basis eines Dünnfilms, der in einem Teil eines Substrats ausgebildet ist; einer Detektionsheizvorrichtung, die im Dünnfilm ausgebildet ist; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung, die im Dünnfilm so ausgebildet ist, dass sie die Detektionsheizvorrichtung umgibt; einer Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung zu steuern; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung so zu steuern, dass sie auf eine Heiztemperatur festgelegt wird, die niedriger ist als die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung; und einer Strahlungsmenge der Detektionsheizvorrichtung misst, wobei jede der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung und der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung einen Heizstrom so steuert, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung und der Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung sich in Reaktion auf einen Anstieg der Temperatur des Substrats verringert.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung und die Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung den Heizstrom in Reaktion auf den Anstieg der Temperatur des Substrats verringern, um eine Temperatur der Detektionsheizvorrichtung und eine Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung zu verringern, wobei der Heizstrom in einer solchen Weise verringert wird, dass die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung weiter abfällt als die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung mit einer Brückenschaltung versehen ist, die umfasst: eine erste Seite, mit der die Detektionsheizvorrichtung und ein temperaturabhängiger Widerstand verbunden sind; eine zweite Seite mit einem festen Widerstand, der mit der ersten Seite in Reihe geschaltet ist; eine dritte Seite, die aus einem festen Widerstand besteht; und eine vierte Seite, die aus einem festen Widerstand besteht, der mit der dritten Seite in Reihe geschaltet ist, und die Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung mit einer Brückenschaltung versehen ist, die umfasst: eine erste Seite, mit der die Temperaturkompensationsheizvorrichtung und ein temperaturabhängiger Widerstand verbunden sind; eine zweite Seite mit einem festen Widerstand, der mit der ersten Seite in Reihe geschaltet ist; eine dritte Seite, die aus einem festen Widerstand besteht; und eine vierte Seite, die aus einem festen Widerstand besteht, der mit der dritten Seite in Reihe geschaltet ist, wobei der temperaturabhängige Widerstand, der in der ersten Seite der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten ist, einen Widerstandswert aufweist, der größer ist als der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes, der in der ersten Seite der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten ist.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Detektionsheizvorrichtung und der temperaturabhängige Widerstand, die in der ersten Seite der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten sind, auf dem Substrat mit demselben Material ausgebildet sind, und die Temperaturkompensationsheizvorrichtung und der temperaturabhängige Widerstand, die in der ersten Seite der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten sind, auf dem Substrat mit demselben Material wie die Detektionsheizvorrichtung ausgebildet sind, wobei der temperaturabhängige Widerstand der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung einen Draht mit einer Breite umfasst, die kürzer ist als eine Breite eines Drahts, der im temperaturabhängigen Widerstand der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung enthalten ist.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der temperaturabhängige Widerstand und die Detektionsheizvorrichtung in der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung ein Widerstandswertverhältnis aufweisen, das größer ist als ein Widerstandswertverhältnis zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand und der Temperaturkompensationsheizvorrichtung in der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der temperaturabhängige Widerstand der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung aus einem Draht, der im Dünnfilm ausgebildet ist; und einem Draht, der in einem anderen Element als im Dünnfilm ausgebildet ist, besteht, der temperaturabhängige Widerstand der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung aus einem Draht, der im Dünnfilm ausgebildet ist; und einem Draht, der in einem anderen Element als im Dünnfilm ausgebildet ist, besteht, und die Gassensorvorrichtung eine Beziehung aufweist, die durch (r1 + r2)/(Rh) > (r3 + r4)/(Rs) ausgedrückt ist, wobei r1 den Widerstandswert des Drahts der ersteren Steuerschaltung darstellt, der im Dünnfilm ausgebildet ist, r2 den Widerstandswert des Drahts der ersteren Steuerschaltung darstellt, der im anderen Element als im Dünnfilm ausgebildet ist und sich zu einer Elektrode erstreckt, r3 den Widerstandswert des Drahts der letzteren Steuerschaltung darstellt, der auf dem Dünnfilm ausgebildet ist, r4 den Widerstandswert des Drahts der letzteren Steuerschaltung darstellt, der im anderen Element als im Dünnfilm ausgebildet ist und sich zu einer Elektrode erstreckt, Rh den Widerstandswert der Detektionsheizvorrichtung darstellt und Rs den Widerstandswert der Temperaturkompensationsheizvorrichtung darstellt.
Gassensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gassensorvorrichtung in einem Einlassdurchgang einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und die Feuchtigkeit der Einlassluft misst.
Verfahren zum Steuern eines Heizstroms einer Gassensorvorrichtung, die eine physikalische Größe eines Gases auf der Basis eines Dünnfilms, der in einem Teil eines Substrats ausgebildet ist; einer Detektionsheizvorrichtung, die im Dünnfilm ausgebildet ist, einer Temperaturkompensationsheizvorrichtung, die im Dünnfilm so ausgebildet ist, dass sie die Detektionsheizvorrichtung umgibt; einer Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung zu steuern; einer Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung so zu steuern, dass sie auf eine Heiztemperatur festgelegt wird, die niedriger ist als die Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung; und einer Strahlungsmenge der Detektionsheizvorrichtung misst, wobei jede der Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung und der Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung einen Heizstrom so steuert, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Heiztemperatur der Detektionsheizvorrichtung und der Heiztemperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung sich in Reaktion auf einen Anstieg der Temperatur des Substrats verringert.
Verfahren zum Steuern eines Heizstroms einer Gassensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Detektionsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung und die Temperaturkompensationsheizvorrichtungsheizsteuerschaltung den Heizstrom in Reaktion auf den Anstieg der Temperatur des Substrats verringern, um eine Temperatur der Detektionsheizvorrichtung und eine Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung zu verringern, wobei der Heizstrom in einer solchen Weise verringert wird, dass die Temperatur der Detektionsheizvorrichtung weiter fällt als die Temperatur der Temperaturkompensationsheizvorrichtung.