JP2014209083A - Absolute humidity sensor and absolute humidity sensor chip used for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体中の水蒸気量を計測するための熱伝導型センサとしての絶対湿度センサに関するものである。 The present invention relates to an absolute humidity sensor as a heat conduction sensor for measuring the amount of water vapor in a gas.
本出願人は、先に、白金(Pt)薄膜の感温抵抗体を基板から熱分離した薄膜に形成し、これをヒータ兼温度センサとして用い、熱伝導型センサとして動作させて、ホイートストンブリッジを用いて、周囲温度が変化しないうちの短時間に所定の2つの異なる温度Thと温度Tlとに室温から昇温させて、それらの温度にさせるために必要なそれぞれの消費電力(ヒータへの印加電圧VhとVlのそれぞれの2乗)の引き算をして、室温の効果を打ち消すようにさせた湿潤空気の絶対湿度の計測法を提案した(特許文献1参照)。 The applicant first formed a platinum (Pt) thin film temperature sensitive resistor into a thin film thermally separated from the substrate, used it as a heater and temperature sensor, operated as a heat conduction type sensor, and formed a Wheatstone bridge. Use each of the power consumption (applying to the heater) required to raise the temperature from room temperature to two different temperatures Th and Tl in a short time while the ambient temperature does not change We proposed a method for measuring the absolute humidity of wet air by subtracting the squares of the voltages Vh and Vl to cancel the effect of room temperature (see Patent Document 1).
そこでは、湿度となる水蒸気の熱伝導率は、120−150℃付近より低温では、空気の熱伝導率より小さく、120-150℃付近より高い温度では、急速に増大する。すなわち、120−150℃付近では、水蒸気の熱伝導率と空気の熱伝導率が等しくなり、水蒸気量に関係なくなるので、この120−150℃付近の温度を一方の所定の低い方の温度として設定すると、絶対湿度の校正が楽になること、そして、他方の所定の温度を400℃程度の高温にして、それぞれに供給している電力を同時に計測して、それらの差を求めるようにすると室温の影響を除いた絶対湿度が求められることを示した。 There, the thermal conductivity of water vapor, which is humidity, is smaller than the thermal conductivity of air at a temperature lower than about 120-150 ° C., and rapidly increases at a temperature higher than about 120-150 ° C. That is, in the vicinity of 120 to 150 ° C., the thermal conductivity of water vapor is equal to the thermal conductivity of air and is not related to the amount of water vapor. Therefore, the temperature in the vicinity of 120 to 150 ° C. is set as one predetermined lower temperature. Then, it becomes easier to calibrate the absolute humidity, and when the other predetermined temperature is set to a high temperature of about 400 ° C. and the power supplied to each is measured at the same time and the difference between them is obtained, It was shown that absolute humidity excluding the influence is required.
しかしながら、水蒸気の熱伝導率は高温になる程増大するので、400℃以上の高温にヒータ加熱させた方が望ましいが、400℃以上の高温にさせると高感度になることが分かっていても、抵抗温度係数の大きいPt薄膜等の測温抵抗体をヒータ兼絶対温度センサとして用いているために、高温での動作が困難であることが問題になっている。これは、測温抵抗体としての機能では、センシング部の抵抗値が配線抵抗値よりも充分大きいことが求められ、細く長いPt薄膜パターンが必要になる。しかし、一方では、ヒータとしてこれを機能させると、細く長いPt薄膜パターンのうち、狭くなっているパターンの個所の抵抗が特に部分的に大きくなっているために、この個所での発熱が大きくなり、パターンの断線に繋がるという問題が発生し、これの解決策が必要になっていた。 However, since the thermal conductivity of water vapor increases as the temperature rises, it is desirable to heat the heater to a high temperature of 400 ° C. or higher. Since a resistance temperature detector such as a Pt thin film having a large resistance temperature coefficient is used as a heater and an absolute temperature sensor, it is problematic that operation at a high temperature is difficult. This is because the resistance value of the sensing unit is required to be sufficiently larger than the wiring resistance value in the function as a resistance temperature detector, and a thin and long Pt thin film pattern is required. However, on the other hand, when this is made to function as a heater, among the thin and long Pt thin film patterns, the resistance of the narrow pattern part is particularly large, so the heat generation at this part increases. The problem of being connected to the disconnection of the pattern occurred, and a solution for this was necessary.
また、薄膜を室温から温度Thと温度Tlとに上昇させるに必要な電力は、ヒータの内部抵抗をRとして、それぞれVh2/RとVl2/Rとなる。室温の効果を打ち消すようにするためには、電力の差引としなければならなから、電力から見るとヒータへの印加電圧であるVhとVlとは、それぞれの電力の1/2乗となるので、VhとVlとの差が余り大きくならない、すなわち、絶対湿度計測のためには、感度が小さいという問題があった。 Further, the electric power required to raise the thin film from room temperature to temperature Th and temperature Tl is Vh 2 / R and Vl 2 / R, where R is the internal resistance of the heater. In order to cancel the effect of room temperature, the power must be subtracted. From the viewpoint of power, the applied voltages to the heater, Vh and Vl, are 1/2 power of each power. The difference between Vh and Vl is not so large, that is, there is a problem that the sensitivity is low for absolute humidity measurement.
本出願人は、宙に浮いた薄膜を二分割し、更に互いに熱抵抗を持つように構成してあり、一方の薄膜10Aにヒータと絶対温度センサである温度センサ20Aとを形成し、他方の薄膜10Bに絶対温度センサである温度センサ20Bを形成して、絶対湿度センサとして、2個の加熱パルスヒータ電圧印加による所定の2つの異なる温度ThとTlのうちの低い温度Tlを、150℃から270℃まで引き上げても、それほど大きな誤差にならないことを示し、温度にヒータによる周囲媒体である気体への熱伝導による温度変化を利用して気体の絶対湿度、気流や真空度などを計測する気体センシングシステムを提案した(特許文献2参照)。そして、そこでは、ヒータと温度を計測する温度センサとは、独立にすると共に、温度センサには、絶対温度が直接計測できる絶対温度センサを用いることで、上述のヒータ兼絶対温度センサの問題を解決した。ただ、ここで絶対温度センサを使用しているために、ヒータ加熱による宙に浮いた薄膜の温度上昇分の計測には、必ず2個の絶対温度センサを必要とし、これらの温度係数の違いからくる誤差が常に存在するために高精度温度上昇分の計測には不向きであった。 The applicant of the present invention divides a thin film suspended in the air into two parts and further has a thermal resistance. One thin film 10A is formed with a heater and a temperature sensor 20A as an absolute temperature sensor, and the other is formed. A temperature sensor 20B, which is an absolute temperature sensor, is formed on the thin film 10B. As an absolute humidity sensor, a low temperature Tl of two predetermined different temperatures Th and Tl by applying two heating pulse heater voltages is changed from 150 ° C. It shows that even if it is raised to 270 ° C, it does not cause a large error, and the temperature is measured by measuring the absolute humidity, airflow, vacuum, etc. A sensing system was proposed (see Patent Document 2). In this case, the heater and the temperature sensor for measuring the temperature are independent from each other, and the absolute temperature sensor capable of directly measuring the absolute temperature is used as the temperature sensor. Settled. However, since an absolute temperature sensor is used here, two absolute temperature sensors are always required to measure the temperature rise of the thin film floating in the air due to heater heating. Since there is always an error to come, it is not suitable for measuring high-accuracy temperature rise.
本出願人は、更に、熱電対の熱起電力に基づくゼーベック電流は微小電流であることが多く、これを高いS/Nで増幅して出力とするのに、このゼーベック電流を時間積分すると良いことを提案した(特許文献3参照)。ゼーベック電流を時間積分することにより、瞬時のゼーベック電流の計測では、ノイズを含み再現性に乏しいが、ノイズとは、長時間時間積分するとその積分値はゼロになるという性質があり、これが使用できるので、高いS/Nが得られること、更に、時間積分することで、ゼーベック電流の小さな変化を積分により大きな値にすることができるので、ゼーベック電流の変化を拡大できる(増幅できる)と考えている。 Further, the applicant of the present invention often has a very small Seebeck current based on the thermoelectromotive force of the thermocouple, and in order to amplify this with a high S / N and output it, the Seebeck current may be integrated over time. This was proposed (see Patent Document 3). By integrating the Seebeck current with time, instantaneous Seebeck current measurement includes noise and poor reproducibility, but noise has the property that the integration value becomes zero when integrated for a long time, which can be used. Therefore, it is considered that a high S / N can be obtained, and further, by integrating over time, a small change in the Seebeck current can be increased by integration, so that the change in the Seebeck current can be expanded (amplified). Yes.
本出願人は、温度計測に温度差センサである薄膜熱電対を用いると、基板の温度(室温)を基準とした温度変化分、すなわち、温度差のみしか出力しないこと、所定電力で加熱すると、周囲温度(室温)に依らず室温を基準にして温度上昇し、加熱を止めるとやがて温度上昇分はゼロ、すなわち室温に戻り、出力がゼロになるという性質があり、ゼロ位法が適用しやすいことなどに気づいた。また、ヒータ加熱した薄膜が周囲気体の気圧、流れ、ガス濃度などの物理用により等価的にその気体の熱伝導率が変化することにより、ヒータ加熱中や冷却過程で、薄膜からの熱の奪われ方が変化することで、薄膜に形成している温度センサの出力変化を計測して周囲媒気体の物理量を計測するという原理の熱伝導型センサには、ゼロ位法が適用できる温度差センサである薄膜熱電対が最も好都合であることに気づいた。更に、この薄膜熱電対をヒータとしても使用できないか検討した。 When the thin film thermocouple which is a temperature difference sensor is used for temperature measurement, the applicant of the present invention outputs a temperature change based on the temperature of the substrate (room temperature), that is, only outputs the temperature difference, when heated with a predetermined power, The temperature rises on the basis of room temperature regardless of the ambient temperature (room temperature), and when heating is stopped, the temperature rise will eventually return to zero, that is, return to room temperature, and the output will be zero. I noticed that. In addition, the heat conductivity of the thin film heated by the heater is equivalently changed by physical use such as atmospheric pressure, flow, and gas concentration of the surrounding gas, so that the heat is removed from the thin film during the heating of the heater and during the cooling process. A temperature difference sensor that can apply the zero method to the heat conduction sensor based on the principle that the physical quantity of the ambient medium gas is measured by measuring the output change of the temperature sensor formed in the thin film by changing the cracking method. It has been found that a thin film thermocouple is most convenient. Furthermore, it was examined whether this thin film thermocouple could be used as a heater.
本出願人は、上述のことから、薄膜熱電対を温度差センサとして使用するばかりでなく、内部抵抗があり、オーム性が良いことから、加熱用ヒータとして利用できること、そして、1個の薄膜熱電対を時分割により、ヒータとしての動作と温度差センサとしての動作を行わせることができることを提案した(特許文献4参照)。 From the above, the applicant of the present invention not only uses a thin film thermocouple as a temperature difference sensor, but also has an internal resistance and good ohmic characteristics, so that it can be used as a heater for heating, and one thin film thermocouple. It was proposed that the operation as a heater and the operation as a temperature difference sensor can be performed by time-sharing the pair (see Patent Document 4).
そして、そこでは、1個の温度差センサである薄膜熱電対をヒータとの兼用として用いると、極めて構造が簡単になり、製造工程も簡略化でき、歩留まりの良いセンサチップを形成しやすいという利点と、小型化しやすいので、大量生産化できるので安価なセンサチップができるという利点の他に、薄膜熱電対は、温度差センサであるから、上述のように、室温からヒータ加熱した薄膜は、ヒータ停止後、必ず室温に戻るということで、室温との温度差を計測すると高精度な計測技術であるゼロ位法が適用できるという大きな利点がある。しかし、上述のように、熱伝導センサとして、薄膜をヒータ加熱している時の温度を本来計測したいのであるが、そのヒータ加熱中は、温度計測ができないという問題のため、加熱停止直後の温度や加熱停止後の所定の時間後の温度を計測して、これをヒータ加熱中の温度に代替にすることができることも提案した。 Then, if a thin film thermocouple, which is a single temperature difference sensor, is also used as a heater, the structure becomes extremely simple, the manufacturing process can be simplified, and a sensor chip with good yield can be easily formed. Since the thin film thermocouple is a temperature difference sensor, the thin film heated from room temperature as described above is a heater in addition to the advantage that an inexpensive sensor chip can be manufactured because it is easy to downsize and mass production is possible. By returning to room temperature after stopping, there is a great advantage that if the temperature difference from room temperature is measured, the zero position method, which is a highly accurate measurement technique, can be applied. However, as described above, as a heat conduction sensor, we would like to measure the temperature when a thin film is heated by a heater. It was also proposed that the temperature after a predetermined time after stopping heating can be measured and replaced with the temperature during heating of the heater.
絶対湿度センサは、被計測気体中に含まれる、言わば、不純物ガスとしての水蒸気量の計測であり、不純物ガスが導入された気体中の熱伝導率の変化を計測する熱伝導型センサの原理を用いたものである。一般に熱伝導型センサは、周囲媒体中の不純物ガスや周囲媒体の流れなどの被測定物理量の変化に基づく周囲媒体の熱伝導率の変化(または、等価的な熱伝導率の変化)による加熱された薄膜の温度変化を計測することを、その基本原理にしている。しかし、その周囲媒体の熱伝導率自体、その周囲媒体の絶対温度に依存するものであり、一般には、周囲媒体が気体の場合、絶対温度が大きいほどその熱伝導率も大きくなる。室温で、同一の薄膜を一定の電力で加熱すると、室温からほぼ一定の温度上昇ΔTが達成される。例えば、温度上昇ΔTがほぼ100℃であったとすると、そのときの室温が、例えば、0℃であるか50℃であるかにより、薄膜の温度が、100℃になるか、150℃になるかということになる。熱伝導率の温度依存性のために、薄膜10の最高温度が100℃になったときの冷却のされ方と、150℃になったときの冷却のされ方とが異なり、周囲媒体の室温が何℃になっているかが絶対湿度などの物理量の計測に大きくかかわってくることになる。このように、周囲温度(室温)の効果を打ち消すようにすることが高精度の物理量である絶対湿度の計測には重要である。
The absolute humidity sensor is the measurement of the amount of water vapor contained in the gas to be measured, that is, the impurity gas, and the principle of the thermal conductivity sensor that measures the change in thermal conductivity in the gas into which the impurity gas is introduced. It is what was used. In general, a thermal conductivity sensor is heated by a change in the thermal conductivity of the surrounding medium (or an equivalent change in thermal conductivity) based on a change in the measured physical quantity such as impurity gas in the surrounding medium or the flow of the surrounding medium. The basic principle is to measure the temperature change of a thin film. However, the thermal conductivity of the surrounding medium itself depends on the absolute temperature of the surrounding medium. In general, when the surrounding medium is a gas, the higher the absolute temperature, the larger the thermal conductivity. When the same thin film is heated with a constant power at room temperature, a substantially constant temperature increase ΔT from room temperature is achieved. For example, if the temperature rise ΔT is approximately 100 ° C., whether the temperature of the thin film becomes 100 ° C. or 150 ° C. depending on whether the room temperature at that time is 0 ° C. or 50 ° C., for example. It turns out that. Due to the temperature dependence of the thermal conductivity, the cooling method when the maximum temperature of the
本発明は、従来の本願発明者の絶対湿度センサの持つ上述の問題点を解消するために改良したもので、被計測気体である空気などの気体中の水蒸気量、すなわち、絶対湿度を計測するために、基板から熱分離した薄膜に形成したヒータと薄膜熱電対と、基板に形成した絶対温度センサとを用い、加熱中もしくは、ヒータ加熱停止後に、薄膜の絶対温度を知るような温度計測を行い、周囲温度の影響を補正するようにし、露点情報等も得られるようにした高感度、高精度、高速応答で、小型化した熱伝導型センサとしての絶対湿度センサを提供することを目的としている。 The present invention has been improved in order to eliminate the above-described problems of the conventional inventor's absolute humidity sensor, and measures the amount of water vapor in a gas such as air as a measurement target gas, that is, the absolute humidity. Therefore, using a heater and thin film thermocouple formed in a thin film thermally separated from the substrate and an absolute temperature sensor formed on the substrate, temperature measurement is performed to know the absolute temperature of the thin film during heating or after the heater stops heating. The purpose is to provide a high-sensitivity, high-accuracy, high-speed response, absolute humidity sensor as a miniaturized heat-conducting sensor that can perform and correct the influence of ambient temperature and obtain dew point information. Yes.
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる絶対湿度センサは、基板1から熱分離した薄膜10に、ヒータ25と温度センサ20とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ25の加熱による前記薄膜10の温度変化を前記温度センサ20で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ20が温度差センサであること、前記ヒータ25に電圧を印加し、第1のヒータ加熱をして前記薄膜10が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第1のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ25で第2のヒータ加熱をして、前記薄膜10を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱し、それぞれのヒータ加熱に必要なヒータ25での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板1に備えた絶対温度センサ21の出力と温度センサ20の出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜10にも絶対温度センサ22を備えた場合には、その出力から薄膜10の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜10が絶対温度TlとThとに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
In order to achieve the above object, an absolute humidity sensor according to
温度センサ20としての温度差センサには、熱電対やサーモパイルがある。温度センサ20は、薄膜10に形成するものであるから、やはり薄膜であった方が、熱容量も小さく応答も速くMEMS技術などで形成しやすい。基板1の温度を基準点(例えば、冷接点)として、薄膜10に薄膜のヒータ25と共に、温度差センサの測定点(温接点)を形成すると、ヒータ加熱による温度上昇分は、室温が変化しても他の条件が等しいならば、ほぼ供給電力に比例し上昇し、ヒータ加熱を止め、冷却させると、再び室温に戻る。このように、一般に、本願出願の絶対湿度センサの基本原理である熱伝導型センサでは、このように周囲気体(被測定気体)の温度である室温への加熱部からの放熱を利用するので、表面積が大きく、熱容量が小さい温度センサ20として、薄膜状の温度差センサが好適である。
The temperature difference sensor as the
一般に、水蒸気も含む気体の熱伝導率は温度上昇と共に、ほぼ直線的に増大し、水蒸気の熱伝導率の温度に対するその直線の勾配は、空気の熱伝導率の温度に対する勾配よりも大きく、温度120℃から150℃付近で交差する。すなわち、この温度域で同一の熱伝導率になる。室温は、一般に、120℃から150℃よりも低い温度なので、所定の低い設定温度であるTlの一定温度に室温から加熱する場合、この温度Tlを、この120℃から150℃の範囲の温度になるように設定しておいた方が、多少の温度上昇のずれがあっても問題がなく、絶対湿度の計測誤差が小さくできるので、好適である。この温度域は、熱伝導率の湿度依存性(水蒸気濃度依存性)が無い温度領域なので、被測定気体の周囲温度である室温から所定のこの低い設定温度であるTlまで薄膜10をヒータ25で昇温させて、その時の温度センサ20の出力と、引き続く室温から所定の高い設定温度であるTh、例えば、500℃、まで薄膜10をヒータ25で昇温させた時の温度センサ20の出力との差の出力は、室温の効果を差し引くことになる。これは低い設定温度であるTlから高い温度であるThまでの差に基づく出力情報であり、低い設定温度であるTlでは、水蒸気の量にほぼ無関係な出力であるから、この差に基づく出力情報には、水蒸気の量に強く関係する量であることが分かっているので、予め用意して有る校正用データを利用して被測定気体中の水蒸気の量である絶対湿度を高精度に求めることができることが分かっている(特許文献1参照)。
In general, the thermal conductivity of a gas containing water vapor increases almost linearly as the temperature rises, and the slope of the straight line with respect to the temperature of the thermal conductivity of water vapor is greater than the gradient of air with respect to the temperature. Intersect around 120 ° C to 150 ° C. That is, the same thermal conductivity is obtained in this temperature range. Since the room temperature is generally lower than 120 ° C. to 150 ° C., when heating from room temperature to a predetermined low set temperature Tl, the temperature Tl is changed to a temperature in the range of 120 ° C. to 150 ° C. It is preferable to set so that there is no problem even if there is a slight temperature increase, and the measurement error of absolute humidity can be reduced. Since this temperature range is a temperature range where the thermal conductivity does not depend on humidity (water vapor concentration dependency), the
本願発明では、温度センサ20として、温度差センサである、例えば、薄膜熱電対を使用すると、その出力は薄膜10の基板温度からの温度上昇分のみの関数となる。従って、例えば、基板温度を絶対温度センサ21で計測し、更に、薄膜10の基板1からの温度差を温度差センサである温度センサ20で計測して、これらの和を求めるようにした絶対温度計測手段により薄膜10のヒータ25による加熱をした時の温度をヒータ加熱しながら計測することができる。このようにして、所定の設定温度である高い温度Thや低い温度Tlを加熱しながら計測して、所定のこれらの温度に達した時、ヒータ加熱を止めるような制御回路を設けることができる。もちろん、ヒータ加熱を止めると、元の室温に向かって薄膜10は、ニュートンの冷却の法則で冷えて行くことになる。湿潤気体中の絶対湿度である水蒸気量が多いと、所定の高い温度Thが、150℃を越えると湿潤気体の熱伝導率が大きくなるために、同一のヒータ25の加熱電力では、温度上昇が小さくなるので、小さな電力では、所定の高い温度Th、例えば500℃、まで到達しないことも予想される。これを所定の高い温度Thまで引き上げるには、高い温度Thまで引き上げられることができる大きなヒータ電力で駆動し、その時の高い温度Thまで到達するに必要な時間と消費電力との積である電力量を大きくしなければならない。このように、所定の低い温度Tlから所定の高い温度Thまで引き上げるに必要な消費電力量を比較することにより絶対湿度を計測することができる。設定温度ThとTlとに薄膜10を昇温させる時のそれぞれの消費電力PhとPlは、ヒータ25を抵抗温度係数が極めて小さいニクロム薄膜で形成すると、抵抗値がほぼ変化しないと見做すことができるので、それぞれのヒータ電圧VhとVlの2乗に比例すると近似することができる。従って、ヒータ電圧Vh、Vlを計測することにより、それぞれの消費電力が求まる。消費電力は、ヒータへの印加電圧の2乗をヒータ抵抗で除した値であるから、室温から所定の低い温度Tl(例えば、150℃)と所定の高い温度Th(例えば、500℃)まで引き上げるに必要なそれぞれのヒータ電圧、VhとVl、とを等しくしてある場合(Va=Vh=Vl)は、消費電力は等しくなるので、消費電力量の比較は、結局、TlとThとに到達するに要するそれぞれの時間、tlとthとの比較と考えて良い。従って、Δt=th―tlの値を求めることにより、周囲温度(室温)の影響を除くように補正することができる。
In the present invention, when a temperature difference sensor, for example, a thin film thermocouple is used as the
ここに、上述のように、Δt=th―tlの値を求めることにより、周囲温度(室温)の影響を除くように補正することができることの理論的根拠を説明する。また、本願発明では、電力量の比較により、測定量である到達時間thとtlとの差を求めることになるので、上述した従来の測定原理で、測定量であるヒータ電圧VhとVlを用いて、電力の比較であるVh2/RとVl2/Rとの差を求めた場合に比較して、高感度計測になることも分かる。ここでは、下記の実施例1での図1に示すような基板1から熱分離した単純構成の単一の薄膜10を備えた熱伝導型センサチップを使用し、図3に示した本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートを用いて説明する。図3は、薄膜10に形成したヒータ25を印加電圧Vaで加熱し、被測定気体である湿潤空気中で薄膜10が室温Tr、例えば、20℃から所定の低い絶対温度Tl、例えば、150℃になる時点まで第1のヒータ加熱をして、絶対温度Tlに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温Trに戻るような加熱・冷却した場合と、次に、引き続き室温が変化しない間でヒータ25を同一の印加電圧Vaで加熱し、同一の湿潤空気中で薄膜10が同一の室温Trから所定の高い絶対温度Th、例えば、500℃になる時点まで第2のヒータ加熱をして、絶対温度Thに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却を繰り返した場合の薄膜10の温度上昇および温度降下の様子を示したものである。図3に示された破線は、ヒータ25の加熱を長い時間続けた場合の予想される薄膜10の温度上昇カーブである。ヒータ25を同一の印加電圧Vaで加熱した時、絶対温度Tlに到達するまでの時間をtlとし、絶対温度Thに到達するまでの時間をthとすると、ヒータ25でのそれぞれの消費電力量Jは、ヒータ25の抵抗をRとして、Jl=Va2・tl/R=P・tlとJh=Va2・th/R =P・thとなる。なお、ここで、ヒータ25は、ニクロム薄膜で作成すると、極めてその抵抗温度係数が小さいので、ヒータ25の抵抗Rの値は、温度依存性を持たないとしている。ここで、Pは、Va2 /Rなる共通の電力である。
Here, as described above, the theoretical basis that the value of Δt = th−tl can be corrected so as to eliminate the influence of the ambient temperature (room temperature) will be described. In the present invention, since the difference between the arrival times th and tl, which are measured quantities, is obtained by comparing the electric energy, the heater voltages Vh and Vl which are measured quantities are used in the conventional measurement principle described above. Thus, it can also be seen that the sensitivity measurement is higher than when the difference between Vh 2 / R and Vl 2 / R, which is a comparison of power, is obtained. Here, a heat conduction type sensor chip having a single
薄膜10が湿潤空気中にあり、これが電力Pで加熱された時の熱の方程式は、Cを薄膜の熱容量、Gを熱コンダクタンスとして考えると、Cは、一定値と考えることができるが、Gは、絶対湿度(水蒸気量)Hの関数であり、しかも同一の絶対湿度Hであっても、温度上昇と共に湿潤空気の熱伝導率が変わるので、時間や温度の関数と見なければならない。熱の方程式は、次のように表現される。
When the
これを、薄膜10が所定の温度Thに到達するまでの所要時間thで時間積分した電力量Jhと所定の温度Tlに到達するまでの所要時間tlで時間積分した電力量Jlとの差である差引電力量ΔJは、次のように表わされる。なお、図3に示すように、同一の電力Pでヒータ加熱をして、湿潤空気の絶対湿度Hが時間的に変動していない短時間では、薄膜10が所定の温度Thに到達する途中で、所定の温度Tlに至る同一の温度上昇カーブ上に重なるので、次式の単純な式で表現される差引電力量ΔJとなる。
This is the difference between the electric energy Jh time-integrated with the required time th until the
式数2で、G(t)ΔT(t)を時間tlからthに至る平均値で表現し、更に、G(t)は、絶対湿度Hの関数であるからGav(H)と表現し、ΔT(t)は、ΔTavと表現する。ΔTavは、TlからThに至る間の平均値の定数とし、更に、Gav(H)は、絶対湿度Hの関数であり、一定の絶対湿度Hの下での温度TlからThに至る間の平均値である。このGav(H)を取り出し、1/ΔTav をαとして表現するとつぎのようになる。 In Equation 2, G (t) ΔT (t) is expressed as an average value from time tl to th, and G (t) is a function of absolute humidity H, and is expressed as G av (H). , ΔT (t) is expressed as ΔTav. ΔTav is a constant of an average value from Tl to Th, and G av (H) is a function of the absolute humidity H, and between the temperature Tl and Th under a certain absolute humidity H. Average value. This G av (H) is extracted and 1 / ΔTav is expressed as α as follows.
式数3において、ヒータ25での消費電力P、設定温度Th、Tlは、こちらから設定するものであり、既知量である。時間th、tlは観測できる量であり、薄膜10の熱容量Cや定数αも、本来、定数であり、予めこれらの条件下で用意した校正用データを基に判明するものであるから、熱方程式の中での絶対湿度Hの関数であるGav(H)は、測定可能な所定の(設定)温度ThとTlとに到達するまでのそれぞれの時間thとtlとの差(Th-Tl)だけの単調な関数となることが分かる。このことから、Gav(H)は、所定のヒータ加熱設定電力P の下で、絶対湿度Hに対して、(th―tl)の計測により、一義的に決定されることが判明した。
In Equation 3, the power consumption P and the set temperatures Th and Tl in the
この場合、図3に示すように、消費電力量の比較のために、結局、異なる時間帯に出現するtlとthとの比較である(th―tl)の計測が必要であり、このためには、例えば、tlとthのそれぞれの時間を計測するのに、これらの時間だけコンデンサCに一定電流を流し続けると、コンデンサCの両端の電圧は、時間と共に直線的に増加することを利用し、このコンデンサの両端の電圧で、tlに対応する電圧Vlpとthに対応する電圧Vhpの少なくとも一方を、ピークホールド回路などで保持しておき、これらを直接差引演算もすることができる。もちろん、tlとthとを計測して、メモリに蓄え、ソフト的に差引演算をすることもできる。また、高速のクロックパルス数のカウントから時間を計測することもできる。 In this case, as shown in FIG. 3, it is necessary to measure (th−tl), which is a comparison between tl and th appearing in different time zones, in order to compare the power consumption. For example, when measuring a time of each of tl and th, if a constant current is continuously supplied to the capacitor C during these times, the voltage across the capacitor C increases linearly with time. At least one of the voltage Vlp corresponding to tl and the voltage Vhp corresponding to th with the voltage at both ends of the capacitor is held by a peak hold circuit or the like, and these can be directly subtracted. Of course, tl and th can be measured and stored in the memory, and the subtraction operation can be performed in software. It is also possible to measure time from a high-speed count of clock pulses.
本請求項1では、カンチレバ状や架橋構造状の単一の薄膜10に、ヒータ25と温度センサ20とを備えた場合であるから、室温(例えば、20℃)より高い温度である所定の絶対温度(設定温度)Thと所定の絶対温度(設定温度)Tlまで、薄膜10を昇温させるとき、ヒータ加熱は時間的ずらす必要があり、2つのヒータ加熱用の印加電圧で引き続きヒータ加熱する必要がある。しかも、被測定湿潤気体の温度である室温が、緩慢に、例えば、20℃から25℃に変動する場合でも、室温の効果を打ち消すように補正するためには、これらの室温の温度変動が無視できるような高速で、2つのヒータ加熱を行わなければならない。そのためには、先ず、薄膜10の熱容量が極めて小さく、高速応答性がある薄膜である必要がある。このためにも、薄膜10は基板1から熱分離した小型の薄膜である必要がある。なお、式数3から分かるように、所定の低い方の温度(設定温度)Tlを、必ずしも、気体の熱伝導率と水蒸気の熱伝導率とが等しくなる温度領域(気体が空気の場合は、この温度領域は、上述のように、120℃から150℃程度である)に設定する必要がないことが分かる。ただ、この温度領域にTlを設定すると、この温度域は絶対湿度に対して不感な温度領域であるので、設定温度が多少ずれても絶対湿度の計測誤差が少なくなるという利点がある。
In the first aspect of the present invention, since the
薄膜10の絶対温度を計測するには、基板1に形成してある絶対温度センサ21と温度センサ20としての温度差センサである薄膜熱電対を用いた場合は、1.絶対温度センサ21の出力から基板1の温度を計測して、更に、薄膜10に測定点(温接点)を有する薄膜熱電対を用いて、基板1の基準点からの温度上昇分(温度差)を計測して、これらの和を求めて薄膜10の絶対温度を求める方法、2.絶対温度センサ21として、温度に対して直線性の良い温度センサを用意し、その出力と、薄膜10に測定点(温接点)を有し、基板1を基準点にした温度上昇分に対応する(温度センサ20としての)薄膜熱電対の出力とを、例えば、同一の温度係数を持つように増幅回路などで調整して、これらの出力を回路上で合算させたり、または、ソフト上で合算させるなどして薄膜10の絶対温度を求める方法、3.絶対温度センサ21の出力から基板1の絶対温度を知り、この基板1の絶対温度を利用して、その温度から所定の設定温度ThとTlとに昇温させるために必要な温度差センサである薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を求めておき、これらの出力が得られた時に所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させるようにする方法、などがある。薄膜10を所定の絶対温度である設定温度ThとTlとに昇温させるための絶対温度計測手段は、これらの方法を用いるか、または、薄膜10に絶対温度センサ22を形成してある場合は、これを用いて、所定の設定温度ThとTlに到達したと判断した時に、その時の信号を外部に取り出せるようにするものである。基板1の絶対温度センサ21には、温度に対して直線性の良い絶対温度センサとして、pn接合ダイオードやトランジスタのエミッターベース間のpn接合を利用して、順電流一定の下での順電圧の温度による変化を計測するようなサーモダイオードとして用いることもできるし、白金抵抗体などを利用する測温抵抗体を用いることもできる。また、薄膜10に絶対温度センサ22を備えた場合には、基板1の絶対温度センサ21の信号は不要で、単に、絶対温度センサ22の出力信号から所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させればよい。そして、コンパレータなども搭載した絶対温度計測手段からの信号で、設定温度ThとTlに薄膜10が到達したと判断された時に、例えば、ヒータ加熱を止めるようにした制御回路を組むと良い。そして、ヒータ加熱を開始した時から、設定温度ThとTlに薄膜10が到達したと判断された時までのそれぞれの時間、thとtlとを上記した方法で計測すると良い。
In order to measure the absolute temperature of the
本発明の請求項2に係わる絶対湿度センサは、基板1から熱分離した同等な形状の少なくとも2個の薄膜10aと薄膜10bのうち、一方の薄膜10aには、ヒータ25aと温度センサ20aとを有し、他方の薄膜10bにも、ヒータ25bと温度センサ20bとを有した絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ25a、25bの加熱による前記薄膜10a、10bの温度変化を前記温度センサ20a、20bで計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ20a、20bが温度差センサであること、前記ヒータ25aに電圧を印加し、ヒータ加熱をして前記薄膜10aが室温から所定の温度Tlになるようにすると共に、同時に前記ヒータ25bにも電圧印加してヒータ加熱をして、前記薄膜10bを室温から前記所定の温度Tlとは異なる所定の温度Thになるまで加熱したこと、これらの温度Thと温度Tlとに加熱するに必要なそれぞれのヒータ25a、25bでの消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板1に備えた絶対温度センサ21の出力と温度センサ20a、20bのそれぞれの出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜10a、10bにも絶対温度センサ22を備えた場合には、その出力から薄膜10a、10bのそれぞれの絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜10aと薄膜10bとがそれぞれ絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
The absolute humidity sensor according to claim 2 of the present invention includes a
ここでは、基板1から熱分離した同等な形状の少なくとも2個の薄膜10aと薄膜10bを備えたセンサチップを用いた場合である。請求項1では、単一の薄膜10であったので、所定の温度Tlと、それとは異なる所定の温度Thに加熱し、それらのヒータ加熱電力量に関する出力の差(差引電力量)を求めるためには、ヒータ加熱を時間的にずらす必要があり、ピークホールド回路やメモリを用いるなどして、差引演算をする必要があった。ここでは、2個の薄膜10aと薄膜10bを備えているので、これらを同時に同一のヒータ電力で加熱し、薄膜10aが所定の温度Tlに到達する時間tlと、薄膜10bが所定の温度Thに到達する時間thとを同時に計測することができる。その分、高速に絶対湿度を計測できるが、2個の薄膜10aと薄膜10bによる相互加熱による対流効果などの影響を考慮して、配置を検討する必要がある。時間thの方が、時間tlよりも長いので、薄膜10aが時間tlに到達した時刻から薄膜10bが時間thに到達する時刻の差を求めるのに、例えば、上記したように、時間tlに到達した時刻からスタートさせる上述の一定電流を流すコンデンサCの両端の電圧の大きさやクロックパルス数のカウントから時間差を計測することもできる。
Here, a sensor chip including at least two
絶対湿度の計測方法に関しては、請求項1での上記した計測方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
The absolute humidity measurement method is the same as the measurement method described in
本発明の請求項3に係わる絶対湿度センサは、基板1から熱分離した薄膜10に、ヒータ25と温度センサ20とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ25の加熱による前記薄膜10の温度変化を前記温度センサ20で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ20が温度差センサであること、前記ヒータ25に電圧を印加し、ヒータ加熱をして、前記薄膜10を室温から前記所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20の出力電圧を所定の期間、時間積分して、その時間積分値の出力の情報と、前記絶対温度Thとは異なる所定の絶対温度Tlにおける温度センサ20の出力電圧とを利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板1に備えた絶対温度センサ21の出力と温度センサ20の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜10にも絶対温度センサ22を備えた場合にはその出力から、薄膜10の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜10が絶対温度Thに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
The absolute humidity sensor according to claim 3 of the present invention is provided with an absolute humidity sensor chip having a
ここでの発明の上述の請求項1の発明との大きな違いは、請求項1では、温度Thと温度Tlとに加熱するに必要なそれぞれのヒータ25での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたものであったのに対して、ここでは、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたことである。なお、出力電圧を所定の期間だけ時間積分する方法には、コンデンサに出力電圧により作られた信号電流をOPアンプと組み合わせて流して電荷を貯め、その両端の電圧を時間積分値として用いることもできるし、メモリを利用して、ソフト上で加算して行くようにしても良い。もちろん、時間積分終了時には、その出力がゼロになるように、リセットすることも公知の技術で達成できる。
The major difference between the present invention and the above-described first aspect of the present invention is that, in the first aspect, the information on the power consumption in each
すなわち、請求項1では、絶対湿度を求めるのに、ヒータ25での消費電力量に関する情報を利用するのに対して、ここでは、温度センサ20としての温度差センサ(熱電対)の出力電圧の時間積分値を利用するものであり、それぞれ消費電力や熱電対出力の時間積分している点が共通でもある。ここでの加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用するので、ヒータ加熱時のノイズが無く、信号対ノイズ、S/N、の増大が見込める。従って、高精度の絶対湿度センサが提供できる。また、薄膜10の絶対温度を計測する絶対温度計測手段を用いて、薄膜10が所定の温度Tlや所定の温度Thに到達した時に、ヒータ25の加熱を止めて、それらの直後からの冷却過程での所定の時間だけ熱電対出力の時間積分を行い、それらの出力の差し引きにより、室温の効果を打ち消すように補正して、予め用意した校正用データを基に絶対湿度との対応をさせるものである。
That is, in
請求項1での発明では、ヒータ25への印加電圧、VlとVhは、等しくした方が、薄膜10が絶対温度TlとThとに到達するまでの時間、tlとthだけで比較できるので、単純になるという制約があったが、本請求項3での発明では、薄膜10のヒータ加熱は1回で済み、薄膜10がヒータ加熱により高い方の(設定)温度Thに到達すれば良いことになるという違いもある。ただし、第2回目のヒータ加熱をしても良いが、ここでは、薄膜10のヒータ加熱を1回だけにした場合を説明する。薄膜10の低い方の設定温度Tlにおける温度センサ20である薄膜熱電対の出力電圧は、基板1に絶対温度センサ21を有しているので、そこからの情報を基に、絶対温度計測手段を用いて知り得る。従って、ヒータ加熱停止後の冷却過程で、薄膜10の温度が、当初の高い方の(設定)絶対温度Thから冷却されて、設定温度Tlになった時に積分動作を停止せることができる。すなわち、所定の時間積分の時間(積分時間)は、例えば、薄膜10のヒータ加熱停止後、薄膜10の温度が当初の高い方の(設定)絶対温度Thから冷却されて、所定の温度Tlに到達した時までの時間である。薄膜10の所定の絶対温度Tlに対応する温度センサ20の出力電圧Vslに到達して時点で、熱電対出力の時間積分動作を停止させるものである。そして、この熱電対出力の時間積分動作は、薄膜10の温度が、当初の高い方の(設定)絶対温度Thから冷却される過程で、常に温度センサ20の出力電圧から出力電圧Vslの値を差し引いた出力電圧を積分しても良いし、常に温度センサ20の出力電圧を上記の積分期間だけ積分した後で、この積分値Shから、出力電圧Vslの値を同一の積分時間だけ積分した積分値Slを差し引いた差引積分値ΔS(積分値Sh―Sl)を用いて、絶対湿度を求めても良い。
In the first aspect of the invention, the voltage applied to the
ヒータ25で薄膜10を加熱している時に温度を計測するよりも、冷却期間に薄膜10の温度を計測した方が高いS/Nで温度計測できるが、この冷却期間では、薄膜10の温度低下は、薄膜10の熱容量が小さいほど速く、激しく温度低下を起こすので、冷却期間の特定の時刻での温度計測は、誤差が大きくなってしまう。しかし、薄膜10に搭載している温度センサ20の出力電圧を冷却期間の所定の時間積分することにより、この誤差を小さくすることができるし、さらに、熱的な揺らぎや測定電子回路のノイズなど、正と負の変動(揺らぎ)は、長時間の積分により打ち消すことと、特定の時刻での温度センサ20の出力値の計測よりもその連続した時間積分により、小さな温度変化の差を大きく取り出すことができる、すなわち、増幅作用がある。このようにして、冷却期間での温度センサ20の出力の時間積分をすれば、必ずしも、ノイズの多いヒータ加熱中の薄膜10の温度を計測しなくて済むことになる。
Rather than measuring the temperature when the
一般に、周囲媒体が気体の場合は、温度上昇と共にその気体の熱伝導率が大きくなるという性質があり、室温からの温度上昇を数百℃程度に大きくすると、絶対湿度センサとしての動作の基となる周囲気体の熱伝導率の温度依存性を十分考慮した計測動作をさせる必要がある。このように、薄膜10を高温に加熱した後加熱を止め、冷却過程に入ると、高温のうちは高い熱伝導率のために速く冷え、室温に近づくにつれて、小さな熱伝導率になることにより、高温の場合よりもゆっくりと冷却されることになる。また、例えば、所定の電力で高温にヒータ加熱すると、熱伝導率の大きい水蒸気(絶対湿度)が含まれていることにより、更に熱伝導率が大きくなると、水蒸気が含まれていない場合よりも温度上昇分は小さく、かつ速く冷えるから、温度差センサの出力の時間積分値は、水蒸気がない場合よりもさらに小さくなる。このようにして、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度差センサの出力の時間積分値から周囲気体の熱伝導率の大きさ、すなわち、これを例えば、予め取得している校正用データを利用して、絶対湿度に対応させることにより、絶対湿度が計測できることになる。
In general, when the surrounding medium is a gas, the thermal conductivity of the gas increases as the temperature rises. When the temperature rise from room temperature is increased to about several hundred degrees Celsius, it is the basis for operation as an absolute humidity sensor. It is necessary to perform a measurement operation that fully considers the temperature dependence of the thermal conductivity of the surrounding gas. In this way, after heating the
発明の請求項4に係わる絶対湿度センサは、基板1から熱分離した薄膜10に、ヒータ25と温度センサ20とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ25の加熱による前記薄膜10の温度変化を前記温度センサ20で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ20が温度差センサであること、前記ヒータ25に電圧を印加し、第1のヒータ加熱をして前記薄膜10が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第1のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ25で第2のヒータ加熱をして、前記薄膜10を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板1に備えた絶対温度センサ21の出力と温度センサ20の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜10にも絶対温度センサ22を備えた場合にはその出力から、薄膜10の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜10が絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
The absolute humidity sensor according to claim 4 of the present invention is provided with an absolute humidity sensor chip having a
ここでの発明の上述の請求項3の発明との大きな違いは、請求項3では、薄膜10のヒータ加熱を、1回だけにして室温から前記所定の絶対温度Thになるまで加熱したが、本請求項4では、薄膜10のヒータ加熱を所定の絶対温度Thに到達するまでの第1のヒータ加熱に引き続き、第2のヒータ加熱を所定の絶対温度Tlに到達するまでの2回行い、それぞれの所定の絶対温度ThとTlとに到達させ、必要に応じてこれらの絶対温度ThとTlを維持させ、温度差センサである温度センサ20の出力電圧を調べて、所定の温度Tlのときの出力電圧をVslとするものである。ただ、第1のヒータ加熱と第2のヒータ加熱には、時間差があるので、これらの温度センサ20の出力電圧の時間積分値の比較においては、少なくとも一方の時間積分値を保持しておき、比較する必要がある。積分動作は、請求項3での説明と同様であり、その詳細な説明は省略する。このようにして、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20の出力電圧を所定の期間(積分時間)、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたことである。
The major difference between the present invention and the above-described invention of claim 3 is that, in claim 3, the heater of the
上述の請求項3に関する説明と同様で、加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用するので、ヒータ加熱時のノイズが無く、信号対ノイズ、S/N、の増大が見込める。従って、高精度の絶対湿度センサが提供できる。また、薄膜10の絶対温度を計測する絶対温度計測手段を用いて、それぞれのヒータ加熱で薄膜10が所定の温度Tlと所定の温度Thとに到達した時に、ヒータ25の加熱を止めて、所定の温度Tlに到達した時の温度センサ20の出力電圧Vslを、例えば、ピークホールド回路などで保持し、これを高温側の設定温度Thからの冷却過程での薄膜熱電対(温度センサ20)の出力電圧Vsの値から差し引くようにして、この差引の電圧を、薄膜10がTlに達するまで時間積分して、室温の影響を打ち消すように補正して、予め用意した校正用データを基に絶対湿度との対応をさせるようにしても良い。
In the same manner as described above for claim 3, in the cooling process after stopping heating, each output voltage of the thin film thermocouple is integrated over time for a predetermined period, and the output information of each time integrated value is used. There is no noise when heating the heater, and signal-to-noise and S / N can be expected to increase. Therefore, a highly accurate absolute humidity sensor can be provided. Further, by using an absolute temperature measuring means for measuring the absolute temperature of the
本発明の請求項5に係わる絶対湿度センサは、前記温度センサ20の出力の時間積分の所定の期間の始まりを、前記ヒータ25の加熱停止の直後とした場合である。
In the absolute humidity sensor according to claim 5 of the present invention, the start of a predetermined period of time integration of the output of the
一般に、ヒータ25の加熱冷却のサイクルは、クロックパルスに基づき、これに同期させて行うことが多い。従って、冷却サイクル(冷却過程)の中で途中から温度センサの出力を時間積分することもできるが、クロックパルスのヒータ加熱停止のタイミングを利用した方が、安価な回路構成で達成されると共に、温度センサ20の出力の時間積分の開始をヒータ加熱停止の直後としているので、室温の効果を打ち消すための出力の差引演算においても、絶対湿度の算出に誤差が少なくなる。また、温度センサ20の出力が加熱停止直後の方が大きいので、積分出力信号が大きくなり、高感度で、高精度の絶対湿度センサが提供できることになる。
In general, the heating / cooling cycle of the
本発明の請求項6に係わる絶対湿度センサは、請求項3から請求項5における前記温度センサ20の出力の時間積分の所定の期間の終わりを、ヒータ加熱停止後の冷却過程で前記薄膜10が所定の高い方の温度Thから冷却されて所定の低い方の温度Tlに等しくなる時とした場合である。
In the absolute humidity sensor according to claim 6 of the present invention, at the end of a predetermined period of time integration of the output of the
前記温度センサ20の出力電圧の時間積分の差を利用することにより、周囲温度(室温)の効果を打ち消すことが主眼であり、たとえば、室温が0℃であっても、30℃の環境であっても計測される絶対湿度Hがこれらの室温の温度に関係ないようにするものである。そのためには、所定の低い方の(設定)温度Tlよりも温度が高い部分での温度センサ20の出力電圧の時間積分中は、温度Tlにおける温度センサ20の出力電圧Vslを差し引いた出力電圧分の時間積分をすれば良い。従って、前記温度センサ20の出力(電圧)の時間積分の所定の期間の終わりは、前記薄膜10が当初、所定の高い方の絶対温度Thまでヒータ加熱されるから、ヒータ加熱停止後の冷却過程で、湿潤気体の中で高い方の絶対温度Thから冷却されて温度降下し、所定の低い方の温度Tlに等しくなったと判断された時として、その期間(積分時間)を時間積分すれば良い。そして、前記薄膜10の温度がヒータ加熱されて、それらが所定の低い方の(設定)温度であるTlに到達した時のそれらに搭載している温度センサ20の出力電圧をピークホールド回路等で保持し、この値を時間積分の間保持して、例えば、高い方の絶対温度Thから冷却されて所定の低い方の(設定)絶対温度であるTlに至る間に、その時高い温度側の方の温度センサ20の出力電圧から差し引きながらその差分を積分すると良い。
The main purpose is to cancel the effect of the ambient temperature (room temperature) by utilizing the difference in time integration of the output voltage of the
本発明の請求項7に係わる絶対湿度センサは、薄膜10もしくは薄膜10a、10bが、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目のうちの少なくとも1つの項目が判定できる程度の微小電力をヒータ25もしくはヒータ25a、25bに供給して、これに基づく薄膜10もしくは薄膜10a、10bの温度上昇の時間変化を前記温度センサ20もしくは前記温度センサ20a、20bで計測し、必要に応じて前記絶対温度センサ21の出力も利用して、前記項目を判定するようにした場合である。
In the absolute humidity sensor according to claim 7 of the present invention, the
本絶対湿度センサのセンサチップは、MEMS技術で作成される微小寸法、例えば、長さ1mm、幅0.2mm、厚み0.01mm程度のカンチレバ状、架橋構造状やダイアフラム状の薄膜10などで構成されている。例えば、このカンチレバ状の薄膜10に、ヒータ25や温度センサ20が形成されている。もし、被測定気体である湿潤空気が、露点に達している場合、この薄膜10に上に水滴が付いている可能性がある。また、周囲温度(室温)が氷点下であった場合は、この薄膜10に上に氷の粒子が付いている可能性もあり、さらにまた、このセンサチップ温度が、水没しており、薄膜10も一緒に水没しているような環境にある場合も想定される。このような環境下で、例えば、急激に所定の設定温度Thが500℃になるように、ヒータ25等に電圧を印加し、ヒータ加熱させると、カンチレバ状の薄膜10が破壊されてしまう恐れがある。絶対湿度センサとして必要なのは、湿潤空気中の水蒸気量であり、基板1に形成されている絶対温度センサ21で、0℃以下であれば、氷が付いている可能性が想定される。また、絶対温度センサ21で周囲温度(室温)を計測した結果、0℃以上の温度であっても、露点に達しているために薄膜10上に水滴があるかもしれない。このような可能性がある環境下での絶対湿度測定では、必要に応じて、絶対温度センサ21で周囲温度(室温)を計測して、先ずは、氷が付いている可能性等を判断させた方が良い。
The sensor chip of the absolute humidity sensor is composed of a
また、室温から上述の2つの所定温度TlやThになるように、急に大きなヒータ加熱をしないで、先ずは、薄膜10もしくは薄膜10a、10bが、破壊されない程度の小さな所定の電力(結局は小さな電圧の印加)をヒータ25もしくはヒータ25a、25bに供給して、その時の薄膜10もしくは薄膜10a、10bの温度上昇の時間的な状態を調べ、これらの薄膜が、水中の場合、露点に達している場合や氷を含む物質が表面に付着している場合は、その熱容量が増加するので、単に湿潤空気中の温度上昇割合に比べ、ゆっくりと温度上昇するか、水中にあるときは、ほとんど温度上昇しないことで、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目に関しての本絶対湿度センサに判断機能を持たせることができる。露点に達している時や表面に氷の粒が付着している時は、薄膜10などの薄膜は、氷が解け、また露点に達した時の水滴がヒータ加熱により蒸発して無くなるまでは、ゆっくりと温度上昇するが、水滴が無くなると急に温度上昇をすることになる。この状態では、相対湿度が100%であり、その時の絶対湿度も、基板1の絶対温度センサ21を用いて、周囲温度を計測することにより、その温度(室温)における飽和水蒸気量から絶対湿度が求められる。もちろん、このような露点に達する飽和水蒸気状態を作ることにより、本絶対湿度センサを校正することもできる。
In addition, the
本発明の請求項8に係わる絶対湿度センサは、異なる温度Thと温度Tlのうち、低い方の温度Tlを100℃から270℃の範囲の温度にした場合である。 The absolute humidity sensor according to claim 8 of the present invention is the case where the lower one of the different temperatures Th and Tl is set to a temperature in the range of 100 ° C. to 270 ° C.
低い方の温度Tlが120℃から150℃の範囲の温度では、ほとんど空気の熱伝導率と水蒸気(H2O)の熱伝導率がほぼ等しいので、水蒸気の量、すなわち、絶対湿度には、無関係な熱伝導率の領域である。従って、この温度領域を室温からヒータ加熱して消費電力量等の室温補正のための基準とする低い方の設定温度Tlとして用いると、上記したように絶対湿度の測定誤差が少なくなるという利点がある。ただ、式数3からの結果にもあるように、本質的には、低い方の温度Tlは、室温よりも高温であり、所定の高い方の設定温度Thより小さければ室温補正ができるものである。ここでは、低い方の絶対温度Tlを100℃から270℃程度までにして、絶対湿度を算出するための予め用意する校正用データの取得においても、測定誤差を小さくなるようにさせたものである。このとき、低い方の設定の絶対温度Tlと高い方の設定温度Thとの差が大きい方が時間積分した時の差が大きくなり、絶対湿度が高精度に計測できることになるので、Thを500℃程度の高い温度にさせる方が良い。 When the lower temperature Tl is in the range of 120 ° C. to 150 ° C., the thermal conductivity of air and the thermal conductivity of water vapor (H 2 O) are almost equal, so the amount of water vapor, that is, the absolute humidity is An irrelevant region of thermal conductivity. Therefore, if this temperature region is used as a lower set temperature Tl as a reference for room temperature correction such as power consumption by heating from room temperature, there is an advantage that measurement error of absolute humidity is reduced as described above. is there. However, as shown in the result from Equation 3, the lower temperature Tl is essentially higher than room temperature, and room temperature can be corrected if it is lower than the predetermined higher set temperature Th. is there. Here, the lower absolute temperature Tl is set to about 100 ° C. to about 270 ° C., and the measurement error is also reduced in obtaining calibration data prepared in advance for calculating the absolute humidity. . At this time, the larger the difference between the lower set absolute temperature Tl and the higher set temperature Th, the greater the difference when time integration is performed, and the absolute humidity can be measured with high accuracy. It is better to make the temperature as high as ℃.
本発明の請求項9に係わる絶対湿度センサは、前記温度差センサの少なくとも一方の熱電導体として半導体を用いた場合である。 The absolute humidity sensor according to claim 9 of the present invention is a case where a semiconductor is used as at least one thermoconductor of the temperature difference sensor.
温度差センサとしての熱電対やサーモパイルを用いる場合、大きな熱起電力を発生させるために、大きなゼーベック係数の熱電導体を用いた方が、高感度で高精度の温度差センサとなる。半導体のゼーベック係数は、金属に比べて1桁程度大きく、更に同一の半導体でも、抵抗率が高い方がそのゼーベック係数が大きいことが分かっている。従って、薄膜10などを半導体、特にシリコン単結晶薄膜を用いることにより、MEMS技術を用いたセンサデバイスが安価で、かつ作りやすい。もちろん、ゼーベック係数の正負の極性を有するp型やn型の半導体を組み合わせて薄膜熱電対を形成すると更に出力が大きくなるが、製作工程の単純さから見ると、せめて、熱電導体の一方だけでも半導体にした方が良い。
When using a thermocouple or a thermopile as a temperature difference sensor, in order to generate a large thermoelectromotive force, using a thermoconductor having a large Seebeck coefficient provides a highly sensitive and accurate temperature difference sensor. It has been found that the Seebeck coefficient of a semiconductor is about an order of magnitude higher than that of metal, and that the same semiconductor has a higher Seebeck coefficient when the resistivity is higher. Therefore, by using a semiconductor, particularly a silicon single crystal thin film as the
本発明の請求項10に係わる絶対湿度センサは、薄膜10もしくは薄膜10a、10bをシリコン半導体とした場合である。
The absolute humidity sensor according to claim 10 of the present invention is a case where the
シリコン半導体は、現在の集積回路の90%以上が、このシリコン半導体の基板で作成されている。そして、シリコン半導体を用いたMEMS技術も成熟した領域にある。このように、絶対湿度センサのセンサチップもシリコン半導体の基板1を用いることにより、基板1に形成するダイオードなどの絶対温度センサ21、薄膜10などに形成する薄膜熱電対も容易に製作できるし、集積化した回路である演算回路、制御回路、表示回路、駆動回路なども搭載可能であり、小型で安価な絶対湿度センサが提供できる。
More than 90% of current integrated circuits are made of silicon semiconductors on silicon semiconductor substrates. Also, MEMS technology using silicon semiconductors is in a mature area. Thus, by using the
本発明の請求項11に係わる絶対湿度センサは、絶対温度センサ21および絶対温度センサ22を半導体ダイオードとした場合である。
The absolute humidity sensor according to claim 11 of the present invention is a case where the
pn接合ダイオードやショットキダイオードなどの半導体ダイオードは、一定順方向電流の下での順方向電圧(順電圧)の温度依存性は、絶対温度Tに対して直線関係にあることが分かっており、絶対温度センサとして用いられている。また、一定の順電圧の下でのダイオード電流の対数は、絶対温度Tの逆数と直線関係にあることも判明しており、ダイオードサーミスタとして利用されている。これらの半導体ダイオードは、バイポーラトランジスタのエミッタEとベースB間のpn接合ダイオードを使用しても良く、この場合は、コレクタCとベースBとを外部等で短絡させて、エミッタEを1つの端子、ベースBとコレクタCとの短絡部を他方の端子とする2端子の半導体ダイオードとして利用した方が良い。基板1に形成して周囲温度(室温)を計測するための絶対温度センサ21としては、室温の温度が150℃以下であれば、上述の半導体ダイオードに順方向電圧を印加して、その時の順電流や順電圧の温度依存性から絶対温度である室温を計測するのに好適である。
In semiconductor diodes such as pn junction diodes and Schottky diodes, it is known that the temperature dependence of the forward voltage (forward voltage) under a constant forward current is linearly related to the absolute temperature T. It is used as a temperature sensor. It has also been found that the logarithm of the diode current under a constant forward voltage is linearly related to the reciprocal of the absolute temperature T, and is used as a diode thermistor. As these semiconductor diodes, a pn junction diode between the emitter E and the base B of the bipolar transistor may be used. In this case, the collector C and the base B are short-circuited externally to connect the emitter E to one terminal. The base B and the collector C are preferably used as a two-terminal semiconductor diode having the other terminal as the short-circuited portion. As an
半導体ダイオードとしてのpn接合ダイオードでは、pn接合部を小型に作ることが可能で、局部的な絶対温度を計測するのに好適であり、更に、特に、pn接合に一定の逆方向電圧(逆電圧)を印加して、逆方向電流の温度依存性を利用して、比較的高温(150℃以上)の絶対温度計測が可能である。薄膜10をSOI層とした場合、絶対温度センサ22としてのpn接合ダイオードは、例えば、400℃以上の高温に晒され、その絶対温度を計測する必要から、pn接合ダイオードに0.5Vから1V程度の小さな逆電圧を印加して、その時の逆方向電流を計測して、絶対温度に換算するようにすると良い。ただ、基板1と共通するSOI層の薄膜10とした場合には、回路構成の上で、ヒータ加熱、絶対温度センサ21や温度センサ20などとの共通アースの点も考慮する必要がある。
In a pn junction diode as a semiconductor diode, it is possible to make a pn junction small, and it is suitable for measuring a local absolute temperature. Further, in particular, a constant reverse voltage (reverse voltage) is applied to the pn junction. ) And using the temperature dependence of the reverse current, absolute temperature measurement at a relatively high temperature (150 ° C. or higher) is possible. When the
本発明の請求項12に係わる絶対湿度センサは、温度センサ20をヒータ25として兼用した場合である。
The absolute humidity sensor according to claim 12 of the present invention is a case where the
一般に温度センサには、白金抵抗体のような金属等の測温抵抗体の抵抗温度係数を利用した絶対温度センサ、pn接合ダイオードのようなダイオードの順方向または逆方向印加時の電流の温度依存性や所定の電流一定時の順方向電圧の温度依存性を利用する絶対温度センサ、更に、薄膜熱電対などを利用する温度差センサがある。ここでは、温度センサ20として、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合で、この温度センサ20をヒータ25としても利用する場合である。
In general, the temperature sensor is an absolute temperature sensor using the resistance temperature coefficient of a resistance temperature detector such as a metal such as a platinum resistor, and the temperature dependence of the current when a diode such as a pn junction diode is applied in the forward or reverse direction. There is an absolute temperature sensor that uses the temperature dependence of the forward voltage at a constant current or a predetermined current, and a temperature difference sensor that uses a thin film thermocouple or the like. Here, a temperature difference sensor such as a thin film thermocouple is used as the
薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。温度差センサとしての薄膜熱電対は、一方の熱電導体を、薄膜10等を構成する半導体薄膜で形成し、シリコン酸化膜(SiO2膜)などの絶縁膜を介して金属薄膜などの他方の熱電導体を容易に形成することができると共に、オーム性コンタクトを測定点(温接点)として形成するだけで済み、500℃以上の高温動作にも耐え、製造工程も極めて簡単である。しかも、冷却過程の最終には、周囲媒体の温度である室温に戻り、温度センサ20の出力もゼロに戻るという性質があるので、時間積分も多少の積分時間の揺らぎに対しても誤差が少なく、高精度な計測が可能である。
When a temperature difference sensor such as a thin film thermocouple is used, it is difficult to operate the heater operation and the temperature sensor at the same time, and it is necessary to alternate these operations in a time division manner. A thin film thermocouple as a temperature difference sensor has one thermoelectric conductor formed of a semiconductor thin film constituting the
このように、温度センサ20をヒータ25として兼用した場合には、薄膜10等に、温度センサ20としての温度差センサとは別に、上述のような半導体ダイオードのような絶対温度センサ22を搭載しておき、ヒータ加熱された時の薄膜10等の絶対温度を計測できるようにしておいた方が、ヒータ加熱時の所定の温度TlやThを計測するに当たり、時分割でヒータ作用と温度差検出作用の動作を交互にさせる必要がないから回路的に単純になる。
In this way, when the
本発明の請求項13に係わる絶対湿度センサは、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えた場合である。 The absolute humidity sensor according to the thirteenth aspect of the present invention includes at least a power supply circuit, an amplifier circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit.
電源回路は、ヒータ25等の駆動や他の回路への電源の供給に関わる回路であり、増幅回路は、温度センサ20等の出力を増幅する回路である。上述で温度センサ20の出力という表現をしているが、一般には、温度センサ20の生の出力は小さいので、初段増幅後以降の出力を指すが、もちろん、温度センサ20の生の出力信号を指すこともある。演算回路は、温度センサ20もしくは、温度センサ20a、20bからの出力やこれらに基づく差引や積分、また、これらの出力信号などを利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより絶対湿度を算出するために用いること、を主にした回路である。また、制御回路は、ヒータ25等の温度制御やヒータ25等のパルス駆動時の通電時間、冷却期間、積分時間の設定、時間積分動作や差引動作などの制御やフィードバック制御などを行う回路である。
The power circuit is a circuit related to driving the
本発明の請求項14に係わる絶対湿度センサは、絶対温度センサ21の出力と、請求項1から12のいずれかに記載の絶対湿度センサからの絶対湿度の情報を基に、相対湿度を求めることができるようにした場合である。
The absolute humidity sensor according to claim 14 of the present invention obtains the relative humidity based on the output of the
絶対湿度とは、例えば、1立法メートルの湿潤空気の中に溶け込んでいる水蒸気の量の重さの単位、グラム(g)で表現したものであり、湿潤空気の温度が高いとその分、多くの水蒸気の量が飽和にならずに溶け込むことができるが、その上限が温度依存性を持つだけであり、露点に達しなければ、本質的に、湿潤空気の温度には無関係な値である。これに対して、湿潤空気の温度により、溶け込める水蒸気量に限界があり、これ以上溶け込むことができない時の限界値がその温度における飽和水蒸気量である。この時に、相対湿度としては100%と言うことになる。従って、湿潤空気の温度が分かれば、空気などの気体の飽和水蒸気量が決まるので、実際に湿潤空気の水蒸気量である絶対湿度が、その時の温度における飽和水蒸気量に対する割合が、その時の相対湿度であるから、湿潤空気の温度を基板1に備えた絶対温度センサ21で計測し、絶対湿度を本発明の絶対湿度センサで計測しておけば、各温度における飽和水蒸気量に関する既知のデータを基にして演算により、相対湿度が算出できることになる。ここでは、このようにして、相対湿度が算出できる機能を持つようにした絶対湿度センサを提供するものである。
Absolute humidity is, for example, expressed in grams (g), the unit of weight of the amount of water vapor dissolved in 1 cubic meter of wet air. The amount of water vapor can dissolve without saturating, but the upper limit is only temperature dependent and is essentially independent of the temperature of the humid air unless the dew point is reached. On the other hand, there is a limit to the amount of water vapor that can be dissolved depending on the temperature of the humid air, and the limit value when no further water can be dissolved is the saturated water vapor amount at that temperature. At this time, the relative humidity is 100%. Therefore, if the temperature of the humid air is known, the saturated water vapor amount of a gas such as air is determined. Therefore, the absolute humidity, which is actually the water vapor amount of the wet air, is a ratio of the relative humidity to the saturated water vapor amount at that temperature. Therefore, if the temperature of the humid air is measured by the
本発明の請求項15に係わる絶対湿度センサチップは、基板1から熱分離したカンチレバ状の薄膜10もしくは薄膜10a、10bのそれぞれに対応して、ヒータ25もしくはヒータ25a、25bと温度差センサである温度センサ20もしくは温度センサ20a、20bとを備え、該温度差センサの測定点(温接点)を、カンチレバ状の薄膜10もしくは薄膜10a、10bの先端部付近に設けたこと、ヒータ25もしくはヒータ25a、25bは、前記温度差センサの測定点(温接点)を取り囲むように配置し、カンチレバ状の薄膜10もしくは薄膜10a、10bの先端部付近が一様に発熱するようにしたことを特徴とするものである。
The absolute humidity sensor chip according to the fifteenth aspect of the present invention is a
絶対湿度センサでは、湿潤空気の熱伝導率が絶対湿度の大きさに依らない温度Tlの温度領域である120℃から150℃を越えて、この温度域よりも温度が高ければ高いほど、ほぼ直線的に湿潤空気の熱伝導率が大きくなることが分かっている。従って、ヒータ加熱により薄膜10等(薄膜10等とは、薄膜10を含み、薄膜10a、と薄膜10bをまとめて、このように表現することにする)の温度を、例えば、500℃と言うような高温にさせたい。このためには、カンチレバ状の薄膜10等にした方が、架橋構造の薄膜10等よりも熱が基板に逃げ難いので、好適である。また、加熱された薄膜10等からの湿潤空気による熱放散が促進されるべきで、同一の薄膜10等の体積であれば、薄膜状が最もその表面積が大きいから薄膜状のカンチレバ状が好適であり、その先端部が最も高温になるから先端部が一様に発熱するように、温度検出する温度差センサの測定点(温接点)を取り囲むように配置することが望ましい。また、カンチレバ状薄膜10等の温度差センサの測定点(温接点)が形成されている先端部の面積を大きくさせて、湿潤空気との接触面積を大きくした方が良い。このためにも、この測定点(温接点)を取り囲み、この大きな面積のカンチレバ状薄膜10等を一様に発熱させるようにヒータ配線を配置するようにする必要がある。また、ヒータ用材料としては、抵抗率が大きく、融点が高く、錆びない材料が望ましい。したがって、ニクロム(NiCr)が好適である。ニクロムは、極めて抵抗温度係数が小さいが、ヒータ用材料としての使用であるから問題にならない。
In the absolute humidity sensor, the thermal conductivity of wet air exceeds the temperature range of 120 ° C to 150 ° C, which is a temperature range of Tl that does not depend on the magnitude of absolute humidity, and the higher the temperature, the more linear In particular, it has been found that the thermal conductivity of wet air increases. Therefore, the temperature of the
本発明の請求項16に係わる絶対湿度センサチップは、基板1から熱分離した薄膜10もしくは薄膜10a、10bのそれぞれに対応して、ヒータ25もしくはヒータ25a、25bと温度差センサである温度センサ20もしくは温度センサ20a、20bを備えると共に、更に、それぞれに対応して、絶対温度センサ22もしくは絶対温度センサ22a、22bをも備えたことを特徴とするものである。
The absolute humidity sensor chip according to claim 16 of the present invention corresponds to each of the
温度センサ20等として、薄膜熱電対などの温度差センサを用いているので、所定の(指定した)絶対温度Tlや絶対温度Thに加熱するのに、何らかの形で薄膜10等の絶対温度を知る必要がある。ヒータ加熱中に薄膜10の温度を知るには、極めて高速に断続ヒータ加熱をするなどして、そのヒータ加熱を停止した瞬間的な期間に温度差センサとして動作させて、基板1からの温度上昇分をチェックして、基板1に形成している絶対温度センサと組み合わせて、薄膜10のその時点での温度を計測して、これを繰り返して、薄膜10の昇温状態を把握し、それぞれの時点での温度を計測すると共に、所定の指定した温度に到達したときにヒータ加熱を止めるといった方法があるが、薄膜10の熱容量が小さいので、加熱・冷却の温度差が激しく、このような計測は回路的にも困難である。そこで、ここでは、薄膜10等に、絶対温度センサを形成して、直接、薄膜10等の温度をリアルタイムで計測できるようにした場合である。薄膜10等を所定の指定した絶対温度TlやThに加熱昇温するには好適である。
Since a temperature difference sensor such as a thin film thermocouple is used as the
温度センサ20等である温度差センサの測定点(温接点)付近の温度が計測できるように、薄膜10等に形成して有る絶対温度センサ22等を、該測定点(温接点)付近に形成した方が良い。薄膜10等がカンチレバ状であれば、その先端部は、薄膜10の終端部であるから、そこに絶対温度センサ22等を形成すると、ヒータ加熱時のヒータ電流の影響を小さくすることができる。また、前記絶対温度センサ22等を温度差センサ(薄膜熱電対)の測定点(温接点)付近に形成することにより、測定点(温接点)付近の絶対温度を計測することができる。薄膜熱電対をヒータ25等としても利用する場合、その測定点(温接点)を、カンチレバの先端付近に設けると最も温度が高い領域であり、更に、温度センサ20等の薄膜熱電対の測定点(温接点)は、基準点(冷接点)(基板1に形成)に対して、ここの温度を計測する個所であるから、絶対温度センサ22等もこの近傍に形成することにより、最も温度が高い領域の測定点(温接点)付近の絶対温度を計測することになる。熱伝導型センサである絶対温度センサとしては、高温であるほど、一般にその感度が大きくなるので、薄膜10等の中で最も高温領域の温度計測が重要である。
An
本発明の請求項17に係わる絶対湿度センサチップは、ヒータ25もしくはヒータ25a、25bを温度差センサである温度センサ20もしくは温度センサ20a、20bと兼用にした場合である。
The absolute humidity sensor chip according to claim 17 of the present invention is a case where the
白金抵抗体のような絶対温度センサをヒータとしても利用する場合は、ヒータ25等を加熱しながら、同時に温度センサ20等としても動作させることが容易である。しかし、高温動作では、細線にした白金抵抗体の経時変化の問題がある。さらに、絶対温度センサであるから冷却過程で室温に戻っても絶対温度センサからの出力は一般にはゼロにならない、または、ゼロに漸近しないので、時間積分値の再現性を含む精度が良くならないという難点がある。pn接合ダイオードのような半導体接合の絶対温度センサも半導体から成る薄膜10等に形成しやすいし、微小pn接合を形成してヒータ25と温度センサ20の兼用にしやすいが、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。また、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合も、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。しかし、薄膜10等に搭載している温度センサ20等としての温度差センサとは別に、薄膜10等に絶対温度センサ22等を搭載することで、薄膜10等の絶対温度TlやThを計測できるので、温度センサ20等をヒータとして動作させて、今度は、ヒータ加熱停止後の室温に漸近して行く冷却過程で温度差センサとして温度センサ20等を動作させることは、温度補償の観点から非常に優位性がある。
When an absolute temperature sensor such as a platinum resistor is also used as a heater, it is easy to operate the
ヒータ25等を温度差センサである温度センサ20等と兼用にした場合には、ヒータとして作用させる時には、大きな電流を流す必要がある。熱電対などの温度差センサとしての動作では、一般には、電流を流さず解放電圧を計測するので、温度差センサの熱電導体としての配線は、抵抗が大きくとも良く、また、細い配線でも構わない。しかし、ヒータとして兼用にするには、多くな電流を流すので、大きな抵抗ではその分、大きな印加電圧を必要とするので、抵抗は小さく、しかも大電流にも耐えるような幅広で厚めの配線にする必要がある。
When the
本発明の請求項18に係わる絶対湿度センサチップは、絶対温度センサ22もしくは絶対温度センサ22a、22bを半導体ダイオードとし、ヒータ25もしくはヒータ25a、25bへの供給電圧の少なくともその一部を前記半導体ダイオードの駆動電源として利用できるように配線した場合である。
In an absolute humidity sensor chip according to claim 18 of the present invention, the
半導体ダイオードは、pn接合ダイオードやバイポーラトランジスタの2つのpn接合のうちの一方のpn接合、例えば、エミッタEとベースBとの間のpn接合を利用して、公知の絶対温度センサとして利用することができる。150℃以下の温度である室温を計測する場合は、順方向電圧を印加し、一定順電流の下での立ち上がり電圧の計測や、一定順電圧の下での順電流の大きさの計測により、それらの温度依存性から温度を計測するものである。これは、基板1に形成した絶対温度センサ21として半導体ダイオードを利用した場合に好適である。ここでは、特に、薄膜10等に形成する絶対温度センサ22等の場合であるから、150℃以上の温度の計測となる。この場合は、0.5Vから1V程度の所定の固定した逆方向電圧を印加して、その時の逆方向電流の大きさから温度を計測するものである。
A semiconductor diode is used as a known absolute temperature sensor by using a pn junction of one of two pn junctions of a pn junction diode or a bipolar transistor, for example, a pn junction between an emitter E and a base B. Can do. When measuring room temperature, which is a temperature of 150 ° C. or lower, apply a forward voltage and measure the rising voltage under a constant forward current or measure the magnitude of the forward current under a constant forward voltage. The temperature is measured from their temperature dependence. This is suitable when a semiconductor diode is used as the
ヒータ25等への電圧供給は、薄膜10等をカンチレバ状にした場合には、その上を先端部付近まで延びている金属薄膜配線を通して行われる。特に、温度差センサ兼ヒータとしての動作では、この金属薄膜配線は、高温にも耐え、錆び難い熱電導体薄膜としても用いるもので、数Ω以上の抵抗値を有することが多い。また、その所定の抵抗値になるように設計製作することもできる。200℃程度の温度上昇を得るためには、例えば、ヒータ25への供給電圧は5V程度で有り、前記金属薄膜配線での電圧降下は、0.5V程度になる。この電圧をそのまま、絶対温度センサ22等として利用する半導体ダイオードの逆方向電圧として利用しても良いし、この電圧が大きい場合は、前記金属薄膜配線の途中から端子を出して、半導体ダイオードの逆方向電圧として利用できるように配線すると、ヒータ加熱の時にこの電圧を利用して半導体ダイオードを絶対温度センサ22等として動作させることできる。また、前記半導体ダイオードを逆方向電圧印加の絶対温度センサ22等として動作させるのに必要な駆動電源電圧に達しない場合は、例えば、外部から新たに必要な電圧を導入して、半導体ダイオードの所定の駆動電源電圧が得られるように配線を形成しておくようにしても良い。
When the
また、半導体ダイオードに、電流が流入したときに、この半導体ダイオードに印加される電圧を計測するための電圧端子と、この半導体ダイオードに流れている電流を計測するための電流端子とを備えても良い。ヒータ加熱の際には、必要に応じて5V以上の電圧を、ヒータ抵抗50Ω程度に印加することになるから、数Ωのヒータ25等への配線抵抗でもその両端に発生する電圧は無視できない。本発明では、絶対温度センサ22等としての半導体ダイオードを、SOI層から成る単結晶シリコン薄膜に形成することが多い。この場合、温度センサ20等としての薄膜熱電対とヒータ25等とを兼用にして用い、絶対温度センサ22等としての半導体ダイオードと同一のSOI層に形成することになり、特に、ヒータ25等として駆動した時には、共通するSOI層に、大きなヒータ電流が流れ、ここでの電圧降下の問題、回路構成上の共通アースの問題、比較的ヒータ抵抗値が小さいことなどから、半導体ダイオードは、逆方向電圧であっても400℃から500℃という高温においては、その逆方向電流も非常に大きくなり、等価的にその内部抵抗が小さくなるので、絶対温度センサ22等として駆動する場合には工夫が必要になる。従って、ここでは、ヒータ電流による電圧降下とは独立に、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測する必要があり、そのために、半導体ダイオードに流れる電流を計測するための電流端子と、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測するための電圧端子とを形成して、四端子法としての正確な半導体ダイオードへの印加電圧を計測できるようにした方が、精度が上がる。もちろん、四端子法では、一方の電流端子側の配線の抵抗での電圧降下が無視できる時には、その端子側では、電圧端子と電流端子とを共通にした三端子として使用することができる。
The semiconductor diode may further include a voltage terminal for measuring a voltage applied to the semiconductor diode when a current flows, and a current terminal for measuring the current flowing through the semiconductor diode. good. When heating the heater, a voltage of 5 V or more is applied to the heater resistance of about 50Ω as necessary. Therefore, the voltage generated at both ends of the wiring resistance to the
本発明の絶対温度センサでは、基板1から熱分離した単一の薄膜10に形成したヒータ25と温度センサ20としての薄膜熱電対などの温度差センサを用い、更に必要に応じて、絶対温度センサ22を薄膜10に形成しておき、薄膜10を室温より高く、湿度依存性をほぼ有しない所定の絶対温度Tlとして、100℃から200℃程度まで室温から加熱する第1のヒータ加熱と、更に高温、例えば500℃、の所定の絶対温度Thまでに、引き続き加熱するか、もしくは、時間をずらして室温から第2のヒータ加熱をし、これらの加熱に要する差引電力量により、周囲温度(室温)の影響を除いた絶対湿度を求めることができるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, a temperature difference sensor such as a
本発明の絶対温度センサでは、第1のヒータ加熱による温度Tlまでの電力量と、引き続く温度Thまでの電力量もしくは、第2のヒータ加熱による温度Thまでの電力量の差引電力量は、同一のヒータ印加電圧にすると、ニクロム薄膜などの抵抗温度係数の極めて小さいヒータ材料では、結局、所定の温度に到達するに要する時間の差に比例することが判明し、絶対湿度の計測が単純化されるという利点があると共に、従来のヒータ電圧測定による電力の差を利用する場合に比較し、高感度の絶対湿度センサが提供できるという利点がある。 In the absolute temperature sensor of the present invention, the electric energy up to the temperature Tl by the first heater heating and the subtraction electric energy of the electric energy up to the subsequent temperature Th or the electric energy up to the temperature Th by the second heater heating are the same. As a result, it was found that the heater material with extremely small resistance temperature coefficient such as Nichrome thin film is proportional to the difference in time required to reach the predetermined temperature, and the measurement of absolute humidity is simplified. In addition, there is an advantage that a highly sensitive absolute humidity sensor can be provided as compared with the case where a difference in power by conventional heater voltage measurement is used.
本発明の絶対温度センサでは、基板1から熱分離した単一の薄膜10で所定の絶対温度Tlから更に高い温度Thまで引き続いて加熱しても良いが、同等な形状の少なくとも2個の薄膜10aと薄膜10bと、それぞれに形成するヒータ25a等と温度センサ20a等としての温度差センサにより、同時にヒータ加熱できるので、リアルタイムでヒータ加熱による電力量の差引が可能となり、周囲温度(室温)の影響を除いた絶対湿度を求めるのに時間短縮されるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, the single
本発明の絶対温度センサでは、基板1から熱分離した単一の薄膜10に形成したヒータ25と温度センサ20としての薄膜熱電対などの温度差センサを用い、更に必要に応じて、絶対温度センサ22を薄膜10に形成しておき、薄膜10を室温より高く、湿度依存性をほぼ有しない所定の絶対温度Tlとして、100℃から200℃程度まで室温から加熱する第1のヒータ加熱と、更に高温、例えば500℃、の所定の絶対温度Thまでに、引き続いて第1の加熱を続けるか、もしくは、時間をずらして室温から第2のヒータ加熱をし、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の差引積分値情報を利用して、周囲温度(室温)の影響を除いた絶対湿度を求めることができるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, a temperature difference sensor such as a
本発明の絶対温度センサでは、基板1から熱分離した単一の薄膜10で所定の絶対温度Tlから更に高い温度Thまで引き続いて加熱しても良いが、同等な形状の少なくとも2個の薄膜10aと薄膜10bと、それぞれに形成するヒータ25a等と温度センサ20a等としての温度差センサにより、同時にヒータ加熱できるので、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ20a、20bのそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、リアルタイムで、それぞれの差引積分値情報が得られ、周囲温度(室温)の影響を除いた絶対湿度を求めるのに時間短縮されるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, the single
本発明の絶対温度センサでは、ヒータ加熱を停止後の冷却過程での所定の期間、上記温度センサ20の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲気体中の絶対湿度を計測するようにしているので、ノイズが多い加熱サイクル中で温度計測ではなく、ノイズが極めて少ないヒータ停止後の温度センサ20の出力を取り出すこと、しかも、その冷却過程でその出力の時間積分を行い、その時間積分値を出力として取り出すので、正負に揺らぐノイズを時間平均で除去すると共に、時間積分による時間と温度センサ出力の積の形のために、微小な温度センサ出力でも大きな変化として取り出すことができる。このために高いS/Nのセンサ出力が得られ、高精度で高感度の絶対温度センサが提供できるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, the output of the
本発明の絶対温度センサでは、ヒータの加熱・冷却サイクルを、クロックパルスを利用し、これと同期させて行うことができる。このとき、冷却サイクル時のクロックパルスと同期させて、温度センサ20等の出力の所定の時間積分期間の始まりを決定できるので、単純な回路で済み、安価な絶対温度センサが提供できるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, the heating / cooling cycle of the heater can be performed in synchronization with the clock pulse. At this time, since the start of a predetermined time integration period of the output of the
本発明の絶対温度センサでは、温度センサ20を温度差センサとし、更に温度センサ20をヒータ25と兼用にすることができるので、極めて単純な構造と回路構成ができると共に、極めてコンパクトな絶対温度センサセンサチップと、これを用いた安価でハンディな絶対温度センサが提供できるという利点がある。
In the absolute temperature sensor of the present invention, the
本発明の絶対温度センサチップでは、温度センサ20等の温度差センサの測定点(温接点)を、カンチレバ状の薄膜10等の先端部付近に設けてあり、ヒータ25等を温度差センサの測定点(温接点)を取り囲むように配置し、カンチレバ状の薄膜10等の先端部付近が一様に発熱するようにしているから、湿潤空気との接触面積を大きくさせるために、この先端部付近を大きな面積になるように設計しても、一様に発熱できるようにすることができるという利点がある。
In the absolute temperature sensor chip of the present invention, the measurement point (temperature contact) of the temperature difference sensor such as the
本発明の絶対温度センサチップでは、温度センサ20としての温度差センサの他に、絶対温度センサとしての半導体ダイオードをも備えて、ヒータ25の加熱時の薄膜10の絶対温度を計測するための半導体ダイオードの駆動電源を、ヒータ25の加熱時のヒータでの電圧降下の一部を利用できるようにしているので、容易に薄膜10の絶対温度の計測が達成できるという利点がある。
The absolute temperature sensor chip of the present invention includes a semiconductor diode as an absolute temperature sensor in addition to the temperature difference sensor as the
以下、本発明の絶対湿度センサおよび絶対湿度センサチップは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン(Si)基板で形成できる。このシリコン(Si)基板、特にSOI基板を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the absolute humidity sensor and the absolute humidity sensor chip of the present invention can be formed of a silicon (Si) substrate using mature semiconductor integration technology and MEMS technology. The silicon (Si) substrate, particularly an SOI substrate, will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の絶対湿度センサに用いる基板1から熱分離した単一の薄膜10を備えた絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。図2は、そのX―X線に沿った断面概略図である。これは、公知のMEMS製作技術により形成することができる。ここでは、SOI基板のSOI層11を用いて、カンチレバ12状の薄膜10を形成し、ここに温度センサ20として、温度差センサである薄膜熱電対を形成してあり、本実施例では、ヒータ25としてSOI層11の上に形成しているシリコン酸化膜の絶縁膜50の上に、ニクロム薄膜の抵抗体の薄膜を用いて形成した例である。カンチレバ状薄膜10の先端部は、その面積を大きくしてあり、一様に発熱できるように薄膜熱電対の測定点(温接点)26を囲むようにニクロム薄膜の抵抗体をジグザグ形状に配置してある。薄膜熱電対は、SOI層11(例えば、n型シリコン単結晶膜で、厚み10μm程度)を第1の熱電導体120aとし、その上にSOI層11を熱酸化して形成したシリコン酸化膜である絶縁膜50を介して形成してある第2の熱電導体120b(例えば、ニッケル薄膜やニクロム薄膜)を形成して、測定点(温接点)26としてのオーム性コンタクト60を作成して形成される。基板1には、薄膜熱電対の基準点(冷接点)27を形成している。カンチレバ12の長さは、700μm程度で良い。また、ここでは、基板1の温度を計測するために、基板1にpn接合ダイオード(半導体ダイオード)を形成してあり、基板1の絶対温度を計測するための絶対温度センサ21として利用している。なお、半導体ダイオードを絶対温度センサ21として使用する方法は、150℃以下の比較的低温である室温の計測では、半導体ダイオードに、一定の順電圧を印加し、その時のダイオード電流の温度依存性から求める方法、一定の電流を流し、その時のダイオード順電圧の温度依存性から求める方法があり、150℃以上の高温計測では、0.5Vから1V程度の固定の逆方向印加電圧でのダイオードの逆方向電流の温度依存性から求めることができる。なお、図1や図2に示すように、単一の薄膜10を用いてこれを加熱した方が、絶対湿度センサチップの重力方向に対する向きの依存性が少なく、熱対流などに対する熱的補正が少なくて済むという利点がある。
FIG. 1 shows a schematic plan view of an embodiment of an absolute humidity sensor chip having a single
図3は、本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートで、図1や図2に示すような基板1から熱分離した単純構成の単一の薄膜10を備えた熱伝導型センサチップを用いて、薄膜10に形成したヒータ25を印加電圧Vaで加熱し、被測定気体である湿潤空気中で薄膜10が室温、例えば、20℃から所定の低い絶対温度Tl、例えば、150℃になる時点まで第1のヒータ加熱をして、絶対温度Tlに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却した場合と、次に、室温が変化しない間で引き続いてヒータ25を同一の印加電圧Vaで加熱し、同一の湿潤空気中で薄膜10が同一の室温から所定の高い絶対温度Th、例えば、500℃になる時点まで第1のヒータ加熱をして、絶対温度Thに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却を繰り返した場合の薄膜10の温度上昇および温度降下の様子を示したものである。図3に示された破線は、ヒータ25の加熱を長い時間続けた場合の予想される薄膜10の温度上昇カーブである。ヒータ25を同一の印加電圧Vaで加熱した時、絶対温度Tlに到達するまでの時間をtlとし、絶対温度Thに到達するまでの時間をthとすると、ヒータ25でのそれぞれの消費電力量は、ヒータ25の抵抗をRとして、Va2・tl/RとVa2・th/Rとなる。なお、ここで、ヒータ25は、ニクロム薄膜で作成すると、極めてその抵抗温度係数が小さいので、ヒータ25の抵抗Rの値は、温度依存性を持たないとしている。ここで、ヒータ25での消費電力は、Va2 /Rであり共通であるから、これらの差引電力量は、(th―tl)Va2 /Rとなり、(th―tl)に比例することが分かる。同一の絶対湿度の湿潤空気中では、薄膜10が、室温から所定の高い絶対温度Thに到達するときには、必ず、室温から所定の低い絶対温度Tlを通過するので、(th―tl)Va2 /Rを求めると、上記式数3に示したように、室温の影響が除かれる状態となる。薄膜10を、特に、絶対湿度の計測誤差を少なくするために、絶対湿度の影響を受けない温度領域である120℃から150℃の中の1点の温度になるように絶対温度Tlを設定し、そのTlから絶対湿度の影響を強く持つ温度領域である、例えば、500℃の絶対温度Thまで昇温させるものである。
FIG. 3 is a time chart of an embodiment showing the operation of the absolute humidity sensor of the present invention, and the heat conduction provided with a single
図6は、本発明の絶対湿度センサの動作を示す他の一実施例のタイムチャートで、図3では、第1のヒータ加熱で室温から所定の低い絶対温度Tlまでの加熱と、第2のヒータ加熱で室温から所定の高い絶対温度Thまでの加熱を、時間をずらして実行した場合であるが、ここでは、少なくとも所定の高い絶対温度Thまでの加熱できる所定の一定の印加電圧Vaで加熱した場合を示している。そして、所定の低い絶対温度Tlまで到達する時間tlと所定の高い絶対温度Thまで到達する時間thと計測するようにした場合で、これらの差引電力量は、(th―tl)Va2 /Rとなり、(th―tl)に比例することなどは、上述と同様であるので、詳細な説明は省く。 FIG. 6 is a time chart of another embodiment showing the operation of the absolute humidity sensor of the present invention. In FIG. 3, the heating from the room temperature to a predetermined low absolute temperature Tl by the first heater heating, This is a case where heating from room temperature to a predetermined high absolute temperature Th is performed by shifting the time with heater heating, but here, heating is performed at a predetermined constant applied voltage Va that can be heated to at least a predetermined high absolute temperature Th. Shows the case. Then, when the time tl to reach the predetermined low absolute temperature Tl and the time th to reach the predetermined high absolute temperature Th are measured, these subtraction electric energy is (th−tl) Va 2 / R. Since being proportional to (th−tl) is the same as described above, detailed description thereof is omitted.
差引電力量である(th―tl)Va2 /Rは、計測可能な量であるから、この値を求め、予め同一の条件で取得して用意してある絶対湿度の関する校正用データから絶対湿度を求めることができる。絶対湿度が大きいと、120℃から150℃である絶対温度Tlよりも大きい温度では、湿潤空気の熱伝導率が大きくなるので、ヒータ25に同一の印加電圧Vaを加えても、薄膜10が所定の高い絶対温度Thに到達しない場合も予想される。従って、ヒータ25への印加電圧Vaの大きさは、予想される絶対湿度の条件下で、所定の高い絶対温度Thに充分到達しうる値にする必要がある。
Since (th-tl) Va 2 / R, which is the amount of subtraction power, is a measurable amount, this value is obtained and is absolute from calibration data relating to absolute humidity that is obtained and prepared in advance under the same conditions. Humidity can be determined. When the absolute humidity is high, the thermal conductivity of the wet air increases at a temperature higher than the absolute temperature Tl of 120 ° C. to 150 ° C. Therefore, even if the same applied voltage Va is applied to the
図1と図2に示す絶対湿度センサチップの薄膜10は、絶対温度センサを搭載しない場合の例であり、構造が単純であるので、製作工程が単純で、安価な絶対湿度センサチップとなる。このような場合、薄膜10が上述の絶対温度Tlや絶対温度Thに到達したかどうかを計測するのに工夫を要する。薄膜10を所定の絶対温度である設定温度TlとThとに昇温させるために、絶対温度計測手段を用いる。このことについては上記したが、基板1に形成してある絶対温度センサ21と温度センサ20としての温度差センサである薄膜熱電対を用いて、1.絶対温度センサ21の出力から基板1の温度を計測して、更に、薄膜10に測定点(温接点)を有する薄膜熱電対で基板1を基準にした温度上昇分(温度差)を計測して、これらの和を求めて薄膜10の絶対温度を求める方法、2.絶対温度センサ21に温度に対して直線性の良い温度センサを用意してその出力と、薄膜10に測定点(温接点)を有し、基板1を基準にした温度上昇分に対応する薄膜熱電対の出力とを、例えば、同一の温度係数を持つように増幅回路などで調整して、これらの出力を回路上で合算させたり、ソフト上で合算させるなどして薄膜10の絶対温度を求める方法、3.絶対温度センサ21の出力から基板1の絶対温度を計測しておき、この基板温度を考慮して、所定の設定温度ThとTlとに昇温させるために必要な温度差センサである薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を求めておき、これらのそれぞれの出力が得られた時に所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させるようにする方法、などがあり、これらのいずれかの方法で所定の設定温度ThとTlに到達したことを計測して、その時の信号を取り出せるようにする。いずれの方法でも、所定の設定温度ThとTlに到達した時の薄膜10の温度に関する電圧信号を、予め用意した所定の設定温度ThとTlの基準電圧とコンパレータ等で比較して、所定の設定温度ThとTlに到達したことを信号として出力し、この出力を利用して、ヒータ25の加熱を止めるように制御するとことができる。
The
上記の実施例での図3に示した例は、周期的なクロックパルスによって、ヒータ25の加熱を行った場合であったが、必ずしも、一定周期で加熱冷却を繰り返す必要がなく、所定の設定温度TlとThとに達した後のそれぞれの冷却過程の熱時定数の2から3倍程度経過すると、実質的に薄膜10は室温に戻ったと近似できるので、それらの時間経過後には、次の加熱サイクルを始めて良い。このようにすることで、絶対湿度の計測時間を短縮させることができる。
The example shown in FIG. 3 in the above embodiment is a case where the
図4には、実施例1における図1と図2と同様に、単一の薄膜10を有する単純構成の本発明の絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。図1や図2との大きな違いは、図4では、薄膜10に、温度差センサの薄膜熱電対である温度センサ20をヒータ25と兼用にしたことと、薄膜熱電対である温度センサ20の他に、絶対温度センサ22を備えていることである。本実施例では、その絶対温度センサ22として、半導体ダイオードを使用している。そして、温度センサ20としての薄膜熱電対の測定点26の個所から配線110を形成し、半導体ダイオードの一方の電極80aに接続してあり、他方の電極80bは、配線110により電流端子115兼電圧端子116である電極パッド71bに接続している。このようにして、ヒータ25に加熱のための印加電圧、例えば、10Vを、それらの電極端子である電極パッド70とSOI層用共通電極パッド75との間に印加した時には、ヒータ25の一部としても使用している一方の熱電導体120bでの電圧降下が半導体ダイオードの駆動電源の少なくとも一部になるように回路構成している。一方の熱電導体120bは、たとえば、ニッケル薄膜やニクロム薄膜などの金属で形成しているので抵抗値が小さく、例えば、5Ω程度で有り、これに対して、他方の熱電導体120aのSOI層11の抵抗値が50Ω程度あるので、熱電導体120bでの電圧降下は、1V程度である。この電圧の1V程度が、10Vのヒータ加熱電圧の印加時に半導体ダイオードの逆電圧として印加されるように、図4に示した絶対湿度センサチップの外部に回路構成をしている。この外部回路構成では、公知の技術であるために、ここでは詳細を省略するが、半導体ダイオードに逆方向電圧を、例えば、1V一定を印加した時の流れる逆電流を計測して、その値からカンチレバ12状の薄膜10の先端付近の150℃程度以上の絶対温度を計測することができる。なお、半導体ダイオードの感温部であるpn接合部の位置を温度センサ20としての薄膜熱電対の測定点(温接点)26の近くに形成してあるので、ほぼ、測定点26の絶対温度を計測していると考えて良い。また、外部回路構成では、必要に応じて、熱電導体120bでの電圧降下である1V程度は、半導体ダイオードの駆動電圧として足りない時には、外部から所定の駆動電圧になるように調整する回路機構を備えておくこともできる。
FIG. 4 is a schematic plan view of an embodiment of an absolute humidity sensor chip of the present invention having a simple structure having a single
上述では、カンチレバ12状の薄膜10の先端付近に形成した絶対温度センサ22としての半導体ダイオードの駆動において、所定の一定の逆電圧を印加できるようにして、流れる逆電流の温度依存性から絶対温度を計測するようにしているが、これとは逆に、熱電導体120bでの電圧降下である1Vの駆動電源をも加味して、所定の一定電流を半導体ダイオードに流すように、絶対湿度センサチップの外部回路を構成することもできる。このとき、半導体ダイオードに印加されている電圧を計測する必要があるので、半導体ダイオードの薄膜熱電対の測定点26側から配線110を介しての一方の電極80aから配線110を介して電圧端子116となる電極パッド71aを形成している。また、半導体ダイオードの他方の電極80bからは、配線110を介して電流端子115兼電圧端子116となる電極パッド71bを形成して、擬似的な四端子法で、精密な半導体ダイオードの印加電圧を計測できるように、電流端子115と電圧端子116とを分離形成している。ただ、ここでは、ヒータ25の一部である熱電導体120bでの電圧降下は、ヒータ駆動のために大きな電流を流すために大きな値となるが、半導体ダイオードには、絶対温度計測のための小さな駆動電流だけであり、実質的に半導体ダイオードの逆方向の内部抵抗が極めて大きいので、他方の電極80bからの金属の配線110での電圧降下は無視できる。そのために、これに繋がる電流端子115と電圧端子116は、共有させて1個にすることができる。なお、ここでの半導体ダイオードとしては、基板1に形成している絶対温度センサ21としてのバイポーラトランジスタと同一であるが小型化したものを使用した例である。そこではエミッタEとベースBとの間のpn接合ダイオードを使用している。コレクタCとベースBとは短絡して、バイポーラトランジスタをダイオードとして利用している。
In the above description, in driving the semiconductor diode as the
本実施例の絶対湿度センサでは、上述の図4に示したように、単一のカンチレバ12状の薄膜10の先端付近に絶対温度センサ22としての半導体ダイオードを形成して、ヒータ25の加熱時でも、カンチレバ12状の薄膜10の先端付近の絶対温度を計測できるようにしている。本実施例における絶対湿度センサの絶対湿度の計測の動作は、上述の実施例1における図3と同一と考えて良い。実施例1との違いは、実施例1では、ヒータ25として、ニクロム薄膜などの金属材料であったの対して、本実施例では、温度センサ20である薄膜熱電対がヒータとしても兼用で使用している。薄膜熱電対の一方の熱電導体120aが、SOI層11であるから、この抵抗率を適当に選択することにより、この熱電導体120aのSOI層11が発熱体として、カンチレバ状の薄膜10の先端部をほぼ一様にヒータ加熱してくれる。また、本実施例では、実施例1の場合と同様、薄膜10を所定の絶対温度である設定温度TlとThとに昇温させて、それらの温度を計測するために、絶対温度計測手段を用いるが、薄膜10に半導体ダイオードである絶対温度センサ22を搭載しているので、この絶対温度センサ22で、設定温度TlとThを計測して、設定温度TlとThに到達したことをコンパレータなどで検出して、ヒータ25の加熱を止めさせるような制御回路を持たせた絶対温度計測手段にしている場合である。
In the absolute humidity sensor of the present embodiment, as shown in FIG. 4 described above, a semiconductor diode as the
従って、本実施例では、図3に示す本発明の絶対湿度センサの動作を示すタイムチャートで、実施例1での差引電力量も、SOI層に高不純物濃度の縮退した半導体を用いると抵抗温度係数も小さいので、ほぼヒータ抵抗Rも同一と考えて良く、(th―tl)Va2 /Rとして近似することができる。もちろん、小さなヒータ抵抗Rの温度依存性は、直線近似で繰り込み、補正することもできる。このように実施例1と同様、差引電力量である(th―tl)Va2 /Rは、測定可能な量であるから、この値を求め、予め用意してある絶対湿度の関する校正用データとの比較から絶対湿度を求めることができる。
Therefore, in this embodiment, the time chart showing the operation of the absolute humidity sensor of the present invention shown in FIG. 3 is used. The subtraction electric energy in
図5は、本発明の絶対湿度センサに用いる基板1から熱分離した2個の同一形状の薄膜10aと薄膜10bとを備えた絶対湿度センサチップの一実施例を示す平面概略図で、実施例1の図1に示した絶対湿度センサチップの実施例の薄膜10と等価な薄膜を2個だけ同一基板1に備えた場合である。実施例1の図1では単一の薄膜10であり、ここにヒータ25と温度センサ20としての薄膜熱電対を具備した場合であったので、薄膜10を設定温度TlとThとにヒータ加熱をするときには、大きい所定のヒータ駆動印加電圧Vaで、ヒータ加熱し、その加熱過程で設定温度TlとThに到達するまでのそれぞれの時間tlとthとを計測することもできたが、本実施例では、実施例1における同一の図6を用いて、同一形状の薄膜10aと薄膜10bとを備えた絶対湿度センサチップに適用した場合である。一方の薄膜10aは、設定温度Tlに、他方の薄膜10bは設定温度Thに、同時に加熱する場合である。ここでの図6は、実施例1の図3に示したと同様に、同一のヒータ駆動印加電圧Vaで、ヒータ25aとヒータ25bを駆動し、それぞれヒータ25aとヒータ25bとが形成されている薄膜10aと薄膜10bとを、それぞれ設定温度Tlと設定温度Thとになるまで同時に加熱した場合の本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートである。ここでは、薄膜10aと薄膜10bとが完全に同一形状であることを仮定した場合であるが、実際には多少の熱容量等のずれ等が生じているために、薄膜10aと薄膜10bとの温度上昇カーブは重ならないで、多少ずれることを想定する必要がある。この時は、それらのずれも含めて補正すれば良い。
FIG. 5 is a schematic plan view showing an embodiment of an absolute humidity sensor chip including two
薄膜10aと薄膜10bをそれぞれ所定の絶対温度である設定温度Tlと設定温度Thとに昇温させるための絶対温度計測手段も、実施例1における場合と同様であるから、ここではその詳細な説明は省略する。このように実施例1と同様、差引電力量である(th―tl)Va2 /Rは、計測可能な量であるから、この値を求め、予め用意してある絶対湿度の関する校正用データから絶対湿度を求めることができる。設定温度Tlと設定温度Thへのヒータ加熱による昇温動作は、同時に行うことができるから計測時間の短縮ができるので、室温が変動している場合の絶対湿度計測に有効である。しかし、2個のヒータが存在していることから、互いの熱的干渉が生じるので、絶対湿度センサチップの傾きなど、湿潤空気の対流の影響を考慮して設置する必要がある。このように実施例1とは、同様であるので、詳細な説明は省略する。
Since the absolute temperature measuring means for raising the
ここでは、実施例1で用いた図1および図2の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ25の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした一実施例について説明する。
Here, using the absolute humidity sensor chip of FIG. 1 and FIG. 2 used in Example 1, each output voltage of the
図7は、本発明の絶対湿度センサの動作の理解を助けるためのヒータ加熱温度のタイムチャートで、図7(A)は、ヒータ加熱に用いるクロックパルス信号波形で、図7(B)は、薄膜熱電対である温度センサ20からの薄膜10が加熱された時のその温度に比例する出力信号波形を示す例である。図1や図2に示すような単純構成の単一の基板1から熱分離した薄膜10を備えた絶対湿度センサチップを用いて、薄膜10に形成してあるヒータ25を所定の一定の電力Pで加熱・冷却した場合である。その加熱サイクル(ここでは、1回だけの加熱や冷却ではなく、繰り返して加熱・冷却が行われるので、サイクルという語句を入れている)および冷却サイクルで出力信号波形の一例を示している。そして、周囲湿潤空気(被計測気体)の熱伝導率が大きい時の予想される波形と、熱伝導率が小さい時の予想される波形を同一の図7(B)に示している。
FIG. 7 is a time chart of the heater heating temperature for helping understanding of the operation of the absolute humidity sensor of the present invention, FIG. 7A is a clock pulse signal waveform used for heater heating, and FIG. It is an example which shows the output signal waveform proportional to the temperature when the
このように温度センサ20として薄膜熱電対(温度差センサ)を用いた場合、冷却過程では、加熱された薄膜10は最終的に周囲気体(被計測気体)の温度である室温に戻るので、温度センサ出力は、ゼロに漸近する。なお、温度センサ出力は、薄膜熱電対である温度差センサの出力なので、ほぼ薄膜10の温度上昇分と考えることができる。すなわち、温度センサ出力は、ゼロということは、温度上昇分がゼロということに対応する。図7(B)に示すように、周囲気体の熱伝導率が大きい時は、同一のヒータ供給電力Pにおいて、周囲気体への放熱が激しいので、薄膜10の温度が上昇し難く、低い温度上昇分となり、更に、冷却過程(冷却サイクル)では、放熱が激しいので、冷却速度が大きく、熱時定数が小さくなる。これに対して、周囲気体の熱伝導率が小さい時は、同一のヒータ供給電力Pにおいて、放熱が小さく、高温まで熱せられて飽和に達する。また、冷却過程では、やはり、放熱が小さいのでゆっくりと冷却されて、その熱時定数が大きくなる。このようなことから、冷却サイクルでのヒータ加熱停止直後から次の加熱サイクルの始まりまでの温度センサ20の出力の時間積分(図7(B)の冷却サイクルでの斜線部分の面積)は、周囲気体の熱伝導率が小さい方が、熱伝導率が大きい場合よりも非常に大きくなることが分かる。すなわち、周囲気体の熱伝導率が小さい場合と大きい場合とのヒータ加熱サイクルでの温度センサ出力波形の終端での値の比よりも、冷却サイクルでの時間積分値(斜線の面積)の比を用いた方が、時間積分の効果で増幅され何倍も大きくなり得ることも分かる。このようにして、ヒータ加熱中に温度センサの出力を計測しなくとも、加熱停止後のノイズが少ない冷却サイクルでの時間積分により、安定して、しかも、増幅した形で出力が得られることが分かる。従って、周囲気体(被計測気体)の絶対湿度(水蒸気量)の変化により周囲気体の等価的な熱伝導率が変化することから、本発明の絶対湿度センサを用いて、高感度で、かつ高精度に計測できることが分かる。
When a thin film thermocouple (temperature difference sensor) is used as the
図8は、本発明の絶対湿度センサの動作を、図1と図2に示す絶対湿度センサチップを用いて、時間積分値の差引(差引積分値)による周囲温度(室温)の影響を除くようにすると共に、周期的にヒータ加熱された薄膜10の温度の様子を示すタイムチャートの一実施例である。ここでは、所定の高い温度Thに薄膜10を維持しやすいように、図7(A)に示すようなクロックパルスに応じて、ヒータ25へ電圧Vaを印加して、絶対温度計測手段を用いて、所定の絶対温度Thに加熱されるように設定してある実施例である。もちろん、周期的なクロックパルスを用いずに、例えば、ヒータ25に印加電圧であるVaを印加して、冷却過程での熱時定数の2倍程度以上のところで時間積分を打ち切り次の加熱サイクルに入っても良い。
FIG. 8 shows the operation of the absolute humidity sensor of the present invention by using the absolute humidity sensor chip shown in FIGS. 1 and 2 to eliminate the influence of ambient temperature (room temperature) due to subtraction of time integral values (subtraction integral value). 2 is an example of a time chart showing the state of the temperature of the
図8は、上述のように、加熱サイクルと冷却サイクルでの温度センサ20である薄膜熱電対の出力(電圧)から得られる単一の薄膜10の温度変化を示し、単一の駆動電力でヒータ加熱し、薄膜10の温度を室温から所定の高い温度Thに到達させた後、これらの温度を維持し、その後ヒータ加熱を止め、冷却過程に入る様子を示している。ここでは、温度センサ20として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、図8における薄膜10の温度の原点は、基準点(冷接点)のある基板1の温度、室温である。そして、所定の高い設定温度Th(周囲気体の等価的な熱伝導率の関数で、被測定湿潤気体の計測では、例えば、400℃から500℃程度までは温度上昇するような電力をヒータ25に供給する)に薄膜10を所定の電力(ヒータ25の抵抗の温度依存性が無視できる時には、所定の電圧で駆動しても、所定の電流で駆動しても、結局は所定の電力で駆動することに等価である)で、ヒータ加熱させる。この加熱の停止直後からの冷却サイクルでの温度センサ20である薄膜熱電対の出力(電圧)Vsを時間積分するが、このとき、周囲温度の影響を除くように補正するために、所定の低い方の絶対温度Tlに対応する温度センサ20である薄膜熱電対の出力電圧Vslの値は、基板1に形成してある絶対温度センサ21の情報と温度センサ20の情報を利用する前記絶対温度計測手段を介して、算定できるものであるから、この出力電圧Vslを冷却サイクル時の薄膜熱電対の出力電圧Vsから差し引く、すなわち、(Vs-Vsl)を時間積分して、差引積分値ΔS(図8の斜線領域)を求める。この時の積分時間は、薄膜熱電対の出力電圧Vsが出力電圧Vslになった時、すなわち、(Vs-Vsl)=0となった時までの時間である。なお、図8では、薄膜10の温度と薄膜熱電対の出力(電圧)を縦軸にしているが、これは、温度センサ20として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、縦軸は、薄膜10の室温を基準にした温度と温度センサ20の出力電圧とが同一と考えて良いからである。このように、差引積分値ΔSは、共通する室温から所定の温度Tl以下の時間積分値を差し引かれた時間積分値であるから、室温が変動しても無関係な値となり、湿潤空気の絶対湿度Hの関数となっている。この差引積分値ΔSは、絶対湿度Hが大きい時には、小さな値となり、絶対湿度Hが小さくなると単調の大きくなる関数である。この値から、予め同一の条件下で取得しておいた絶対湿度校正用データに基づいて、絶対湿度Hを室温の大きさに依存しないで、一義的に決定することができる。
FIG. 8 shows the temperature change of the single
図9は、上述の図8と同様に、図1や図2に示す絶対湿度センサチップを用いて、周期的にヒータ加熱された薄膜10の温度の様子を示すタイムチャートの他の一実施例である。上述の計測では、設定温度Thからの冷却過程で薄膜熱電対の出力(電圧)から低い方の設定温度Tlに対応する薄膜熱電対の出力(電圧)Vslを時々刻々差し引くようにして、その時の差引された出力電圧を上記積分時間の期間だけ積分して出力値を求め、室温の影響を除くように補正した例であったが、それとは別に、図9(A)に示すように、設定温度Thからの冷却過程で薄膜熱電対(温度センサ20)の出力電圧を、所定のTlに対応する上記の出力電圧Vslになるまで時間積分をして、その時の第1の時間積分値Shから、図9(B)に示すように出力電圧Vslも同一の上記積分時間の期間だけ積分した第2の時間積分値Slを求め、これらを差し引き、差引積分値ΔSを求めるようにした場合である。所定の温度Thの設定や所定の温度Tlに対応する温度センサ20の出力電圧の大きさも、上述の実施例1で述べた絶対温度計測手段を用いて計測することができる。室温が、これらの積分時間に比べて十分ゆっくりしか変動しない条件下では、図9(A)の高い設定温度Thの時間積分値Sh(斜線部)のうち、所定の低い設定温度Tl以下の時間積分値(長方形部)は、図9(B)の所定の低い設定温度Tlの時間積分値Sl(長方形部)と同一であり、これらの第1の時間積分値Shから第2の時間積分値Slを差し引いた差引積分値ΔSは、これらの出力波形の時間積分値の差引積分値であるから、絶対湿度の計測における周囲温度の影響をほぼ除去してくれることになる。
FIG. 9 shows another embodiment of a time chart showing the temperature of the
図10には、図1や図2に示す絶対湿度センサチップを用いて、周期的にヒータ加熱された薄膜10の温度の様子を示すタイムチャートの他の一実施例を示している。上述の図8と図9とでは、単一の薄膜10を用いて、上記差引積分値ΔSを求めるのに、出力電圧Vslの値がヒータ加熱前に分かっているので、時間的に同時に差引演算をして差引積分値ΔSを求める場合を示していたが、ここでは、図10に示すように、クロックパルスを利用し、第1のヒータ加熱で、所定の高温側の温度Thに加熱し、この温度を維持して次のクロックパルスで、冷却サイクルになるようにして繰り返すが、第1のヒータ加熱後、引き続く加熱サイクルでは、第2のヒータ加熱で、所定の低温側の温度Tlに加熱するようにした後、この温度を維持するようにしている。そして、これらの加熱、冷却サイクルの中で、Thからの冷却過程で、薄膜熱電対の出力電圧Vsを時間積分させて、上述の図8や図9を用いて示した説明と同様に、この積分時間を薄膜熱電対の出力電圧Vsが出力電圧Vslに等しくなるまでの時間とさせて、第1の時間積分値Shを求めると共に、その積分時間と等しい時間だけ、第2のヒータ加熱での加熱停止後に、この実際の薄膜熱電対の出力電圧Vslを時間積分して第2の時間積分値Slを求める。そして、これらから差引積分値ΔS=(Sh-Sl)を演算により求めるようにすることができる。計測回路には、各種のノイズが発生するので、これらの成分を第1のヒータ加熱と第2のヒータ加熱による実際の薄膜熱電対の出力電圧を時間積分して得られたShとSlとの差引により、これらに共通するノイズ成分を打ち消すことができるという利点がある。
FIG. 10 shows another embodiment of a time chart showing the state of the temperature of the
更に説明すると、図1と図2に示したように、基板1に絶対温度センサ21を有しているので、周囲媒体の温度(室温)が分かっている。そして、薄膜10に供給する電力(ヒータ抵抗の温度による変化が無視できれば、印加電圧や供給電流により定まる)にほぼ比例して温度上昇分が決まる。そして、周囲気体が空気の場合で、1種類の気体であることが分かっている場合(純粋の空気の場合は、窒素ガスと酸素とのはっきりとした混合比率の混合ガスであるので、これを1種類のガスとして取り扱うことができる)、一般にその熱伝導率は、温度上昇と共にほぼ直線的に大きくなり、その熱伝導率の温度に対する勾配と熱伝導率の大きさが、気体の種類により異なる。したがって、空気中の150℃以上の所定の設定温度Thに熱せられた空気で、絶対湿度が大きい場合は、熱伝導率が増大し、絶対湿度が小さい場合に比べて、設定温度Thに対応する第1の時間積分値が小さくなる。湿度依存性を持たない所定の設定温度、例えば、150℃のTlに対応する第2の時間積分値は、同一の室温からの加熱・冷却では、一定であるから、第1の時間積分値から第2の時間積分値を差し引いた差引積分値ΔSは、絶対湿度が大きいほど小さくなる。このようにして、第1の時間積分値Shから第2の時間積分値Slを差し引いた差引積分値ΔSを基にして、予め用意してある絶対湿度に関する校正用データを利用して、空気中の絶対温度が室温の影響をほぼ除いた形で、空気中の絶対湿度を求めるものである。
More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, since the
ここでは、実施例2で用いた図4の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ25の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした他の一実施例について説明する。
Here, using the absolute humidity sensor chip of FIG. 4 used in Example 2, the output voltage of the
ここで、実施例4との大きな違いは、丁度、実施例2と実施例1との違い、すなわち、実施例1では、図1や図2に示す薄膜10には、絶対温度センサを備えず、しかもヒータ25と温度センサ20とは独立に備えた絶対湿度センサチップを用いた場合であったが、実施例2では、図4に示すように、絶対温度センサ22を備え、しかもヒータ25と温度センサ20とを兼用にした絶対湿度センサチップを用いた場合であると言う違いがあるが、単一の薄膜10を用い、ここにヒータ25と薄膜熱電対である温度センサ20とを有した構造であり、ヒータ25の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたもので、本発明の実施例5における絶対湿度の計測の仕方は、実施例4における図8、図9や図10を用いた動作と全く同一である。ただ、本実施例5では、図4の絶対湿度センサチップを用いているので、その薄膜10には、絶対温度センサ22としての半導体ダイオードが形成されている。従って、薄膜10の絶対温度を直接計測することができるので、所定の設定温度Tl、Thとを計測して制御することが単純になり、絶対温度計測手段の構成がその分、単純化される。また、ヒータ25と温度センサ20とが切り替えにより兼用できるので、その分、単純な構造になるし、カンチレバ状の薄膜10も、熱電導体120aとしてのSOI層11がヒータ25にもなるので、一様な発熱が可能となる。
Here, the major difference from the fourth embodiment is just the difference between the second embodiment and the first embodiment, that is, in the first embodiment, the
なお、図10に示す場合は、第1の時間積分値Shのデータ取得と第2の時間積分値Slのデータ取得で計測時間が異なるので、直接的には差し引きができないが、先行する第1の時間積分値を時間的に保持させる回路、例えば、ピークホールド回路やデジタル的なメモリ回路を用いるソフト上での保持などを利用して、第2の時間積分値Slとの差を求めることができる。 In the case shown in FIG. 10, the measurement time is different between the data acquisition of the first time integration value Sh and the data acquisition of the second time integration value Sl. It is possible to obtain a difference from the second time integration value Sl by using a circuit that holds the time integration value in terms of time, for example, a software holding using a peak hold circuit or a digital memory circuit. it can.
もちろん、ここでは、絶対温度センサ22として半導体ダイオードを用いているが、Pt薄膜などの測温抵抗体を用いても良い。絶対湿度計測の仕方は、実施例4における図8、図9および図10の場合と同様なので、ここでは省略する。
Of course, a semiconductor diode is used as the
ここでは、実施例3で用いた図5の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ25aとヒータ25bの加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20aと温度センサ20bとのそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした他の一実施例について説明する。
Here, using the absolute humidity sensor chip of FIG. 5 used in Example 3, each of the
図5に示した絶対湿度センサチップの薄膜10bのヒータ25bに、例えば、10Vの矩形波パルスを印加して、薄膜10bを加熱し、所定の設定温度Th、例えば400℃に到達させたら、この温度を保持するように絶対温度計測手段を用いて制御する。クロックパルスなどにより指定された加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ25bを温度差センサである温度センサ20bとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分(第1の時間積分)する。また、このとき薄膜10aには、薄膜10bのヒータ加熱と同期して、例えば、ヒータ25aの印加電圧Vlを3.0Vで、薄膜10aを所定の設定温度Tl、例えば、150℃まで加熱し、この温度を保持するように絶対温度計測手段を用いて制御する。そして、その加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ25aを温度差センサである温度センサ20aとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分(第2の時間積分)する。この時の様子を、図11に示す。この図11は、本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートであり、薄膜10bを高い方の設定温度Thに加熱した時(例えば、10Vで加熱)の加熱サイクルと冷却サイクルと、薄膜10aを低い方の設定温度Tlに加熱した時(例えば、3.0Vで加熱)の加熱サイクルと冷却サイクルとを示し、更に、それぞれの冷却サイクルでの温度センサ20a、20bのそれぞれの出力電圧の時間積分(斜線部)としての第1の時間積分と第2の時間積分をも示している。なお、縦軸を薄膜10aと薄膜10bの温度と、温度センサ20a、20bのそれぞれの出力電圧とが同一波形になるとして表示している。
When the
この場合、前記したが、それぞれの第1の時間積分と第2の時間積分とのそれぞれの積分結果の値(時間積分値)の差を求めて、その出力電圧差(差引積分値)を出力として取り出しても良いが、時々刻々温度センサ20bと温度センサ20aとの差をコンデンサなどに充電して、積分させても良い。もちろん、これらを、コンデンサを用いずに、ICメモリに入力記録して、デジタル的に加算処理などをしても良い。なお、本実施例では、温度センサ20bと温度センサ20aとを、共に薄膜熱電対である温度差センサを用いているので、図9では、薄膜10aと薄膜10bとの温度を縦軸にしているが、これを温度に対応する温度センサ出力電圧で表わすと、縦軸の原点Voは、本質的にゼロになる。このために高精度計測であるゼロ法が適用できるので、高精度の絶対湿度の計測が可能となる。
In this case, as described above, the difference between the respective integration result values (time integration values) of the first time integration and the second time integration is obtained, and the output voltage difference (subtraction integration value) is output. However, the difference between the
本実施例では、実施例4や実施例5で用いた図8、図9および図10の場合と、絶対湿度の求め方は同様であり、違いは、単に、図10では、冷却過程での第1の時間積分と第2の時間積分が時間的にずれているのに対して、図11では、同時に時間積分が得られるので、ピークホールド回路などの出力保持機能を持たずに、リアルタイムで第1の時間積分と第2の時間積分との差である差引積分値ΔS(図11の密な斜線部)を求めることができるという違いがあるだけである。もちろん、このために計測時間の短縮が達成されるが、絶対湿度の求め方は同様であるから、ここでは詳細な説明は省略する。 In this embodiment, the method of obtaining absolute humidity is the same as in the case of FIGS. 8, 9 and 10 used in Embodiment 4 and Embodiment 5, and the difference is simply that in FIG. In contrast to the time integration of the first time integration and the second time integration, in FIG. 11, since the time integration is obtained at the same time, it does not have an output holding function such as a peak hold circuit in real time. There is only a difference that a subtraction integral value ΔS (a dense hatched portion in FIG. 11) which is a difference between the first time integration and the second time integration can be obtained. Of course, the measurement time can be shortened for this purpose, but since the method for obtaining the absolute humidity is the same, the detailed description is omitted here.
図12には、本発明の絶対湿度センサの動作に判定機能を持たせた場合の一実施例で、薄膜10もしくは薄膜10a、10bが、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目を判定する機能を備えた場合の薄膜10等に設けたヒータ25等で微小電力加熱して、その時の温度上昇の時間経過を温度センサ20等のとしての薄膜熱電対の出力の概略図を示している。ここでは、前述の図1や図2に示した絶対湿度センサチップを用いた場合について説明する。薄膜10等に設けたヒータ25等での微小電力加熱とは、例えば、通常の湿潤空気中ならば、薄膜10等が室温から10℃程度の温度上昇しかしない程度のヒータ電力P、例えば10mW程度、で薄膜10等を加熱することを言い、このとき、薄膜10等の熱容量が極めて小さいので、図12の特性カーブAのように、ヒータ加熱時間と共に急速な温度上昇があり、間もなく、熱コンダクタンスGとヒータ電力Pとで決まる温度上昇の飽和値に達する。図12では、縦軸に薄膜熱電対出力を表示しているが、この薄膜熱電対出力と薄膜10等の室温からの温度上昇分は、比例関係なので、薄膜熱電対出力の時間経過の特性カーブは、そのまま、薄膜10等の温度上昇分の特性カーブと考えて良い。予めこの特性カーブを記録しておき、このような微小電力加熱を行い、図12の特性カーブAとほぼ相似形の特性カーブが得られた場合は、そのまま、上述のような、所定の設定温度Tl、Thに達するような大きなヒータ25等への電力を供給して、通常の上記した絶対湿度を計測して良い。
FIG. 12 shows an embodiment in which the operation of the absolute humidity sensor of the present invention has a determination function. The
しかしながら、上記の微小電力加熱を行った結果、特性カーブBのように、微小電力加熱の初期のうちは、温度上昇が見られず(薄膜熱電対出力がほとんどゼロ)、その後、温度上昇に転じるような場合は、湿潤空気が露点に達し、薄膜10等の表面に微小水滴や微小氷が付いている可能性がある。このとき、基板1に備えてある絶対温度センサ21の出力から、基板1が0℃以下であれば、氷の微粒子が付着しているものであり、それ以上の温度であれば、露点に達した水滴が付着していると判断させる。また、特性カーブCのようであれば、絶対温度センサ21の出力から、0℃以下であれば、基板1自体がほぼ氷の中にあり、0℃以上であれば、露点に達し、水没しているか、もしくは大量の水滴が付着している可能性があると判断させるものである。そして、露点に達しているのであれば、相対湿度が100%であるから、その時の絶対温度センサ21の出力から周囲温度を計測して、その時の飽和水蒸気量が分かっているから、絶対湿度が求まる。特性カーブBや特性カーブCで露点に達しているのであれば、上記の飽和水蒸気量から絶対湿度を求めることになる。氷付着による特性カーブBのような場合は、薄膜10等の表面の氷の粒子を蒸発させた後に、上述のように所定の設定温度Tl、Thになるように加熱して、絶対湿度を計測することができる。
However, as a result of the above-mentioned micro power heating, as shown in the characteristic curve B, the temperature does not increase during the initial stage of micro power heating (the thin film thermocouple output is almost zero), and then the temperature starts to increase. In such a case, there is a possibility that the moist air reaches the dew point and the surface of the
本発明の絶対湿度センサチップを搭載した絶対湿度センシングプローブが、絶対湿度の計測環境で明らかに露点に達していないことや氷が付着していないことが判明している時には、上記の微小加熱をする必要がない。しかし、いかなる環境でも対応させるためには、絶対湿度計測の初期段階で、微小電力加熱動作を行うようにシステムを構成すると良い。 When the absolute humidity sensing probe equipped with the absolute humidity sensor chip of the present invention clearly shows that the dew point has not been reached or the ice has not adhered in the measurement environment of absolute humidity, the above-mentioned minute heating is performed. There is no need to do. However, in order to cope with any environment, it is preferable to configure the system so that a minute power heating operation is performed at the initial stage of absolute humidity measurement.
ここでは、図13に示す絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ25の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした一実施例について説明する。図13は、本発明の絶対湿度センサチップの他の一実施例の平面概略図であり、実施例1で用いた図1と同様であるが、違いは、図1では、ヒータ25と温度センサ20である薄膜熱電対とは、独立に形成してあったが、本実施例の図13では、ヒータ25と温度センサ20である薄膜熱電対とを兼用にした、所謂、ヒータ25兼温度センサ20としたことである。従って、温度センサ20である薄膜熱電対は、ヒータ25としての動作と温度センサ20としての温度差センサとしての動作が同時にできないという不便さがある。しかも、薄膜10の絶対温度を知る場合も、薄膜10には、絶対温度センサが備えられていないので、前記した本発明絶対湿度センサに備えた絶対温度計測手段を用いて、基板1に形成した絶対温度センサ21で基板温度(周囲温度)を知り、基板1を基準点27にした薄膜10上の測定点26とする温度センサ20としての薄膜熱電対で、基板1からの温度上昇分を計測して薄膜10の絶対温度を知るなどの回路上の複雑さはあるが、絶対湿度センサチップ自体の構造が、極めて単純であるという利点がある。
Here, using the absolute humidity sensor chip shown in FIG. 13, in the cooling process after the heating of the
上述のように、図13に示す絶対湿度センサチップには、絶対温度センサ22や温度センサ20とは兼用にしない独立したヒータ25が存在していないために、薄膜10を所定の設定温度Tl、Thにヒータ加熱するにしても、ヒータ25としての動作と温度センサ20としての動作を高速に交互に繰り返すようなサイクルで昇温させる必要がある。図14には、本発明の絶対温度センサのヒータ加熱による薄膜の温度上昇に関する他の一実施例のタイムチャートを示し、ヒータ25による薄膜10の加熱と冷却を繰り返した場合を示している。ここでは、ヒータ25の加熱期間を加熱サイクルとし、冷却期間を冷却サイクルと表記している。ヒータ25による薄膜10を加熱した時の加熱サイクルでの温度上昇の薄膜温度Tの時間経過とヒータ加熱を停止した後の冷却サイクルでの薄膜10の温度下降の時間経過の状況を示している。また、例えば、薄膜10の熱時定数が30ミリ秒(msec)程度の場合、この熱時定数に比べて100分の1以下である10マイクロ秒(μsec)程度の時間Δtだけ、ヒータ加熱を停止させても、薄膜10の温度は、それに比較し大きな熱時定数のためにほとんど下がらず、この短い時間Δtの間でもほぼヒータ加熱を停止させない時の温度を維持していると考えることができる。このような短い時間Δtの加熱サイクル中のヒータ加熱の停止や、ヒータ加熱サイクルが終了して次の冷却サイクルに突入した場合でも、ヒータ加熱サイクルのヒータ加熱停止直後の短い時間Δtの間では、やはり、ほぼヒータ加熱サイクル最後の温度を維持していると考えることができる。
As described above, the absolute humidity sensor chip shown in FIG. 13 does not have the
図14には、薄膜10を、所望の設定(絶対)温度Thに到達できるのに充分な加熱電力で、ヒータ25による加熱をする時の加熱サイクル中に、周期的に薄膜10の熱時定数に比べて充分短い時間Δtだけ、ヒータ加熱を停止させて、薄膜10の途中経過の絶対温度を、今度は、薄膜熱電対として動作させて計測した場合の例を示している。そして、この短い時間Δt内に温度センサ20で、上述の絶対温度計測手段で測定点26の絶対温度である、例えば、所定の設定温度Thに対応する出力電圧Vshを計測し、所望の設定(絶対)温度、例えば、Th=500℃になった時に対応する出力電圧Vshの値に到達した時点で、ヒータ25の加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行させるようにした場合の例でもある。
FIG. 14 shows the thermal time constant of the
この図14では、ヒータ加熱サイクルで加熱初めから時間tnになった時に加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行する場合を示している。このためには、ここでは示していないが、設定(絶対)温度Th=500℃になった時に対応する出力電圧Vshの値に等しい比較用の電圧を生成しておき、この電圧と500℃対応の出力電圧Vshとコンパレータなどで比較して信号を出し、ヒータ25の加熱サイクルを停止させるようにすると良い。また、次の冷却サイクルはタイマーICなどで所望の時間を決めて設定し、その動作が終了したら再び加熱サイクルにすることは、純粋のハード的な回路構成で既知の技術で容易に達成できるものである。このようにして、所定の絶対温度の500℃である測定点26の温度が周期的に達成されることになる。これを絶対湿度センサにおける湿潤空気の熱伝導率が大きくなる高温側の設定温度Thとして利用し、更に同様にして、所定の設定絶対温度Tlを上述のように、例えば、絶対湿度に無関係になれる温度領域にある、例えば、Tl=150℃に設定して、この温度に薄膜10が到達した時点で、ヒータ加熱を止めて冷却サイクルに入るようにすることができる。もちろん、上述のように、Tlを絶対湿度に無関係になれる温度領域の温度にする必要はないが、この温度領域に設定すると絶対湿度としての測定誤差が小さくなる。そして、この冷却サイクル中に、上述の実施例4に述べたように、例えば、そこでの図9におけるヒータ25の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ20のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、Thに対応する第1の時間積分値とTlに対応する第2の時間積分値との差引積分値ΔSを求めて、その差引積分値ΔSの出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めることができる。ここでは、例えば、図9の場合と同様なので、その詳細な説明は省略する。
FIG. 14 shows a case where the heating cycle is stopped at the time tn from the beginning of heating in the heater heating cycle, and the process proceeds to the next cooling cycle. For this purpose, although not shown here, a voltage for comparison equal to the value of the corresponding output voltage Vsh when the set (absolute) temperature Th = 500 ° C. is generated, and this voltage corresponds to 500 ° C. The output voltage Vsh is compared with a comparator or the like to output a signal, and the heating cycle of the
図15には、本発明の絶対湿度センサを動作させるための構成の一実施例のブロック概略図を示している。少なくとも、上述の本発明の絶対湿度センサチップや他の回路に電力を供給するための電源回路、絶対湿度センサからの出力を増幅する増幅回路、絶対湿度センサからの出力を利用して絶対湿度を求めることや相対湿度に変換するための演算回路、絶対湿度センサの動作のための制御回路を有しており、ここでは、更に、絶対湿度や相対湿度を表示する表示部も備えた場合を示している。これらの構成回路は、公知の技術で達成されるので、ここではその説明を省略する。 FIG. 15 shows a block schematic diagram of an embodiment of a configuration for operating the absolute humidity sensor of the present invention. At least the power supply circuit for supplying power to the above-described absolute humidity sensor chip of the present invention and other circuits, an amplifier circuit for amplifying the output from the absolute humidity sensor, and the absolute humidity using the output from the absolute humidity sensor It has a calculation circuit for obtaining and converting to relative humidity, and a control circuit for the operation of the absolute humidity sensor. Here, a case where a display unit for displaying absolute humidity and relative humidity is further provided is shown. ing. Since these constituent circuits are achieved by a known technique, the description thereof is omitted here.
上述の実施例では、図4に示したような薄膜10に絶対温度センサ22を備えた場合で、単一の薄膜10についてのみ説明したが、もちろん、この絶対温度センサ22を備えた同一形状の薄膜10を1つの基板1に2個形成して、実施例6と同様にして絶対湿度を計測できるが、ここは、その説明を省略している。
In the above-described embodiment, the
上述の実施例8では、図13に示す単一の薄膜10を用いた場合で、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度センサ20の出力の時間積分値を用いて絶対湿度を求める方法についての実施例を説明したが、実施例1のように加熱中の消費電力量の比較により絶対湿度を求めることもできる。この場合も絶対湿度を求め方は、実施例1の場合と同様なので、ここでは説明を省略している。また、実施例8での図13に示す薄膜10を、実施例3のように、同一の基板1に2個設けて、消費電力量の比較により絶対湿度を求めることもできるし、更に、実施例6のように、同一の基板1に設けた2個の薄膜10a、10bを用い、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度センサ20の出力の時間積分値を用いて絶対湿度を求めるようにすることもできる。これらの場合も、実施例3や実施例6の場合と絶対湿度を求め方は同様なので、ここでは説明を省略している。
In the above-described eighth embodiment, a method for obtaining the absolute humidity using the time integral value of the output of the
本発明の絶対湿度センサと絶対湿度センサチップは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。 The absolute humidity sensor and the absolute humidity sensor chip of the present invention are not limited to the present embodiment, and various modifications can be naturally made while the gist, operation and effect of the present invention are the same.
本発明の絶対湿度センサは、 基板から熱分離した薄膜に、ヒータと温度センサとを搭載して、ヒータ加熱した薄膜の周囲気体への被測定気体中の水蒸気量、すなわち、絶対湿度の違いによる放熱状態の違いに基づく温度変化を温度センサで計測する、所謂、熱伝導型センサである。周囲気体(被測定気体)の絶対湿度の大きさを熱伝導率の変化を通して計測するが、本発明の絶対湿度センサでは、温度センサを薄膜熱電対にし、ヒータ加熱中において、薄膜を所定の異なる2つの温度Th、Tlとに到達させるに必要な消費電力量を基にして絶対湿度を求める場合と、薄膜を所定の異なる2つの温度Th、Tlとに到達させ、そのヒータ加熱停止後の冷却過程において、温度センサのそれぞれの出力の時間積分を基にして絶対湿度を求める場合とに分かれる。 The absolute humidity sensor of the present invention includes a heater and a temperature sensor mounted on a thin film thermally separated from a substrate, and depends on the amount of water vapor in the gas to be measured to the ambient gas of the heater heated thin film, that is, the difference in absolute humidity This is a so-called heat conduction type sensor that measures a temperature change based on a difference in heat dissipation state with a temperature sensor. The absolute humidity of the surrounding gas (the gas to be measured) is measured through a change in thermal conductivity. In the absolute humidity sensor of the present invention, the temperature sensor is a thin film thermocouple, and the heater is heated to change the thin film to a predetermined difference. The absolute humidity is calculated based on the power consumption required to reach the two temperatures Th and Tl, and the thin film is made to reach two different temperatures Th and Tl and cooling after the heater heating is stopped. The process is divided into the case of obtaining the absolute humidity based on the time integration of each output of the temperature sensor.
ヒータ加熱中の絶対湿度の計測では、150℃以上の所定の高い設定温度Thと、高い設定温度Thよりは低い150℃程度の所定の設定温度Tlの温度に到達させるに必要なそれぞれの消費電力量を基にして計測するものである。また、同一のヒータ加熱電圧の場合には、差引電力量は、室温から設定温度TlやThに達するまでの所要時間tlとthとの差に比例することが判明し、この差引電力量を基にして、予め用意した校正用データと組み合わせて、単純な演算で絶対湿度が計測できる。 When measuring absolute humidity during heater heating, each power consumption required to reach a predetermined high set temperature Th of 150 ° C or higher and a predetermined set temperature Tl of about 150 ° C lower than the high set temperature Th Measure based on quantity. Further, in the case of the same heater heating voltage, it was found that the subtraction electric energy is proportional to the difference between the required time tl and th required to reach the set temperature Tl or Th from room temperature. Thus, the absolute humidity can be measured with a simple calculation in combination with calibration data prepared in advance.
また、ヒータ加熱停止後の冷却過程での計測では、ヒータ加熱中とは異なり、冷却過程でのノイズが小さい期間に、温度センサからの出力を時間積分して出力とするので、高いS/Nが得られる。更に時間積分により微小信号の増幅が達成されるので、高感度の絶対湿度センサが提供できる。温度センサとして、温度差センサである薄膜熱電対を使用すると、これはヒータとしても兼用できるので、非常に単純な構造の熱伝導型センサチップとなると共に、温度センサ兼ヒータとしての動作は、丁度、加熱サイクルでのヒータ動作と冷却サイクルの温度センサ動作とを交互に動作できるので、好適である。 Further, in the measurement in the cooling process after the heater heating is stopped, unlike the case in which the heater is heated, the output from the temperature sensor is time-integrated and output in a period in which the noise in the cooling process is small. Is obtained. Furthermore, since amplification of a minute signal is achieved by time integration, a highly sensitive absolute humidity sensor can be provided. When a thin film thermocouple, which is a temperature difference sensor, is used as a temperature sensor, it can also be used as a heater, so that it becomes a heat conduction type sensor chip with a very simple structure, and the operation as a temperature sensor / heater is just The heater operation in the heating cycle and the temperature sensor operation in the cooling cycle can be operated alternately, which is preferable.
MEMS技術を用いて、極めて小型の宙に浮いた薄膜で形成できるので、熱応答時間も数十ミリ秒程度と極めて高速であり、更に、水蒸気の多孔質膜などへの吸収を利用するような湿度センサの原理に基づくものでないので、本質的に劣化の問題がほとんどないと言える。ただ、露点や氷結等に対しての対策が必要で、本発明の絶対湿度センサでは、露点や氷結等の状態を判断できるようにし、これらを蒸発させて絶対湿度を計測するような対策も施されている。このように、MEMS技術による大量生産化可能であり、消費電力が小さく、高速動作であるからハンディな絶対湿度センサが提供できる。なお、本絶対湿度センサは、MEMS技術による熱型センサなので、気流等の影響がないように、絶対湿度センサチップの上には、多孔性キャップで覆うようにした方が良い。また、200℃以上の高温の環境下でも使用できる絶対湿度センサであり、乾燥機の中の湿度計測や、自動車のエンジン付近での湿度計測、更には、一般空気中の湿度計測はもとより、砂地や土壌中の湿度、エアコンの湿度管理など多方面の用途が期待される。 Since it can be formed with a very small thin film suspended in the air using MEMS technology, the thermal response time is very high, about several tens of milliseconds, and furthermore, absorption of water vapor into a porous film is used. Since it is not based on the principle of a humidity sensor, it can be said that there is essentially no problem of deterioration. However, it is necessary to take measures against dew point and icing, and the absolute humidity sensor of the present invention makes it possible to judge the state of dew point and icing and measures to evaporate these and measure absolute humidity. Has been. In this manner, mass production by MEMS technology is possible, power consumption is small, and high-speed operation makes it possible to provide a handy absolute humidity sensor. Since this absolute humidity sensor is a thermal sensor based on MEMS technology, it is better to cover the absolute humidity sensor chip with a porous cap so as not to be affected by airflow. In addition, it is an absolute humidity sensor that can be used even in a high temperature environment of 200 ° C or higher. It can measure humidity in dryers, humidity in the vicinity of automobile engines, and humidity in general air. It is expected to be used in various fields such as humidity in soil and humidity control of air conditioners.
1 基板
10、10a、10b 薄膜
11 SOI層
12 カンチレバ
15 下地基板
20、20a、20b 温度センサ
21 絶対温度センサ
22、22a、22b 絶対温度センサ
25、25a、25b ヒータ
26 測定点(温接点)
27 基準点(冷接点)
40 空洞
50 絶縁膜
60 オーム性コンタクト
70、70a、70b 電極パッド
71a、71b、71c 電極パッド
72a、72b 電極パッド
75 SOI層用共通電極パッド
80a、80b 電極
110 配線
115 電流端子
116 電圧端子
120a, 120b 熱電導体
DESCRIPTION OF
27 Reference point (cold junction)
40
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018189496A (en) * | 2017-05-08 | 2018-11-29 | 三菱電機株式会社 | Method and device for abnormality determination |
JP2019086490A (en) * | 2017-11-10 | 2019-06-06 | 株式会社デンソー | Humidity sensing device and fuel cell system |
CN112119290A (en) * | 2018-03-16 | 2020-12-22 | Ams传感器英国有限公司 | Thermopile self-test and/or self-calibration |
CN116989855A (en) * | 2023-09-27 | 2023-11-03 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Gas state multi-parameter detection sensor and self-calibration method thereof |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08184576A (en) * | 1994-12-29 | 1996-07-16 | Mitsuteru Kimura | Humidity sensor |
JP2004286492A (en) * | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Japan Science & Technology Agency | Gas sensing system and temperature sensor used therefor |
JP2009079965A (en) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Mitsuteru Kimura | Thermocouple heater and temperature measuring device using it |
JP2014185855A (en) * | 2013-03-21 | 2014-10-02 | Mitsuteru Kimura | Absolute humidity sensor and absolute humidity sensor chip used for the same |
-
2013
- 2013-10-28 JP JP2013222864A patent/JP6222443B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08184576A (en) * | 1994-12-29 | 1996-07-16 | Mitsuteru Kimura | Humidity sensor |
JP2004286492A (en) * | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Japan Science & Technology Agency | Gas sensing system and temperature sensor used therefor |
JP2009079965A (en) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Mitsuteru Kimura | Thermocouple heater and temperature measuring device using it |
JP2014185855A (en) * | 2013-03-21 | 2014-10-02 | Mitsuteru Kimura | Absolute humidity sensor and absolute humidity sensor chip used for the same |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018189496A (en) * | 2017-05-08 | 2018-11-29 | 三菱電機株式会社 | Method and device for abnormality determination |
JP2019086490A (en) * | 2017-11-10 | 2019-06-06 | 株式会社デンソー | Humidity sensing device and fuel cell system |
JP7052303B2 (en) | 2017-11-10 | 2022-04-12 | 株式会社デンソー | Humidity detector, fuel cell system |
CN112119290A (en) * | 2018-03-16 | 2020-12-22 | Ams传感器英国有限公司 | Thermopile self-test and/or self-calibration |
CN116989855A (en) * | 2023-09-27 | 2023-11-03 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Gas state multi-parameter detection sensor and self-calibration method thereof |
CN116989855B (en) * | 2023-09-27 | 2023-12-08 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Gas state multi-parameter detection sensor and self-calibration method thereof |
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