DE112017005648B4

DE112017005648B4 - Gassensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112017005648B4
Application number: DE112017005648.9T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nakano; Masahiro Matsumoto; Yasuo Onose; Hiroaki Hoshika
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP2018096865A; WO2018110140A1; US20200080951A1; DE112017005648T5; US11105757B2; JP6802703B2

Abstract

Gassensorvorrichtung, welche Folgendes aufweist:einen wärmeisolierenden Film (8a, 8b), der auf einem Substrat (2) ausgebildet ist,eine erste Heizung (3), die auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) bereitgestellt ist und dafür ausgelegt ist, eine physikalische Größe von Gas zu messen, undeinen Referenzwiderstand (4), der in einer mit der ersten Heizung (3) gemeinsamen Widerstandsschicht auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) ausgebildet ist,wobei die Gassensorvorrichtung ferner eine zweite Heizung (5) auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) aufweist, welche die erste Heizung (3) und den Referenzwiderstand (4) gleichzeitig erwärmt, und eingerichtet ist, die zweite Heizung (5) während der Diagnose der ersten Heizung (3) zu verwenden und das Betreiben der ersten Heizung (3) während des Betriebs der zweiten Heizung (5) zu unterbrechen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gassensorvorrichtung, die eine Detektionsheizung aufweist, welche eine physikalische Größe eines Gases erfasst.
Technischer Hintergrund
Es ist eine Sensorvorrichtung bekannt, die Wärme zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Umwandlung in ein elektrisches Signal verwendet. Beispielsweise erfasst eine Sensorvorrichtung, die eine physikalische Größe in der Art der Strömungsrate eines Gases und seiner Konzentration misst, die Änderung der von einem Heizelement, das in einem Sensorelement ausgebildet ist, an das Gas abgestrahlten Wärmemenge. Zusätzlich weist ein Sensor für die Konzentration eines brennbaren Gases eine Katalysatorschicht, die Wärme durch Kontakt mit einem brennbaren Gas erzeugt, und ein Heizelement, das die Katalysatorschicht erwärmt, um eine Reaktion mit dem brennbaren Gas zu ermöglichen, auf. Eine solche Sensorvorrichtung muss eine konstante Detektionsempfindlichkeit für eine Änderung der physikalischen Größe des Gases über einen langen Zeitraum aufrechterhalten. Dementsprechend ist es wichtig, die Sensorvorrichtung zu steuern, um das Heizelement ständig bei einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Ein Verfahren zum Steuern der Temperatur des Heizelements verwendet die Änderung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizelements und führt eine Rückkopplungssteuerung aus, so dass das Heizelement einen Widerstandswert bei einer Zieltemperatur aufweist.
Das Heizelement wird jedoch auf eine hohe Temperatur von mehreren 100 Grad erwärmt, und seine Verwendung über eine lange Zeit ändert die Beziehung zwischen dem Widerstandswert des Heizelements und der Temperatur, wodurch eine Drift der Temperaturregelung des Heizelements hervorgerufen wird. Dies könnte zu einer Änderung der Detektionsempfindlichkeit für die Änderung der physikalischen Größe des Gases und damit zu einem Fehler der Sensorvorrichtung führen.
Bei einer herkömmlichen Technologie überwacht eine Sensorvorrichtung die zeitliche Änderung eines solchen Heizelements (des einen Wärmeerzeuger bildenden Elements), um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wie in JP 2007-315925 A (PTL 1) für einen Sensor für ein brennbares Gas offenbart ist. Der Sensor für ein brennbares Gas aus PTL 1 umfasst als thermoelektrisches Wandlungsmittel einen Detektionsabschnitt mit einer Oxidationskatalysatorschicht zur Förderung einer Oxidationsreaktion eines das Detektionsziel bildenden Gases, eine erste Widerstandsschicht, die den Detektionsabschnitt durch joulesche Wärme auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt, und eine zweite Widerstandsschicht, die an einer Position ausgebildet ist, die thermisch nicht durch die erste Widerstandsschicht beeinflusst wird, welche einzeln in zwei dünnen Abschnitten bereitgestellt sind, die durch zwei unabhängige Vertiefungen in einem Substrat gebildet sind, wobei der Sensor in Kontakt mit dem das Detektionsziel bildenden Gas gelangt und ein elektrisches Signal erzeugt (siehe die dortige Kurzfassung). Insbesondere misst dieser Sensor für ein brennbares Gas die Umgebungstemperatur anhand des Widerstandswerts der zweiten Widerstandsschicht und erkennt die Verschlechterung des Heizelements anhand der Beziehung zwischen der gemessenen Umgebungstemperatur und dem Strom und der an die erste Widerstandsschicht angelegten Spannung (Absätze 0029 und 0030).
Zitatliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2007-315925 A
Eine Gassensorvorrichtung nach dem Stand der Technik ist auch in US 2011/0154885 A1 und US 2006/0186901 A1 offenbart.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Sensorvorrichtung, welche eine physikalische Größe eines Gases in der Art der Luftströmungsrate und der Feuchtigkeit in einem Ansaugdurchgang eines Verbrennungsmotors misst, ist in einer Umgebung installiert, die infolge von Änderungen der Betriebsumgebung und der Erwärmung durch den Motor einen breiten Temperaturbereich aufweist, so dass die Sensorvorrichtung eine Sensorfunktionsweise in einem Bereich von -40 °C bis +125 °C erfüllen muss. Dementsprechend ist es selbst im Fall einer Erkennung einer Verschlechterung des in der Sensorvorrichtung bereitgestellten Heizelements auch erforderlich, den Verschlechterungsgrad mit hoher Genauigkeit in der Umgebung mit einem breiten Bereich von Temperaturschwankungen zu erfassen.
Zusätzlich ist die Sensorvorrichtung komplizierten Temperaturänderungen infolge abrupter Änderungen der Umgebungstemperatur, Schwankungen der Luftströmung und Änderungen der lokalen Temperatur beispielsweise infolge der Wärmeerzeugung in einer Treiberschaltung innerhalb der Vorrichtung ausgesetzt. Die Verschlechterung des Heizelements muss selbst in einer solchen Temperaturumgebung mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Zum Erfassen der Verschlechterung der ersten Widerstandsschicht im Sensor für ein brennbares Gas aus PTL 1 müssen die Temperatur der ersten Widerstandsschicht und die Temperatur der zweiten Widerstandsschicht jedes Mal dann, wenn eine Diagnose ausgeführt wird, übereinstimmen. Die erste Widerstandsschicht und die zweite Widerstandsschicht sind jedoch räumlich voneinander getrennt. Zusätzlich haben periphere Elemente an peripheren Installationsabschnitten der ersten Widerstandsschicht und der zweiten Widerstandsschicht unterschiedliche Strukturen und Formen, was zu einer Differenz zwischen der Wärmekapazität des Installationsabschnitts der ersten Widerstandsschicht und der Wärmekapazität des Installationsabschnitts der zweiten Widerstandsschicht führt. Ferner befinden sich die erste Widerstandsschicht und die zweite Widerstandsschicht an verschiedenen Orten, was zu unterschiedlichen Leitungswegen der Wärme führt, die in der Treiberschaltung erzeugt wird, welche im Sensor für ein brennbares Gas bereitgestellt ist. Daher würde eine abrupte Änderung der Umgebungstemperatur zu einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten Widerstandsschicht und der zweiten Widerstandsschicht führen. Um die durch die vorstehend beschriebene Situation im Sensor für ein brennbares Gas aus PTL 1 hervorgerufene Temperaturdifferenz zu beseitigen, müssen die erste Widerstandsschicht und die zweite Widerstandsschicht über lange Zeit in einer Umgebung mit einer konstanten Temperatur gehalten werden.
Bei Verwendung einer Gassensorvorrichtung, die, wie vorstehend beschrieben, in einer Umgebung in der Art eines Verbrennungsmotors, worin komplizierte und über einen weiten Bereich auftretende Temperaturänderungen stattfinden können, während einer langen Zeit auf einer konstanten Temperatur gehalten werden muss, kann es nicht gelingen, eine ausreichende Genauigkeit bei der Erkennung der Verschlechterung des Heizelements zu erreichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Gassensorvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine zeitliche Änderung mit hoher Genauigkeit zu erfassen und die Messgenauigkeit in einer Temperaturumgebung, die für komplizierte und über einen breiten Bereich auftretende Änderungen anfällig ist, über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.
Lösung des Problems
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe sieht die Erfindung eine Gassensorvorrichtung nach den beiliegenden Patentansprüchen vor.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine sehr zuverlässige Gassensorvorrichtung bereitgestellt werden, wodurch eine zeitliche Änderung mit hoher Genauigkeit in verschiedenen Temperaturumgebungen erkannt werden kann und eine sehr genaue Erkennung über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Von den vorstehend beschriebenen verschiedene Probleme, Konfigurationen und Wirkungen werden beim Lesen der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen verständlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:

1 eine Draufsicht eines Sensorelements gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform,
2 eine Schnittansicht des Sensorelements gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform,
3 ein Diagramm der Temperaturverteilung eines Sensorelements gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform,
4 einen Schaltplan einer Gassensorvorrichtung (einschließlich einer Treiberschaltung) gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform,
5 ein Diagramm der Temperaturverteilung eines Sensorelements gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform,
6 eine Draufsicht eines Sensorelements gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform,
7 eine Schnittansicht des Sensorelements gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform und
8 ein Diagramm einer Temperaturverteilung des Sensorelements gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform.

Beschreibung von Ausführungsformen
Die nachstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind Anwendungen der vorliegenden Erfindung auf eine Sensorvorrichtung als Beispiel einer Gassensorvorrichtung 100, welche die Ansaugfeuchtigkeit eines Automotors misst (siehe 4). Die physikalische Größe (der Umgebungsparameter) als Detektionsziel der Gassensorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist eine Änderung der Gaskonzentration, und die Vorrichtung kann auch zur Messung beispielsweise der Wasserstoffkonzentration zusätzlich zur Feuchtigkeit verwendet werden.
Die Ansaugfeuchtigkeit als Messziel der Gassensorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden als Beispiel dienenden Ausführungsform wird durch Erfassen einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit von Gas in Abhängigkeit von der Gaskonzentration gemessen. Die Änderung der Wärmeleitfähigkeit wird anhand einer Änderung des Betrags der Wärmestrahlung der Heizung (des Heizelements) innerhalb des Sensorelements erfasst. Weil die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases in Abhängigkeit von der Gaskonzentration sehr gering ist, müssen die Änderung des Betrags der Wärmestrahlung der Heizung und die zeitliche Änderung des Widerstands der Heizung mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Dementsprechend lassen sich durch die Konfiguration der vorliegenden Erfindung in einer solchen Sensorvorrichtung gute Wirkungen erhalten.
Erste beispielhafte Ausführungsform
1 ist eine Draufsicht eines Sensorelements 1 der Gassensorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform.
Das Sensorelement 1 wird unter Verwendung einer Halbleiter-Mikrofertigungstechnologie oder Ätztechnologie mittels Photolithographie gebildet. Das Sensorelement 1 weist ein aus monokristallinem Silicium gebildetes Substrat 2 auf. Das Substrat 2 weist einen Hohlraum 6 auf. Der Hohlraum 6 ist mit Membranträgern 8a und 8b bedeckt. Die Membranträger 8a und 8b sind aus einem elektrisch isolierenden Material gebildete filmartige Elemente, die manchmal als Isolierfilme (elektrisch isolierende Filme) bezeichnet werden. An den Membranträgern 8a und 8b sind eine Detektionsheizung 3, ein Referenzwiderstand 4 und eine Kalibrierheizung 5 angebracht. Die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 erstrecken sich entlang einer Ebene der Membranträger 8a und 8b, so dass sie ein Widerstandsmuster mit mehreren Faltungen bilden.
Die Detektionsheizung 3 wird bei der Feuchtigkeitsdetektion verwendet. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird die Detektionsheizung 3 auf eine konstante Temperatur von beispielsweise etwa 500 °C geregelt. Eine Änderung der Feuchtigkeit ändert auch den Betrag der Wärmeübertragung von der Detektionsheizung 3 auf die Luft, was zu einer Änderung der Leistung führt, die erforderlich ist, um die Detektionsheizung 3 bei 500 °C zu halten. Die Messung dieser Leistungsänderung ermöglicht die Feuchtigkeitsdetektion.
Beispiele von Materialien, die bei hohen Temperaturen stabil sind (Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt), die für die Detektionsheizung 3 ausgewählt werden können, umfassen Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) oder Silicium (Si).
Der Referenzwiderstand 4 wird durch die von der Detektionsheizung 3 erzeugte Wärme beeinflusst. Der Referenzwiderstand 4 wird jedoch an einer Stelle in einer Temperaturumgebung angeordnet, deren Temperatur geringer ist als jene der Detektionsheizung 3, und wo im Wesentlichen keine Widerstandsbeeinträchtigung durch Wärme auftritt. Der Referenzwiderstand 4 besteht aus dem gleichen Material wie die Detektionsheizung 3. Zusätzlich ist der Referenzwiderstand 4 so eingerichtet, dass er die gleiche Linienbreite und die gleiche Form aufweist wie die Detektionsheizung 3. Dies ermöglicht es, die thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften zwischen der Detektionsheizung 3 und dem Referenzwiderstand 4 abzugleichen, wodurch die Messstabilität bei der Diagnose verbessert werden kann.
Die Kalibrierheizung 5 umgibt die Detektionsheizung 3 und den Referenzwiderstand 4. Die Kalibrierheizung 5 kann aus dem gleichen Material wie die Detektionsheizung 3 und der Referenzwiderstand 4 bestehen. Vorzugsweise besteht die Kalibrierheizung 5 aus einem Metallmaterial, um die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturgleichmäßigkeit zu verbessern.
Die Detektionsheizung 3 ist mit Elektrodenkontaktstellen 7a und 7b verbunden, die auf dem Substrat 2 zur Verbindung mit der Treiberschaltung ausgebildet sind. Der Referenzwiderstand 4 ist mit Elektrodenkontaktstellen 7c und 7d verbunden, während die Kalibrierheizung 5 mit Elektrodenkontaktstellen 7e und 7f verbunden ist. Ein Beispiel eines für die Elektrodenkontaktstellen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e und 7f auszuwählenden Materials ist Aluminium (AI).
Die Detektionsheizung 3 und die Kalibrierheizung 5 dienen der Erzeugung von Wärme, so dass in manchen Fällen die Detektionsheizung 3 als erste Heizung und die Kalibrierheizung 5 als zweite Heizung bezeichnet werden. Überdies weisen die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 jeweils einen Widerstand auf, so dass die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand und die Kalibrierheizung 5 in manchen Fällen als erster Widerstand, zweiter Widerstand bzw. dritter Widerstand bezeichnet werden.
2 ist eine Schnittansicht entlang der in 1 dargestellten Linie II-II.
Das Sensorelement 1 weist das aus monokristallinem Silicium bestehende Substrat 2 auf. Der Hohlraum 6 des Sensorelements 1 wird durch Ätzen des Substrats 2 gebildet. Der Hohlraum 6 wird durch Bearbeiten des monokristallinen Siliciumssubstrats 2 durch anisotropes Ätzen, isotropes Ätzen oder dergleichen gebildet.
Die Membranträger 8a und 8b sind auf der oberen Fläche des Substrats 2 gestapelt ausgebildet und bedecken den Hohlraum 6. Die Membranträger 8a und 8b sind elektrisch und thermisch isolierend. Die Membranträger 8a und 8b verwenden ein Material aus einer Einzelschicht oder gestapelten Schichten aus Siliciumoxid (SiO₂) und Siliciumnitrid (Si₃N₄). Die Membranträger 8a und 8b können wahlweise auch eine Einzelschicht oder gestapelte Schichten aus einem Harzmaterial in der Art von Polyimid oder Keramik oder Glas aufweisen. Die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 sind zwischen dem Membranträger 8a und dem Membranträger 8b angeordnet.
3 zeigt eine Temperaturverteilung entlang der Linie II-II des in 1 dargestellten Sensorelements 1.
Bei der Feuchtigkeitsmessung wird eine Position X3, an der sich die Detektionsheizung 3 befindet, auf eine Messtemperatur Tm erwärmt, wie in 3 durch eine unterbrochene Linie A angegeben ist. Die Messtemperatur Tm beträgt vorzugsweise wenigstens 300 °C, wodurch eine große Änderung der Wärmeleitfähigkeit von Luft bei einer Feuchtigkeitsänderung ermöglicht wird. Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform zeigt ein Beispiel der Verwendung einer Heiztemperatur von 500 °C. Die Leistung, um die Detektionsheizung 3 bei der Messtemperatur Tm zu halten, hängt vom Betrag der Wärmeübertragung auf die Luft ab. Weil der Betrag der Wärmeübertragung vom Betrag der Feuchtigkeit abhängt, kann die Feuchtigkeit durch Ausführen einer Kompensation für den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistung der Detektionsheizung 3 gemessen werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Gassensorvorrichtung 100 würde eine Erwärmung der Detektionsheizung 3 auf eine hohe Temperatur für einen langen Zeitraum die elektrische Eigenschaft der Detektionsheizung 3 ändern (verschlechtern). Das heißt, dass sich die Beziehung zwischen dem Widerstandswert der Detektionsheizung 3 und der Temperatur ändert, wodurch eine Drift der Messtemperatur Tm hervorgerufen wird. Dies führt zur Änderung der Heizleistung der Detektionsheizung 3, wodurch ein Fehler des Feuchtigkeitsmesswerts hervorgerufen wird.
Nachfolgend wird der Diagnosevorgang zum Erreichen einer sehr genauen Erfassung einer zeitlichen Änderung des Widerstandswerts der Detektionsheizung 3 beschrieben. Wie in 3 durch eine durchgezogene Linie B angegeben ist, wird die Erwärmung der Detektionsheizung 3 unterbrochen und wird die Kalibrierheizung 5 zur Zeit der Diagnose erwärmt. Durch diesen Vorgang werden die Detektionsheizung 3 an der Position X3 in der Zeichnung und der Referenzwiderstand 4 an der Position X4 in der Zeichnung bei der gleichen Diagnosetemperatur Tc gehalten. Hier ergibt sich die Möglichkeit, dass die Detektionsheizung 3 und der Referenzwiderstand 4 eine diagnostisch tolerierbare Temperaturdifferenz (Fehler) aufweisen. In diesem Fall würden die Temperatur der Detektionsheizung 3 und die Temperatur des Referenzwiderstands 4 als gleich festgestellt werden, wenn die Differenz zwischen der Temperatur der Detektionsheizung 3 und der Temperatur des Referenzwiderstands 4 so klein ist, dass sich daraus kein die Diagnose beeinträchtigender Fehler ergibt.
Die Kalibrierheizung 5 ist ein Heizmittel (Heizelement), das die Detektionsheizung 3 und den Referenzwiderstand 4 gleichzeitig erwärmt. Ein Vergleich der elektrischen Eigenschaft der Detektionsheizung 3 und der elektrischen Eigenschaft des Referenzwiderstands 4 zu dieser Zeit ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der Verschlechterung der Detektionsheizung 3. Die Temperatur zur Zeit der Diagnose wird selbst bei einer schwankenden Umgebungstemperatur Ta durch die Kalibrierheizung 5 auf die gleiche Temperatur Tc geregelt. Dies ermöglicht die Ausführung einer sehr genauen Erfassung des Grads der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 unter der gleichen Temperaturumgebung bei jeder Ausführung der Diagnose. Das heißt, dass die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts der Detektionsheizung 3 und des Referenzwiderstands 4 beseitigt werden kann.
Die Diagnosetemperatur Tc liegt vorzugsweise bei wenigstens 100 °C, so dass Wassertröpfchen oder dergleichen entfernt werden können. Wenn beispielsweise bei der Aktivierung der Sensorvorrichtung Tau auf dem Membranträger im Hohlraum 6 des Sensorelements 1 kondensiert, so dass Wassertröpfchen teilweise anhaften, würde eine Temperaturerhöhung im Teil, an dem Wassertröpfchen anhaften, selbst beim Betreiben der Kalibrierheizung 5 unterbunden werden. Dies führt zu einer Variation der Temperatur der Detektionsheizung 3 und des Referenzwiderstands 4, so dass sich nur schwer eine zufrieden stellende Diagnose ausführen lässt. Daher wird die Kalibrierheizung 5 auf den Siedepunkt von Wasser oder darüber erwärmt, so dass anhaftendes Wasser in einem frühen Stadium verdampft werden kann, so dass sich eine fehlerhafte Diagnose verhindern lässt, die Genauigkeit der Diagnose verbessern lässt und die Diagnosezeit verringern lässt.
Es sei bemerkt, dass es bevorzugt ist, wenn die Temperatur Tc der Kalibrierheizung 5 höher liegt als die maximale Umgebungstemperatur Ta, bei der die Gassensorvorrichtung 100 verwendet wird. Die Kalibrierheizung 5 ist ein Widerstand, so dass ihre Temperatur durch Regeln des Heizstroms geregelt werden kann. Dementsprechend wird die Temperaturregelung schwierig, wenn die Umgebungstemperatur Ta die Diagnosetemperatur Tc übersteigt, so dass sich keine zufrieden stellende Diagnose ausführen lässt. Wenn die Gassensorvorrichtung 100 in einer Automobilumgebung verwendet wird, ist es beispielsweise vorteilhaft, die Kalibrierheizung 5 auf eine Temperatur von mehr als 125 °C zu setzen, welche die maximale Verwendungsumgebungstemperatur ist. Hierdurch können die Temperatur der Detektionsheizung 3 und die Temperatur des Referenzwiderstands 4 in jeder Temperaturumgebung konstant gehalten werden, wodurch eine sehr genaue Diagnose ermöglicht wird.
Die Diagnosetemperatur Tc kann bevorzugter auf wenigstens 200 °C gelegt werden, um eine ölartige Substanz sowie Wassertröpfchen zu entfernen. In diesem Fall kann die ölartige Substanz durch Aktivieren der Kalibrierheizung 5 entfernt werden, so dass eine fehlerhafte Diagnose verhindert werden kann und die Genauigkeit des Vergleichs und der Diagnose verbessert werden kann.
Die Obergrenze der Diagnosetemperatur Tc wird vorzugsweise niedriger gelegt als die Messtemperatur Tm der Detektionsheizung 3, und sie wird vorzugsweise auf eine Temperatur gelegt, bei der sich eine Differenz zwischen der Geschwindigkeit des Fortschreitens einer Verschlechterung des Referenzwiderstands 4 und der Geschwindigkeit des Fortschreitens einer Verschlechterung der Detektionsheizung 3 ergeben würde. Im Fall eines Metallmaterials mit einem hohen Schmelzpunkt wird das Fortschreiten der Verschlechterung des Widerstands beispielsweise bei 300 °C oder darüber ausgeprägt. Daher wird die Diagnosetemperatur Tc vorzugsweise auf höchstens 300 °C gelegt (bevorzugter kleiner als 300 °C), um eine Verschlechterung des Referenzwiderstands 4 verhindern zu können und eine Verschlechterung der Detektionsheizung 3 zufrieden stellend erkennen zu können. Ferner wird die Verschlechterung eines Widerstands im Fall eines Halbleitermaterials bei 200 °C oder darüber ausgeprägt. Dementsprechend würde das Setzen der Diagnosetemperatur Tc auf 200 °C oder darunter (bevorzugter auf weniger als 200 °C) eine zufrieden stellende Erkennung einer Verschlechterung der Detektionsheizung 3 ermöglichen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Kalibrierheizung 5 so geformt ist, dass sie die Detektionsheizung 3 und den Referenzwiderstand 4 umgibt. In diesem Fall wird die Kalibrierheizung 5 vorzugsweise so angeordnet, dass sie einen Bereich, in dem sich die Detektionsheizung 3 befindet, von einem Bereich, in dem sich der Referenzwiderstand 4 befindet, trennt. Diese Anordnung kann die Temperaturverteilung innerhalb der Kalibrierheizung 5 weiter vergleichmäßigen, so dass die Detektionsheizung 3 und der Referenzwiderstand 4 auf die gleiche Temperatur erwärmt werden können.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Gassensorvorrichtung 100 (einschließlich einer Treiberschaltung) gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform.
Nachstehend werden eine Konfiguration und ein Arbeitsvorgang bei der Feuchtigkeitsmessung beschrieben.
Während der Feuchtigkeitsmessung ist ein Schalter SW1 ausgeschaltet und ist ein Schalter SW3 eingeschaltet. In einer Reihenschaltung, welche die Detektionsheizung 3, den Widerstand 9 und den Schalter SW1 aufweist, wird eine zwischen der Detektionsheizung 3 und dem Widerstand 9 auftretende Zwischenspannung Vm zu einer Reglerschaltung 11 übertragen. Die Reglerschaltung 11 regelt die Temperatur Tm der Detektionsheizung 3 und gibt eine der eingegebenen Zwischenspannung Vm entsprechende Heizspannung Vh aus. Die Heizspannung Vh wird durch den Schalter SW3 zur Detektionsheizung 3 rückgekoppelt, so dass ein Heizstrom Ih durch die Detektionsheizung 3 fließen kann. Der Widerstandswert der Detektionsheizung 3 hängt von der Temperatur ab. Dementsprechend hängt die Zwischenspannung Vm von der Temperatur der Detektionsheizung ab. Durch Regeln der Zwischenspannung Vm auf einen vorgegebenen Wert kann die Detektionsheizung 3 auf eine konstante Temperatur geregelt werden. Wenn der Betrag der Wärmeabstrahlung der Detektionsheizung 3 durch eine Feuchtigkeitsänderung zunimmt oder abnimmt, schwankt die Heizspannung Vh. Daher kann die Feuchtigkeit durch Erfassen der Änderung der Heizspannung Vh gemessen werden.
Als nächstes wird ein Arbeitsvorgang der Detektionsheizung 3 bei der Verschlechterungsdiagnose beschrieben.
Bei einer Verschlechterungsdiagnose werden SW1 und SW2 eingeschaltet. SW3 wird ausgeschaltet, und der Heizstrom von der Reglerschaltung 11 zur Detektionsheizung 3 wird unterbrochen. Als nächstes wird eine Reglerschaltung 13, welche die Temperatur Tc der Kalibrierheizung 5 regelt, angesteuert, so dass die Kalibrierheizung 5 auf eine konstante Temperatur, nämlich die Temperatur Tc, geregelt wird. Ein Widerstand 10 ist in Reihe mit dem Referenzwiderstand 4 geschaltet. Durch Versetzen von SW1 und SW2 in einen leitenden Zustand würde eine Brückenschaltung (3, 4, 9 und 10) gebildet werden, welche die Detektionsheizung 3, den Widerstand 9, den Referenzwiderstand 4 und den Widerstand 10 aufweist.
Eine Referenzspannung VREF wird an die Brückenschaltung (3, 4, 9 und 10) angelegt. Die Detektionsheizung 3 und der Referenzwiderstand 4 befinden sich auf der VREF-Seite in der Brückenschaltung (3, 4, 9 und 10). Der Widerstand 9 und der Widerstand 10 befinden sich auf der Referenzspannungsseite (GND-Seite) entgegengesetzt zur VREF-Seite in der Brückenschaltung (3, 4, 9 und 10).
Die Zwischenspannung Vm zwischen der Detektionsheizung 3 und dem Widerstand 9 und eine Zwischenspannung Vr zwischen dem Referenzwiderstand 4 und dem Widerstand 10 werden zu einer Vergleichsschaltung 14 übertragen. Die Vergleichsschaltung 14 weist Folgendes auf: einen Differenzverstärker 15, der die Differenz zwischen der Zwischenspannung Vm und der Zwischenspannung Vr erfasst und verstärkt, und einen Analog-Digital-Wandler 16, der ein verstärktes Signal in einen Digitalwert wandelt. Dieser Digitalwert dient als Diagnosesignal E, das von der Differenz zwischen dem Widerstandswert der Detektionsheizung 3 und dem Widerstandswert des Referenzwiderstands 4 abhängt. Daher hängt das Diagnosesignal E vom Grad der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 ab.
Das Diagnosesignal E wird zu einer Korrekturschaltung 17 übertragen. Die Korrekturschaltung 17 speichert einen dem Diagnosesignal E entsprechenden Digitalwert, korrigiert den erfassten Wert Vh bei der Feuchtigkeitsmessung und gibt das korrigierte Signal als Feuchtigkeitsmesssignal Sout aus.
Der Widerstand 9 und der Widerstand 10 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material und haben einen geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Der Widerstand 9 und der Widerstand 10 werden bevorzugt durch Strukturieren desselben Widerstandsfilms durch einen Halbleiterprozess hergestellt. Hierdurch können bei einer Brückenschaltungskonfiguration, wie in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform dargestellt, eine sehr kleine Temperaturänderung des Widerstands zwischen den Widerständen 9 und 10 und ihre Aufhebung erreicht werden, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Erkennung der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 führt.
Die Schalter SW1, SW2 und SW3 können durch MOS-Transistor oder dergleichen verwendende Halbleiterschalter gebildet werden. Hierdurch können die Schalter ein schnelles elektrisches Schalten bewirken und zusammen mit den Reglerschaltungen 11, 12, der Vergleichsschaltung 14 und der Korrekturschaltung 17 als Einzelchip-LSI gebildet werden, wodurch eine Miniaturisierung erreicht werden kann.
In Bezug auf das vorstehend beschriebene Schalten zwischen dem Feuchtigkeitsmessmodus und dem Diagnosemodus sei bemerkt, dass der Diagnosemodus aktiviert werden kann, wenn die Stromversorgung für die Gassensorvorrichtung 100 eingeschaltet wird. Das heißt, dass die Kalibrierheizung 5 während des Zeitraums vom Einschalten der Stromversorgung der Gassensorvorrichtung 100 bis zum Beginn der Messung der physikalischen Größe des Gases betrieben wird, um die Detektionsheizung 3 zu diagnostizieren. Zusammen mit der Entfernung von Wassertröpfchen und Verunreinigungen auf dem Sensorelement 1 durch die Kalibrierheizung 5 kann der Betrag der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 diagnostiziert werden und kann der Korrekturbetrag aktualisiert werden. Anschließend ist eine Feuchtigkeitsmessung in einem Zustand möglich, in dem Verunreinigungen des Sensorelements 1 entfernt wurden, wodurch eine genauere Feuchtigkeitsmessung ermöglicht wird.
Zusätzlich kann selbst nach dem Einschalten der Stromversorgung mit einem vorgegebenen Zyklus in den Diagnosemodus geschaltet werden. Dies ermöglicht eine periodische Diagnose und Korrektur selbst in einer Umgebung, die wahrscheinlicher eine Verschlechterung fördert. Zusätzlich kann die Temperatur der Detektionsheizung 3 entsprechend dem Messgas erhöht werden, um die Empfindlichkeit zu verbessern. Die Erhöhung der Temperatur der Detektionsheizung 3 würde jedoch die Verschlechterung der Detektionsheizung 3 hervorheben. Dementsprechend ist es bevorzugt, die Detektionsheizung 3 periodisch zu diagnostizieren und den Korrekturbetrag zu aktualisieren, um den mit der Verschlechterung einhergehenden Messfehler zu verringern.
Ferner kann der Diagnosemodus von außerhalb der Gassensorvorrichtung 100 durch einen Befehl aktiviert werden. Beispielsweise empfängt die Gassensorvorrichtung 100 ein elektrisches Signal von einer Host-Vorrichtung in der Art einer Motorsteuereinheit (ECU) und diagnostiziert und korrigiert dann die Detektionsheizung 5. Dies ermöglicht die Diagnose der Detektionsheizung 3 in einer für die Diagnose und Korrektur der Gassensorvorrichtung 100 geeigneten stabilen Umgebung, beispielsweise während des Anhaltens oder eines Leerlaufzustands des Motors, so dass sich die Diagnosegenauigkeit weiter verbessern lässt.
Es ist auch möglich, ein einem Diagnoseergebnis entsprechendes Signal von der Gassensorvorrichtung 100 auszugeben, wodurch die Host-Vorrichtung das von der Gassensorvorrichtung 100 erhaltene Messsignal korrigieren kann.
Bei einem Beispiel eines auf die Korrektur des durch eine Verschlechterung der Detektionsheizung 3 hervorgerufenen Fehlers anwendbaren Verfahrens wird eine Technik eingesetzt, bei der die Korrekturschaltung 17 verwendet wird, um einen dem Diagnosesignal E entsprechenden Offset zum Detektionssignal (Vh) vom Sensorelement 1 zu addieren. Ferner kann ein Verfahren zum Ändern eines Steuerparameters der Reglerschaltung 11 entsprechend dem Diagnosesignal E verwendet werden.
Zweite beispielhafte Ausführungsform
Es wird eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform wird beschrieben, wobei sich auf den Unterschied gegenüber der ersten beispielhaften Ausführungsform konzentriert wird und auf die Beschreibung ähnlicher Konfigurationen wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform verzichtet wird. Die gleichen Konfigurationen wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und es wird auf die Beschreibung ähnlicher Teile verzichtet.
Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist die Gassensorvorrichtung 100 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform ferner eine Konfiguration auf, wodurch der Einfluss von Verunreinigungen verringert werden kann.
Beispielsweise könnte das Sensorelement 1 durch die Ankunft von Öldampf oder dergleichen während der Verwendung verunreinigt werden, falls die Gassensorvorrichtung 100 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zur Messung der Ansaugfeuchtigkeit eines Automotors verwendet wird. Überdies wird die Detektionsheizung 3 beim Sensorelement 1 auf eine hohe Temperatur erwärmt und führt daher dazu, dass wenig Öl anhaftet. Dagegen hat der Referenzwiderstand 4 eine niedrige Temperatur, so dass es wahrscheinlich ist, dass Öl haften bleibt. Daher hängen die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Dünnfilmabschnitts vom Unterschied des Betrags der Ölanhaftung ab. Eine ungleichmäßige Verunreinigung des Sensorelements 1 führt dazu, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Detektionsheizung 3 und dem Referenzwiderstand 4 auftritt, wenn die Kalibrierheizung 5 betätigt wird. Die Differenz zwischen dem Widerstandswert der Detektionsheizung 3 und dem Widerstandswert des Referenzwiderstands 4 infolge dieser Temperaturdifferenz würde zu einem Fehler bei der Diagnose führen, was zu einer Verschlechterung der Diagnosegenauigkeit führt.
Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform muss die Kalibrierheizung 5 selbst während der Diagnose betrieben werden, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen. Vorzugsweise wird die Kalibrierheizung 5 ständig betrieben, während die Stromversorgung für die Gassensorvorrichtung 100 eingeschaltet ist, um die Wirkungen weiter zu verstärken. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass der Referenzwiderstand 4 auf einer oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur gehalten wird, so dass das Anhaften von Verunreinigungen verringert werden kann. Vorzugsweise würde das Erwärmen der Kalibrierheizung 5 auf 200 °C oder höher die Anhaftung einer ölartigen Substanz sowie von Wassertröpfchen unterdrücken können, so dass sich die Diagnosegenauigkeit verbessern lässt. Zusätzlich würde hierdurch die Wartezeit bis zur Entfernung der Verunreinigungen beseitigt werden, so dass die Diagnosezeit verringert werden kann. Zusätzlich muss bei der Diagnose nicht auf den Anstieg der Temperatur der Kalibrierheizung 5 gewartet werden, so dass die Diagnose in einer kürzeren Zeit ausgeführt werden kann.
5 zeigt eine Temperaturverteilung des Sensorelements 1 gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform.
Bei der Feuchtigkeitsmessung weist die Position X3, an der sich die Detektionsheizung 3 befindet, die Messtemperatur Tm auf, während die Peripherie, welche die Position X4 aufweist, an der sich der Referenzwiderstand 4 befindet, die Temperatur Tc der Kalibrierheizung 5 aufweist, wie in 5 durch eine unterbrochene Linie A dargestellt ist. Die Messtemperatur Tm beträgt vorzugsweise 300 °C oder mehr, und die beispielhafte Ausführungsform gibt einen Beispielfall an, in dem die Heiztemperatur 500 °C beträgt. Die Temperatur Tc der Kalibrierheizung 5 ist in einen Bereich unterhalb jener der Detektionsheizung 3 gelegt, worin die Verschlechterung des Referenzwiderstands 4 gering ist, wobei die Temperatur Tc beispielsweise auf einen Wert zwischen 200 °C und 300 °C gelegt werden kann.
Selbst wenn die Peripherie der Detektionsheizung 3 auf die vorstehend beschriebene Temperatur Tc erwärmt wird, hängt der Betrag der Wärmestrahlung der Detektionsheizung 3 von der Feuchtigkeit ab. Dementsprechend kann die Feuchtigkeit durch Erfassen der Leistung der Detektionsheizung 3 gemessen werden. Weil die Temperatur in der Peripherie der Detektionsheizung 3 auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann, kann die Änderung des Betrags der Wärmestrahlung der Detektionsheizung 3 infolge der Umgebungstemperatur Ta verringert werden.
Als nächstes wird der Diagnosevorgang zum Erreichen einer sehr genauen Erfassung einer Verschlechterung des Widerstandswerts der Detektionsheizung 3 beschrieben. Wie in 5 durch die durchgezogene Linie B dargestellt ist, können ähnlich wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform bei der Diagnose durch Unterbrechen der Erwärmung der Detektionsheizung 3 die Detektionsheizung 3, die sich an der Position X3 in der Zeichnung befindet, und der Referenzwiderstand 4, der sich an der Position X4 befindet, wie gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform auf der gleichen Diagnosetemperatur Tc gehalten werden. Ein Vergleich der elektrischen Eigenschaft der Detektionsheizung 3 und der elektrischen Eigenschaft des Referenzwiderstands 4 zu dieser Zeit ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der Verschlechterung der Detektionsheizung 3. Die Temperatur wird selbst bei einer Schwankung der Umgebungstemperatur Ta bei jeder Ausführung einer Diagnose durch die Kalibrierheizung 5 auf denselben Wert geregelt, wodurch eine sehr genaue Erfassung des Grads der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 erreicht werden kann.
Dritte beispielhafte Ausführungsform
Es wird eine dritte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform wird beschrieben, wobei sich auf den Unterschied gegenüber der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform konzentriert wird und auf die Beschreibung ähnlicher Konfigurationen wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform verzichtet wird. Die gleichen Konfigurationen wie bei der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und es wird auf die Beschreibung ähnlicher Teile verzichtet.
6 ist eine Draufsicht eines Sensorelements 20 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform.
Das Sensorelement 20 weist das aus monokristallinem Silicium bestehende Substrat 2 auf. Das Substrat 2 weist einen Hohlraum 6a und einen Hohlraum 6b auf. Die Hohlräume 6a und 6b sind von Membranträgern 8a und 8b bedeckt. Die Detektionsheizung 3 und die Kalibrierheizung 5 sind auf den Membranträgern 8a und 8b im Hohlraum 6a angebracht. Im Hohlraum 6b sind ein Referenzwiderstand 4 und eine Kalibrierheizung 5 angebracht. Die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 erstrecken sich entlang einer Ebene der Membranträger 8a und 8b, so dass sie ein Widerstandsmuster mit mehreren Faltungen bilden. Die im Hohlraum 6a ausgebildete Kalibrierheizung 5 und die im Hohlraum 6b ausgebildete Kalibrierheizung 5 bestehen aus demselben Material in Form eines Widerstandsmusters.
Die Kalibrierheizung 5 ist so angebracht, dass sie die beiden Hohlräume 6a und 6b durchläuft und die Detektionsheizung 3 im Hohlraum 6a umgibt, während sie den Referenzwiderstand 4 im Hohlraum 6b umgibt. Das heißt, dass die Kalibrierheizung 5 den Bereich, in dem sich die Detektionsheizung 3 befindet, und den Bereich, in dem sich der Referenzwiderstand 4 befindet, trennt. Die Kalibrierheizung 5 kann aus dem gleichen Material wie die Detektionsheizung 3 und der Referenzwiderstand 4 bestehen.
Die Detektionsheizung 3 ist mit Elektrodenkontaktstellen 7a und 7b verbunden, die auf dem Substrat 2 zur Verbindung mit der Treiberschaltung ausgebildet sind. Der Referenzwiderstand 4 ist mit Elektrodenkontaktstellen 7c und 7d verbunden, während die Kalibrierheizung 5 mit Elektrodenkontaktstellen 7e und 7f verbunden ist. Es sei bemerkt, dass die Treiberschaltung ähnlich wie die in 4 dargestellte und in der ersten beispielhaften Ausführungsform beschriebene ausgelegt ist.
7 zeigt einen Querschnitt entlang einer in 6 dargestellten Linie VII-VII.
Das Sensorelement 20 weist das aus monokristallinem Silicium bestehende Substrat 2 auf. Das Substrat 2 weist einen Hohlraum 6a und einen Hohlraum 6b auf. Die Hohlräume 6a und 6b werden durch gleichzeitige Bearbeitung des monokristallinen Siliciumsubstrats 2 durch anisotropes Ätzen, isotropes Ätzen oder dergleichen gebildet.
Die Membranträger 8a und 8b befinden sich übereinander geschichtet auf der oberen Fläche des Substrats 2 und bedecken die Hohlräume 6a und 6b. Die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 sind zwischen dem Membranträger 8a und dem Membranträger 8b bereitgestellt. Das heißt, dass die Detektionsheizung 3, der Referenzwiderstand 4 und die Kalibrierheizung 5 sandwichförmig zwischen dem Membranträger 8a und dem Membranträger 8b angeordnet sind.
8 zeigt die Temperaturverteilung entlang dem Röntgenbild des Sensorelements 20 aus 6.
Während der Feuchtigkeitsmessung hat die Position X3, an der sich die Detektionsheizung 3 befindet, eine Messtemperatur Tm, wie in 8 durch eine unterbrochene Linie A angegeben ist. Die Messtemperatur Tm beträgt vorzugsweise wenigstens 300 °C, und die beispielhafte Ausführungsform gibt einen beispielhaften Fall an, in dem die Heiztemperatur 500 °C beträgt. Die Leistung, die erforderlich ist, um die Detektionsheizung 3 auf der Messtemperatur Tm zu halten, hängt vom Betrag der Wärmeabstrahlung an die Luft ab. Weil der Betrag der Wärmeabstrahlung von der Feuchtigkeit abhängt, kann die Feuchtigkeit durch Kompensieren der Umgebungstemperatur unter Verwendung der Kalibrierheizung 5 zur Kalibrierung anhand der Leistung der Detektionsheizung 3 gemessen werden.
Es wird der Diagnosevorgang zur Erkennung der Verschlechterung des Widerstandswerts der Detektionsheizung 3 beschrieben. Wie durch die durchgezogene Linie B in 8 dargestellt ist, werden, wenn der Heizstrom der Detektionsheizung 3 unterbrochen wird und die Kalibrierheizung 5 während der Diagnose erwärmt wird, die Detektionsheizung 3, die sich an der Position X3 in der Zeichnung befindet, und der Referenzwiderstand 4, der sich an der Position X4 befindet, wie gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform gleichzeitig erwärmt und auf der gleichen Diagnosetemperatur Tc gehalten. Ein Vergleich der elektrischen Eigenschaft der Detektionsheizung 3 und der elektrischen Eigenschaft des Referenzwiderstands 4 zu dieser Zeit ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der Verschlechterung der Detektionsheizung 3. Die Temperatur wird selbst bei einer Schwankung der Umgebungstemperatur Ta bei jeder Ausführung einer Diagnose durch die Kalibrierheizung 5 auf denselben Wert geregelt, wodurch eine sehr genaue Erfassung des Grads der Verschlechterung der Detektionsheizung 3 erreicht werden kann. Mit anderen Worten können die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaft der Detektionsheizung 3 und die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaft des Referenzwiderstands 4 beseitigt werden.
Der Hohlraum 6a und der Hohlraum 6b des in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform dargestellten Sensorelements 20 weisen wünschenswerterweise einen Membranträger mit der gleichen Größe und dem gleichen Aufbau auf. Zusätzlich bestehen die Kalibrierheizungen 5, die einzeln im Hohlraum 6a und im Hohlraum 6b ausgebildet sind, wünschenswerterweise aus dem gleichen Material. Bei dieser Konfiguration stimmen die Wärmekapazität und die Wärmeleitung zwischen der Detektionsheizung 3 und dem Referenzwiderstand 4 überein, und es wird ein Abgleich der durch die Kalibrierheizung 5, die im Hohlraum 6a ausgebildet ist, und die Kalibrierheizung 5, die im Hohlraum 6b ausgebildet ist, erzeugten Wärme erreicht. Dementsprechend kann ein zufrieden stellender Abgleich zwischen der Temperatur der Detektionsheizung 3 und der Temperatur des Referenzwiderstands 4 während der Diagnose erreicht werden. Dies führt zu einer erfolgreichen und sehr genauen Diagnose der Verschlechterung der Detektionsheizung 3.
Ähnlich wie gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform kann auch die vorliegende beispielhafte Ausführungsform eine Konfiguration zum Erwärmen der Kalibrierheizung 5 zu anderen Zeiten als während der Diagnose vorsehen, wobei die Kalibrierheizung 5 vorzugsweise konstant erwärmt wird. Hierdurch kann eine Verunreinigung des Referenzwiderstands 4 verringert werden und kann eine bessere Übereinstimmung zwischen der Temperatur der Detektionsheizung 3 und der Temperatur des Referenzwiderstands 4 während der Diagnose erreicht werden, wodurch die Verschlechterung der Detektionsheizung 3 mit hoher Genauigkeit diagnostiziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen einzelnen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann verschiedene Modifikationstypen einschließen. Beispielsweise wurden die vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen gerade ausreichend detailliert beschrieben, um ein klares Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, dass sie alle in der Konfiguration angegebenen Komponenten aufweist. Zusätzlich kann ein Teil einer Konfiguration einer beispielhaften Ausführungsform durch einen Teil einer Konfiguration einer anderen beispielhaften Ausführungsform ersetzt werden. Ein Teil der Konfiguration einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann zu einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform hinzugefügt werden. Überdies könnten Teile der Konfiguration der jeweiligen beispielhaften Ausführungsformen zu einer anderen Konfiguration hinzugefügt werden, daraus entnommen werden und diese ersetzen.
Bezugszeichenliste

1: Sensorelement
2: Substrat
3: Detektionsheizung
4: Referenzwiderstand
5: Kalibrierheizung
6: Hohlraum
7a bis 7f: Elektrodenkontaktstelle
8a, 8b: Membranträger
9: Widerstand
10: Widerstand
11: Steuerschaltung
12: Widerstand
13: Steuerschaltung
14: Vergleichsschaltung
15: Differenzverstärker
16: Analog-Digital-Wandler
17: Korrekturschaltung
20: Sensorelement
100: Gassensorvorrichtung

Claims

Gassensorvorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen wärmeisolierenden Film (8a, 8b), der auf einem Substrat (2) ausgebildet ist, eine erste Heizung (3), die auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) bereitgestellt ist und dafür ausgelegt ist, eine physikalische Größe von Gas zu messen, und einen Referenzwiderstand (4), der in einer mit der ersten Heizung (3) gemeinsamen Widerstandsschicht auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) ausgebildet ist, wobei die Gassensorvorrichtung ferner eine zweite Heizung (5) auf dem wärmeisolierenden Film (8a, 8b) aufweist, welche die erste Heizung (3) und den Referenzwiderstand (4) gleichzeitig erwärmt, und eingerichtet ist, die zweite Heizung (5) während der Diagnose der ersten Heizung (3) zu verwenden und das Betreiben der ersten Heizung (3) während des Betriebs der zweiten Heizung (5) zu unterbrechen.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner Folgendes aufweist: eine Brückenschaltung (3, 4, 9, 10), welche die erste Heizung (3) und den Referenzwiderstand (4) aufweist, wobei die erste Heizung (3) auf der Grundlage eines Differenzspannungssignals der Brückenschaltung (3, 4, 9, 10) diagnostiziert wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Signalkorrektur entsprechend der unter Verwendung der ersten Heizung (3) gemessenen physikalischen Größe des Gases auf der Grundlage des Differenzspannungssignals ausgeführt wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Heizung (5) während eines Zeitraums vom Beginn der Stromzufuhr bis zum Beginn der Messung der physikalischen Größe des Gases betrieben wird und die Diagnose der ersten Heizung (3) während dieses Zeitraums ausgeführt wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diagnose der ersten Heizung (3) mit einem vorgegebenen Zyklus durch Schalten zwischen dem Messen der physikalischen Größe des Gases unter Verwendung der ersten Heizung (3) und der Diagnose unter Verwendung der zweiten Heizung (5) ausgeführt wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Signal, das einem Diagnoseergebnis der ersten Heizung (3) entspricht, von der Gassensorvorrichtung ausgegeben wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diagnose der ersten Heizung (3) unter Verwendung der zweiten Heizung (5) entsprechend einem Signal, das von außerhalb der Gassensorvorrichtung zugeführt wird, geschieht.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der zweiten Heizung (5) wenigstens 125 °C beträgt.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Heizung (3) und der Referenzwiderstand (4) aus einem metallischen Material bestehen und die Temperatur der zweiten Heizung (5), welche die erste Heizung (3) und den Referenzwiderstand (4) erwärmt, höchstens 300 °C beträgt.