JP2014209083A - Absolute humidity sensor and absolute humidity sensor chip used for the same - Google Patents

Absolute humidity sensor and absolute humidity sensor chip used for the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an absolute humidity sensor as a heat conduction type sensor, allowing influence of ambient temperature to be corrected and dew point information and the like to be obtained, having high sensitivity, high accuracy, and high-speed response, and down-sized.SOLUTION: A heater and a thin film thermocouple as a temperature sensor are mounted on a thin film thermally separated from a base plate, the temperature of the thin film is made to reach different predetermined preset temperatures Tl, Th, comparison of power consumption of heating by the heater and comparison in time integration values of temperature sensor output in a cooling process after the stop of the heating by the heater are performed. The comparison of the power consumption for Tl, Th and the time integration output after the stop of the heating are performed by using a single thin film or two thin films having the same shape. There is provided an absolute humidity sensor which utilizes the deducted power consumption and the deducted integration value, corrects the ambient temperature including information of the absolute temperature of the base plate, and utilizes prepared calibration data. Moreover, information of dew point and the like is acquired from the response by minute power heating of the thin film. Also, a sensor chip suitable therefor is provided.

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 thin film 10 reaches 100 ° C. and the cooling method when the maximum temperature of the thin film 10 reaches 150 ° C. are different. What is the temperature is greatly related to the measurement of physical quantities such as absolute humidity. Thus, canceling the effect of ambient temperature (room temperature) is important for measuring absolute humidity, which is a highly accurate physical quantity.

特開平8−184576号公報JP-A-8-184576 特開2004−286492号公報JP 2004-286492 A 特開2011−38951号公報JP 2011-38951 A 特開2009−79965号公報JP 2009-79965 A

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 claim 1 of the present invention includes an absolute humidity sensor chip having a heater 25 and a temperature sensor 20 on a thin film 10 thermally separated from a substrate 1. In the absolute humidity sensor in which the temperature sensor 20 measures the temperature change of the thin film 10 due to the heating of the heater 25 due to the change of the thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured, the temperature sensor 20 It is a difference sensor, a voltage is applied to the heater 25, the first heater is heated to heat the thin film 10 from room temperature to a predetermined absolute temperature Tl, and then the first heater is continuously heated. Or the second heater is heated by the heater 25 in a short time such that the temperature variation of the gas to be measured is negligible, and the thin film 10 is moved from room temperature to the predetermined position. It is heated until it reaches a predetermined absolute temperature Th different from the absolute temperature Tl, and is corrected so as to remove the influence of the ambient temperature using information on the power consumption in the heater 25 necessary for each heater heating, The absolute humidity is obtained using calibration data prepared in advance, the output of the absolute temperature sensor 21 provided on the substrate 1 and the output of the temperature sensor 20 are combined, or the thin film 10 is also subjected to the absolute temperature. In the case where the sensor 22 is provided, an absolute temperature measuring means that knows the absolute temperature of the thin film 10 from the output is provided, and the thin film 10 is heated to the absolute temperatures Tl and Th by using the absolute temperature measuring means. It can be set so that it can be set.

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 temperature sensor 20 includes a thermocouple and a thermopile. Since the temperature sensor 20 is formed on the thin film 10, it is easier to form the temperature sensor 20 using the MEMS technique or the like because the heat capacity is smaller and the response is faster. When the measurement point (hot contact) of the temperature difference sensor is formed on the thin film 10 together with the thin film heater 25 using the temperature of the substrate 1 as a reference point (for example, a cold junction), the temperature rise due to the heater heating changes the room temperature. However, if other conditions are equal, the temperature rises in proportion to the supplied power, and when the heater heating is stopped and cooled, the temperature returns to room temperature again. As described above, in general, in the heat conduction type sensor which is the basic principle of the absolute humidity sensor of the present application, the heat radiation from the heating unit to the room temperature which is the temperature of the surrounding gas (measured gas) is used as described above. A thin-film temperature difference sensor is suitable as the temperature sensor 20 having a large surface area and a small heat capacity.

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 thin film 10 is heated by the heater 25 from room temperature, which is the ambient temperature of the gas to be measured, to a predetermined low set temperature Tl. The output of the temperature sensor 20 at the time when the temperature is raised, and the output of the temperature sensor 20 when the temperature of the thin film 10 is raised by the heater 25 from the subsequent room temperature to a predetermined high set temperature Th, for example, 500 ° C. The difference output will subtract the effect of room temperature. This is the output information based on the difference from the low set temperature Tl to the high temperature Th, and the low set temperature Tl is an output almost irrelevant to the amount of water vapor, so the output information based on this difference It is known that the amount of water vapor is strongly related to the amount of water vapor, so the absolute humidity, which is the amount of water vapor in the gas under measurement, should be determined with high accuracy using calibration data prepared in advance. (See Patent Document 1).

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 temperature sensor 20, the output is a function of only the temperature rise from the substrate temperature of the thin film 10. Therefore, for example, the absolute temperature sensor 21 measures the temperature of the thin film 10 and further measures the temperature difference of the thin film 10 from the substrate 1 with the temperature sensor 20, which is a temperature difference sensor. The temperature when the thin film 10 is heated by the heater 25 by the measuring means can be measured while heating the heater. In this way, it is possible to provide a control circuit that measures while heating a high temperature Th or a low temperature Tl, which is a predetermined set temperature, and stops heating the heater when the predetermined temperature is reached. Of course, when the heater heating is stopped, the thin film 10 is cooled to the original room temperature by Newton's law of cooling. When the amount of water vapor, which is the absolute humidity in the humid gas, is large, the heat conductivity of the humid gas increases when the predetermined high temperature Th exceeds 150 ° C. Therefore, the heating power of the same heater 25 increases the temperature. Therefore, it is expected that a small electric power does not reach a predetermined high temperature Th, for example, 500 ° C. In order to raise this to a predetermined high temperature Th, it is driven by a large heater power that can be raised to a high temperature Th, and the amount of power that is the product of the time and power consumption required to reach the high temperature Th at that time Must be increased. As described above, the absolute humidity can be measured by comparing the power consumption required for raising the temperature from the predetermined low temperature Tl to the predetermined high temperature Th. Assuming that the respective power consumptions Ph and Pl when the thin film 10 is heated to the set temperatures Th and Tl, the resistance value does not substantially change when the heater 25 is formed of a nichrome thin film having a very low resistance temperature coefficient. Therefore, it can be approximated as being proportional to the square of each heater voltage Vh and Vl. Accordingly, by measuring the heater voltages Vh and Vl, the respective power consumption can be obtained. Since the power consumption is a value obtained by dividing the square of the voltage applied to the heater by the heater resistance, the power consumption is raised from room temperature to a predetermined low temperature Tl (for example, 150 ° C.) and a predetermined high temperature Th (for example, 500 ° C.). When the heater voltages required for each of these are equal, Vh and Vl (Va = Vh = Vl), the power consumption will be equal, so the comparison of power consumption will eventually reach Tl and Th. It may be considered that each time required for this is a comparison between tl and th. Therefore, by obtaining the value of Δt = th−tl, correction can be made so as to eliminate the influence of the ambient temperature (room temperature).

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 thin film 10 having a simple structure thermally separated from the substrate 1 as shown in FIG. 1 in Example 1 described below is used, and the present invention shown in FIG. The operation of the absolute humidity sensor will be described with reference to a time chart of one embodiment. FIG. 3 shows that the heater 25 formed on the thin film 10 is heated at an applied voltage Va, and the thin film 10 is heated to room temperature Tr, for example, 20 ° C. to a predetermined low absolute temperature Tl, for example, 150 ° C. When the first heater is heated until the absolute temperature Tl is reached, the heater is stopped and cooled to return to room temperature Tr. Then, the room temperature continues to change. In the meantime, the heater 25 is heated at the same applied voltage Va, and the second heater is heated from the same room temperature Tr to the predetermined high absolute temperature Th, for example, 500 ° C. in the same wet air. Then, when the absolute temperature Th is reached, the state of temperature rise and temperature drop of the thin film 10 is shown when heating / cooling is repeated such that heating by the heater is stopped and cooled to return to room temperature. The broken line shown in FIG. 3 is an expected temperature rise curve of the thin film 10 when the heating of the heater 25 is continued for a long time. When the heater 25 is heated with the same applied voltage Va, the time required to reach the absolute temperature Tl is tl, and the time required to reach the absolute temperature Th is th. , Assuming that the resistance of the heater 25 is R, Jl = Va 2 · tl / R = P · tl and Jh = Va 2 · th / R = P · th. Here, when the heater 25 is made of a nichrome thin film, its resistance temperature coefficient is extremely small, and therefore the value of the resistance R of the heater 25 has no temperature dependency. Here, P is a common power of Va 2 / R.

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 thin film 10 is in humid air and heated with electric power P, the equation of heat can be considered that C is a constant value when C is the heat capacity of the thin film and G is the thermal conductance. Is a function of absolute humidity (water vapor amount) H, and even with the same absolute humidity H, the thermal conductivity of wet air changes with increasing temperature, so it must be viewed as a function of time and temperature. The thermal equation is expressed as:

Figure 2014209083
ここで、ΔTは、室温Trからの温度上昇分である。
Figure 2014209083
Here, ΔT is a temperature rise from room temperature Tr.

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 thin film 10 reaches the predetermined temperature Th and the electric energy Jl time-integrated with the required time tl until the thin film 10 reaches the predetermined temperature Tl. The subtraction electric energy ΔJ is expressed as follows. As shown in FIG. 3, the heater 10 is heated with the same electric power P, and the thin film 10 reaches the predetermined temperature Th in a short time when the absolute humidity H of the humid air does not fluctuate with time. Since they overlap on the same temperature rise curve up to the predetermined temperature Tl, the subtraction power amount ΔJ expressed by the following simple expression is obtained.

Figure 2014209083
Figure 2014209083

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.

Figure 2014209083
Figure 2014209083

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 heater 25 are set from here and are known amounts. The times th and tl are observable quantities, and the heat capacity C and the constant α of the thin film 10 are inherently constants and are found based on calibration data prepared in advance under these conditions. G av (H), which is a function of absolute humidity H, is the difference between the respective times th and tl (Th−Tl) until reaching a predetermined (set) temperature Th and Tl that can be measured. It turns out that it becomes only a monotonous function. From this, it was found that G av (H) is uniquely determined by measuring (th−tl) with respect to the absolute humidity H under a predetermined heater heating setting power P 2.

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 heater 25 and the temperature sensor 20 are provided on the single thin film 10 having a cantilever shape or a crosslinked structure, a predetermined absolute temperature that is higher than room temperature (for example, 20 ° C.). When the temperature of the thin film 10 is raised to a temperature (set temperature) Th and a predetermined absolute temperature (set temperature) Tl, the heater heating needs to be shifted in time, and the heater must be continuously heated with two applied heater heating voltages. There is. Moreover, even when the room temperature, which is the temperature of the measured wet gas, slowly changes, for example, from 20 ° C. to 25 ° C., in order to correct so as to cancel the effect of the room temperature, these temperature fluctuations of the room temperature are ignored. The two heaters must be heated as fast as possible. For that purpose, first, the thin film 10 needs to be a thin film having a very small heat capacity and high-speed response. For this purpose, the thin film 10 needs to be a small thin film thermally separated from the substrate 1. As can be seen from Equation 3, the predetermined lower temperature (set temperature) Tl is not necessarily a temperature region where the thermal conductivity of gas and the thermal conductivity of water vapor are equal (when the gas is air, It can be seen that this temperature range does not need to be set to 120 to 150 ° C. as described above. However, if Tl is set in this temperature region, this temperature region is a temperature region insensitive to absolute humidity, and therefore there is an advantage that the measurement error of absolute humidity is reduced even if the set temperature slightly deviates.

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 thin film 10, when an absolute temperature sensor 21 formed on the substrate 1 and a thin film thermocouple as a temperature difference sensor as the temperature sensor 20 are used, The temperature of the substrate 1 is measured from the output of the absolute temperature sensor 21, and further, the temperature rise from the reference point of the substrate 1 (temperature difference) using a thin film thermocouple having a measurement point (hot junction) on the thin film 10. , And the absolute temperature of the thin film 10 is obtained by calculating the sum of these values. As the absolute temperature sensor 21, a temperature sensor having good linearity with respect to temperature is prepared, and the output and the thin film 10 have a measurement point (hot contact), corresponding to a temperature rise with the substrate 1 as a reference point. The output of the thin film thermocouple (as the temperature sensor 20) is adjusted by, for example, an amplifier circuit so as to have the same temperature coefficient, and these outputs are summed on the circuit, or summed on the software 2. a method for obtaining the absolute temperature of the thin film 10 by, for example, It is a temperature difference sensor necessary for knowing the absolute temperature of the substrate 1 from the output of the absolute temperature sensor 21 and using the absolute temperature of the substrate 1 to raise the temperature from the temperature to the predetermined set temperatures Th and Tl. There is a method of obtaining respective output voltages of the thin film thermocouple and determining that the predetermined set temperatures Th and Tl have been reached when these outputs are obtained. The absolute temperature measuring means for raising the temperature of the thin film 10 to the set temperatures Th and Tl that are predetermined absolute temperatures uses these methods, or when the absolute temperature sensor 22 is formed on the thin film 10. By using this, when it is determined that the predetermined set temperatures Th and Tl have been reached, the signal at that time can be taken out to the outside. The absolute temperature sensor 21 of the substrate 1 uses a pn junction between the emitter base of a pn junction diode or a transistor as an absolute temperature sensor having a good linearity with respect to temperature, and a forward voltage under a constant forward current. It can also be used as a thermo-diode that measures changes due to temperature, or a resistance temperature detector using a platinum resistor or the like. When the thin film 10 is provided with the absolute temperature sensor 22, the signal of the absolute temperature sensor 21 of the substrate 1 is not necessary, and the predetermined set temperatures Th and Tl are simply reached from the output signal of the absolute temperature sensor 22. You just have to judge. Then, when it is determined that the thin film 10 has reached the set temperatures Th and Tl by a signal from an absolute temperature measuring means equipped with a comparator or the like, for example, a control circuit that stops heater heating may be assembled. Then, the respective times th and tl from when the heater heating is started to when it is determined that the thin film 10 has reached the set temperatures Th and Tl may be measured by the method described above.

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 heater 25a and a temperature sensor 20a in one thin film 10a out of at least two thin films 10a and 10b having the same shape thermally separated from the substrate 1. The other thin film 10b is also provided with an absolute humidity sensor chip having a heater 25b and a temperature sensor 20b, and the heaters 25a, 25b are changed by a change in thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured. In the absolute humidity sensor in which the temperature changes of the thin films 10a and 10b due to heating of the thin film 10a and 10b are measured by the temperature sensors 20a and 20b, the temperature sensors 20a and 20b are temperature difference sensors, and a voltage is applied to the heater 25a. Then, the heater is heated so that the thin film 10a changes from room temperature to a predetermined temperature Tl, and at the same time, a voltage is applied to the heater 25b to apply the heater. The thin film 10b is heated from room temperature to a predetermined temperature Th different from the predetermined temperature Tl, and each of the heaters 25a and 25b necessary for heating to the temperature Th and the temperature Tl is used. Using the information regarding the power consumption amount, the correction was made so as to eliminate the influence of the ambient temperature, the absolute humidity was obtained using the calibration data prepared in advance, the absolute temperature sensor 21 provided on the substrate 1 When the absolute temperature sensor 22 is also provided in the thin film 10a, 10b from the output obtained by combining the output and the output of each of the temperature sensors 20a, 20b, the absolute temperature of each of the thin films 10a, 10b is determined from the output. An absolute temperature measuring means is provided which can be set so that the thin film 10a and the thin film 10b are heated to the absolute temperatures Tl and Th, respectively, using the absolute temperature measuring means. It is characterized by that.

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 thin films 10a and 10b having the same shape thermally separated from the substrate 1 is used. In Claim 1, since it is the single thin film 10, it heats to predetermined temperature Tl and predetermined temperature Th different from it, and in order to obtain | require the difference (subtraction electric energy) regarding those heater heating electric energy Therefore, it is necessary to shift the heater heating in time, and it is necessary to perform a subtraction operation by using a peak hold circuit or a memory. Here, since the two thin films 10a and 10b are provided, they are simultaneously heated by the same heater power, the time tl for the thin film 10a to reach the predetermined temperature Tl, and the thin film 10b at the predetermined temperature Th. The arrival time th can be measured simultaneously. Accordingly, the absolute humidity can be measured at high speed, but it is necessary to consider the arrangement in consideration of the influence of the convection effect by mutual heating by the two thin films 10a and 10b. Since the time th is longer than the time tl, for example, as described above, the time tl is reached in order to obtain the difference between the time when the thin film 10a reaches the time tl and the time when the thin film 10b reaches the time th. The time difference can also be measured from the magnitude of the voltage across the capacitor C and the count of the number of clock pulses flowing from the above-mentioned constant current starting from the time.

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 claim 1, and therefore the description thereof is omitted here.

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 heater 25 and a temperature sensor 20 on the thin film 10 thermally separated from the substrate 1, and is based on the amount of water vapor in the gas to be measured. In the absolute humidity sensor in which the temperature sensor 20 measures the temperature change of the thin film 10 due to the heating of the heater 25 due to the change in thermal conductivity, the temperature sensor 20 is a temperature difference sensor, and the heater 25 A voltage is applied to the heater, the heater is heated, and the thin film 10 is heated from room temperature to the predetermined absolute temperature Th. In the cooling process after the heating is stopped, the output voltage of the temperature sensor 20 is set for a predetermined period. Using time integration, information on the output of the time integration value and the output voltage of the temperature sensor 20 at a predetermined absolute temperature Tl different from the absolute temperature Th are used to determine the ambient temperature. The correction is made so as to eliminate the resonance and the absolute humidity is obtained using the calibration data prepared in advance, from the combined output of the output of the absolute temperature sensor 21 and the output of the temperature sensor 20 provided on the substrate 1, or When the absolute temperature sensor 22 is also provided in the thin film 10, an absolute temperature measuring means that knows the absolute temperature of the thin film 10 from the output is provided. Using the absolute temperature measuring means, the thin film 10 has the absolute temperature. It can be set to be heated by Th.

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 heater 25 necessary for heating to the temperature Th and the temperature Tl is used. The absolute humidity was corrected using the calibration data prepared in advance to eliminate the influence of the ambient temperature. Each of the 20 output voltages is integrated over time for a predetermined period, and the output information of each time integrated value is used for correction so as to eliminate the influence of the ambient temperature, and the calibration data prepared in advance is used. The absolute humidity was calculated. As a method for time integration of the output voltage for a predetermined period, a signal current generated by the output voltage is passed through the capacitor in combination with the OP amplifier to store charges, and the voltage at both ends thereof is used as the time integration value. It is possible to make additions on software using a memory. Of course, at the end of time integration, resetting can be achieved by a known technique so that the output becomes zero.

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 claim 1, the information on the power consumption in the heater 25 is used to determine the absolute humidity, whereas here the output voltage of the temperature difference sensor (thermocouple) as the temperature sensor 20 is used. The time integration value is used, and the time integration of power consumption and thermocouple output is also common. In the cooling process after stopping heating here, each output voltage of the thin film thermocouple is integrated over time for a predetermined period, and the output information of each integrated time is used, so there is no noise during heater heating , Signal-to-noise and S / N can be expected to increase. Therefore, a highly accurate absolute humidity sensor can be provided. Further, when the thin film 10 reaches a predetermined temperature Tl or a predetermined temperature Th using an absolute temperature measuring means for measuring the absolute temperature of the thin film 10, the heating of the heater 25 is stopped and the cooling process immediately after them is stopped. Integrate the thermocouple output for a predetermined time at, and subtract those outputs to correct the effect of room temperature so that it corresponds to the absolute humidity based on the calibration data prepared in advance. It is.

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 heater 25, Vl and Vh, can be compared only by the time until the thin film 10 reaches the absolute temperature Tl and Th, only tl and th. Although there is a restriction that it is simple, in the invention according to claim 3, the heater heating of the thin film 10 may be performed once, and the thin film 10 only needs to reach the higher (set) temperature Th by the heater heating. There is also a difference. However, the second heater heating may be performed, but here, the case where the heater of the thin film 10 is heated only once will be described. Since the output voltage of the thin film thermocouple which is the temperature sensor 20 at the lower set temperature Tl of the thin film 10 has the absolute temperature sensor 21 on the substrate 1, the absolute temperature measuring means is used based on the information from there. Use it to know. Therefore, in the cooling process after the heater heating is stopped, the integration operation can be stopped when the temperature of the thin film 10 is cooled from the initial higher (set) absolute temperature Th and reaches the set temperature Tl. That is, the predetermined time integration time (integration time) is, for example, after the heater heating of the thin film 10 is stopped, the temperature of the thin film 10 is cooled from the higher (set) absolute temperature Th to the predetermined temperature Tl. It is the time to reach. The time integration operation of the thermocouple output is stopped when the output voltage Vsl of the temperature sensor 20 corresponding to the predetermined absolute temperature Tl of the thin film 10 is reached. The time integration operation of the thermocouple output is performed by constantly changing the value of the output voltage Vsl from the output voltage of the temperature sensor 20 in the process in which the temperature of the thin film 10 is cooled from the initial higher (set) absolute temperature Th. The subtracted output voltage may be integrated, or the output voltage Vsl is integrated for the same integration time from the integration value Sh after always integrating the output voltage of the temperature sensor 20 for the above integration period. The absolute humidity may be obtained by using the subtracted integral value ΔS (integrated value Sh−Sl) obtained by subtracting the value Sl.

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 thin film 10 is heated by the heater 25, the temperature can be measured with a higher S / N ratio by measuring the temperature of the thin film 10 during the cooling period. Since the temperature decreases rapidly as the heat capacity of the thin film 10 decreases, the temperature measurement at a specific time in the cooling period has a large error. However, this error can be reduced by integrating the output voltage of the temperature sensor 20 mounted on the thin film 10 for a predetermined period of the cooling period, and further, thermal fluctuation, noise of the measurement electronic circuit, etc. Positive and negative fluctuations (fluctuations) are canceled out by integration over a long period of time, and a difference in small temperature changes is greatly extracted by continuous time integration rather than measurement of the output value of the temperature sensor 20 at a specific time. That is, there is an amplification effect. In this way, if the time integration of the output of the temperature sensor 20 during the cooling period is performed, it is not always necessary to measure the temperature of the thin film 10 during heating of the heater with much noise.

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 thin film 10 to a high temperature, the heating is stopped, and when the cooling process is started, the high temperature is quickly cooled due to the high thermal conductivity, and as the temperature approaches room temperature, the thermal conductivity becomes small. It will be cooled more slowly than at high temperatures. Also, for example, when the heater is heated to a high temperature with a predetermined power, water vapor (absolute humidity) having a high thermal conductivity is included, and if the thermal conductivity is further increased, the temperature is higher than that in the case where water vapor is not included. Since the increase is small and cools quickly, the time integral value of the output of the temperature difference sensor is even smaller than when there is no water vapor. In this way, the magnitude of the thermal conductivity of the ambient gas from the time integral value of the output of the temperature difference sensor during the cooling process after stopping the heater heating, that is, using the calibration data acquired in advance, for example, Thus, the absolute humidity can be measured by corresponding to the absolute humidity.

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 heater 25 and a temperature sensor 20 on the thin film 10 thermally separated from the substrate 1, and heat based on the amount of water vapor in the gas to be measured. In the absolute humidity sensor in which the temperature change of the thin film 10 due to the heating of the heater 25 is measured by the temperature sensor 20 due to the change in conductivity, the temperature sensor 20 is a temperature difference sensor. A voltage is applied and the first heater is heated to heat the thin film 10 from room temperature to a predetermined absolute temperature Tl. Thereafter, the first heater is continuously heated, or the temperature of the gas to be measured The second heater is heated by the heater 25 in such a short time that the fluctuation of the temperature is negligible, and the thin film 10 is moved from room temperature to a predetermined absolute temperature different from the predetermined absolute temperature Tl. In the cooling process after stopping heating, until the temperature vs. temperature Th is reached, each output voltage of the temperature sensor 20 is integrated over time for a predetermined period, and the output information of each time integrated value is used. The correction is made so as to eliminate the influence of the ambient temperature, the absolute humidity is obtained using the calibration data prepared in advance, and the combined output of the output of the absolute temperature sensor 21 and the output of the temperature sensor 20 provided on the substrate 1 Or, if the thin film 10 is also provided with the absolute temperature sensor 22, the thin film 10 is provided with an absolute temperature measuring means that knows the absolute temperature of the thin film 10 from its output. Can be set to be heated to absolute temperatures Tl and Th.

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 thin film 10 is heated only once until the predetermined absolute temperature Th is reached. In the present invention, the heater heating of the thin film 10 is performed twice until the predetermined absolute temperature Tl is reached following the first heater heating until the predetermined absolute temperature Th is reached. Reach the predetermined absolute temperatures Th and Tl, maintain the absolute temperatures Th and Tl as necessary, and check the output voltage of the temperature sensor 20 which is a temperature difference sensor. Is set to Vsl. However, since there is a time difference between the first heater heating and the second heater heating, in the comparison of the time integral values of the output voltages of these temperature sensors 20, at least one time integral value is held, It is necessary to compare. The integration operation is the same as that described in claim 3, and a detailed description thereof is omitted. In this way, in the cooling process after the heating is stopped, the output voltage of the temperature sensor 20 is integrated over time for a predetermined period (integration time), and the information on the output of each time integrated value is used to calculate the ambient temperature. The correction is made so as to eliminate the influence, and the absolute humidity is obtained using calibration data prepared in advance.

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 thin film 10, when the thin film 10 reaches a predetermined temperature Tl and a predetermined temperature Th by each heater heating, the heating of the heater 25 is stopped and a predetermined temperature is measured. The output voltage Vsl of the temperature sensor 20 when the temperature Tl is reached is held by, for example, a peak hold circuit or the like, and this is held by the thin film thermocouple (temperature sensor 20) in the cooling process from the set temperature Th on the high temperature side. By subtracting from the value of the output voltage Vs, the voltage of this subtraction is integrated over time until the thin film 10 reaches Tl, and is corrected so as to cancel the influence of room temperature. You may make it respond | correspond with humidity.

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 temperature sensor 20 is immediately after the heating of the heater 25 is stopped.

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 heater 25 is often performed in synchronization with a clock pulse. Therefore, it is possible to integrate the output of the temperature sensor in the middle of the cooling cycle (cooling process), but using the clock pulse heater heating stop timing is achieved with an inexpensive circuit configuration, Since the time integration of the output of the temperature sensor 20 is started immediately after the heater heating is stopped, the error in calculating the absolute humidity is reduced even in the subtraction calculation of the output for canceling the effect of the room temperature. Further, since the output of the temperature sensor 20 is greater immediately after the heating is stopped, the integrated output signal is increased, and a highly sensitive and highly accurate absolute humidity sensor can be provided.

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 temperature sensor 20 in claims 3 to 5, the thin film 10 is in the cooling process after stopping the heater heating. This is a case where the temperature is cooled from the predetermined higher temperature Th and becomes equal to the predetermined lower temperature Tl.

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 temperature sensor 20, for example, even if the room temperature is 0 ° C., the environment is 30 ° C. However, the measured absolute humidity H is not related to the temperature at room temperature. For this purpose, during the time integration of the output voltage of the temperature sensor 20 at a portion where the temperature is higher than the predetermined lower (set) temperature Tl, an output voltage component obtained by subtracting the output voltage Vsl of the temperature sensor 20 at the temperature Tl. The time integration of Therefore, at the end of the predetermined period of time integration of the output (voltage) of the temperature sensor 20, the thin film 10 is initially heated to the predetermined higher absolute temperature Th, so that the cooling process after the heater heating is stopped. Then, when it is determined that the temperature has dropped from the higher absolute temperature Th in the humid gas and has become equal to the predetermined lower temperature Tl, the period (integration time) may be integrated over time. . Then, when the temperature of the thin film 10 is heated by the heater and reaches a predetermined lower (set) temperature Tl, the output voltage of the temperature sensor 20 mounted on them is measured by a peak hold circuit or the like. Hold this value during time integration, for example, while cooling from the higher absolute temperature Th to the predetermined lower (set) absolute temperature Tl, at that time the higher temperature side The difference may be integrated while subtracting from the output voltage of the temperature sensor 20.

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 thin film 10 or the thin films 10a, 10b is in a wet gas that does not reach the dew point, is in a wet gas that has reached the dew point, or is submerged in water. Alternatively, a minute electric power that can determine at least one of the items of whether solid matter including ice is attached is supplied to the heater 25 or the heaters 25a and 25b, and the thin film 10 or the thin film based thereon When the time change of the temperature rise of 10a, 10b is measured by the temperature sensor 20 or the temperature sensors 20a, 20b, and the item is determined using the output of the absolute temperature sensor 21 as necessary. It is.

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 thin film 10 having a minute size created by MEMS technology, for example, a cantilever shape having a length of 1 mm, a width of 0.2 mm, and a thickness of about 0.01 mm, a bridge structure, or a diaphragm shape. Has been. For example, the heater 25 and the temperature sensor 20 are formed on the cantilever-like thin film 10. If wet air, which is the gas to be measured, has reached the dew point, there is a possibility that water droplets are attached to the thin film 10. Further, when the ambient temperature (room temperature) is below freezing point, there is a possibility that ice particles are attached on the thin film 10. Further, the sensor chip temperature is submerged, and the thin film 10 is also It is also assumed that the environment is submerged together. Under such circumstances, for example, if a voltage is applied to the heater 25 or the like and the heater is heated so that the predetermined set temperature Th becomes 500 ° C., the cantilever-like thin film 10 may be destroyed. is there. What is required as an absolute humidity sensor is the amount of water vapor in the humid air. If the absolute temperature sensor 21 formed on the substrate 1 is 0 ° C. or less, there is a possibility that ice is attached. Further, as a result of measuring the ambient temperature (room temperature) with the absolute temperature sensor 21, there may be water droplets on the thin film 10 because the dew point has been reached even at a temperature of 0 ° C. or higher. In absolute humidity measurement under such an environment, if necessary, the ambient temperature (room temperature) is measured by the absolute temperature sensor 21, and first, the possibility that ice is attached is determined. Better.

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 heater 10 is not suddenly heated so that the two predetermined temperatures Tl and Th described above are reached from room temperature. First, the thin film 10 or the thin films 10a and 10b is not supplied with a small predetermined power (after all). A small voltage is applied to the heater 25 or the heaters 25a and 25b, and the temporal state of the temperature increase of the thin film 10 or the thin films 10a and 10b at that time is examined. When these thin films are in water, the dew point is reached. If there is an ice-containing substance on the surface, its heat capacity will increase, so if it rises slowly compared to the rate of temperature rise in humid air or is in water, By not raising the temperature, it is in a wet gas that does not reach the dew point, is in a wet gas that has reached the dew point, is submerged in water, or has a solid substance that contains ice attached. This absolute humidity sensor for the item can be given a judgment function. When the dew point has been reached or when ice particles have adhered to the surface, the thin film such as the thin film 10 has melted until the water drops when the dew point is reached, The temperature rises slowly, but suddenly rises when there are no water drops. In this state, the relative humidity is 100%, and the absolute humidity at that time is also measured from the saturated water vapor amount at that temperature (room temperature) by measuring the ambient temperature using the absolute temperature sensor 21 of the substrate 1. Desired. Of course, the absolute humidity sensor can be calibrated by creating a saturated water vapor state that reaches such a dew point.

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 thin film 10 and the like, a sensor device using the MEMS technology is inexpensive and easy to make. Of course, when a thin film thermocouple is formed by combining p-type and n-type semiconductors having positive and negative polarities of the Seebeck coefficient, the output will increase further, but from the viewpoint of the simplicity of the manufacturing process, at least one of the thermoconductors will be used. It is better to use a semiconductor.

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 thin film 10 or the thin films 10a and 10b are made of a silicon semiconductor.

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 silicon semiconductor substrate 1 for the sensor chip of the absolute humidity sensor, the absolute temperature sensor 21 such as a diode formed on the substrate 1, the thin film thermocouple formed on the thin film 10 and the like can be easily manufactured. An integrated circuit such as an arithmetic circuit, a control circuit, a display circuit, and a drive circuit can be mounted, and a small and inexpensive absolute humidity sensor can be provided.

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 absolute temperature sensor 21 and the absolute temperature sensor 22 are semiconductor diodes.

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 absolute temperature sensor 21 that is formed on the substrate 1 and measures the ambient temperature (room temperature), if the room temperature is 150 ° C. or lower, a forward voltage is applied to the semiconductor diode described above, and It is suitable for measuring room temperature, which is an absolute temperature, from the temperature dependence of current and forward voltage.

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 thin film 10 is an SOI layer, the pn junction diode as the absolute temperature sensor 22 is exposed to a high temperature of, for example, 400 ° C. or higher, and the absolute temperature needs to be measured. It is preferable to apply a small reverse voltage, measure the reverse current at that time, and convert it to an absolute temperature. However, when the thin film 10 of the SOI layer common to the substrate 1 is used, it is necessary to consider the points of common grounding with the heater heating, the absolute temperature sensor 21, the temperature sensor 20, and the like in view of the circuit configuration.

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 temperature sensor 20 is also used as the heater 25.

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 temperature sensor 20, and this temperature sensor 20 is also used as the heater 25.

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 thin film 10 or the like, and the other thermoelectric such as a metal thin film via an insulating film such as a silicon oxide film (SiO 2 film). The conductor can be easily formed, the ohmic contact only needs to be formed as a measurement point (hot contact), can withstand high temperature operation of 500 ° C. or more, and the manufacturing process is extremely simple. In addition, at the end of the cooling process, the temperature returns to room temperature, which is the temperature of the surrounding medium, and the output of the temperature sensor 20 also returns to zero, so that there is little error even with respect to time integration and some fluctuations in integration time. High-precision measurement is possible.

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 temperature sensor 20 is also used as the heater 25, the absolute temperature sensor 22 such as the semiconductor diode as described above is mounted on the thin film 10 or the like separately from the temperature difference sensor as the temperature sensor 20. In addition, it is possible to measure the absolute temperature of the thin film 10 etc. when the heater is heated. When measuring the predetermined temperature Tl and Th during the heater heating, the heater action and temperature difference detection are performed in a time-sharing manner. Since it is not necessary to alternate the operation of the action, the circuit becomes simple.

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 heater 25 and the like and supplying power to other circuits, and the amplifier circuit is a circuit that amplifies the output of the temperature sensor 20 and the like. Although it is expressed as the output of the temperature sensor 20 in the above description, generally, the raw output of the temperature sensor 20 is small, so it indicates the output after the first stage amplification. Of course, the raw output signal of the temperature sensor 20 is Sometimes it points. The arithmetic circuit uses the output from the temperature sensor 20 or the temperature sensors 20a and 20b, the subtraction or integration based on these, and the output signals thereof, and further calculates the absolute humidity by combining with the memory circuit. This circuit is mainly used. The control circuit is a circuit that performs temperature control of the heater 25, etc., setting of energization time, cooling period, integration time, pulse integration of the heater 25, etc., control of time integration operation and subtraction operation, feedback control, and the like. .

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 absolute temperature sensor 21 and the information on the absolute humidity from the absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 12. It is a case where it is possible to do.

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 absolute temperature sensor 21 provided on the substrate 1 and the absolute humidity is measured by the absolute humidity sensor of the present invention, the known data relating to the saturated water vapor amount at each temperature is used. Thus, the relative humidity can be calculated by calculation. Here, an absolute humidity sensor having a function of calculating relative humidity is provided in this way.

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 heater 25 or heaters 25a and 25b and a temperature difference sensor corresponding to each of the cantilever-like thin film 10 or thin films 10a and 10b thermally separated from the substrate 1. A temperature sensor 20 or temperature sensors 20a, 20b, and the temperature difference sensor is provided with a measuring point (hot contact) near the tip of the cantilever-shaped thin film 10 or thin film 10a, 10b, heater 25 or heater 25a. , 25b are arranged so as to surround the measurement point (hot junction) of the temperature difference sensor so that the cantilever-like thin film 10 or the vicinity of the tip of the thin film 10a, 10b is uniformly heated. Is.

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 thin film 10 or the like by the heater heating (the thin film 10 or the like includes the thin film 10 and the thin film 10a and the thin film 10b are expressed in this way) is, for example, 500 ° C. I want to make it very hot. For this purpose, the cantilever-like thin film 10 or the like is preferable because heat is less likely to escape to the substrate than the thin film 10 or the like having a cross-linked structure. Further, heat dissipation from the heated thin film 10 or the like should be promoted, and if the volume of the same thin film 10 or the like is the same, the thin film shape has the largest surface area, so the thin cantilever shape is preferable. It is desirable that the temperature of the temperature difference sensor (temperature contact point) for temperature detection be so set as to surround the temperature difference sensor so that the temperature of the tip is uniform because the temperature of the tip is the highest. Further, it is better to increase the area of contact with wet air by increasing the area of the tip where the measurement point (hot contact) of the temperature difference sensor such as the cantilever thin film 10 is formed. For this purpose, it is necessary to arrange the heater wiring so as to surround the measurement point (hot junction) and to uniformly generate heat in the large area cantilever thin film 10 and the like. Further, as the heater material, a material having a high resistivity, a high melting point, and not rusting is desirable. Therefore, nichrome (NiCr) is preferable. Nichrome has a very low temperature coefficient of resistance, but is not a problem because it is used as a heater material.

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 thin film 10 or the thin films 10a, 10b thermally separated from the substrate 1, and the temperature sensor 20 which is a temperature difference sensor with the heater 25 or the heaters 25a, 25b. Alternatively, the temperature sensor 20a, 20b is provided, and the absolute temperature sensor 22 or the absolute temperature sensor 22a, 22b is also provided corresponding to each of the temperature sensors 20a, 20b.

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 temperature sensor 20 or the like, the absolute temperature of the thin film 10 or the like is known in some form for heating to a predetermined (designated) absolute temperature Tl or absolute temperature Th. There is a need. In order to know the temperature of the thin film 10 during the heating of the heater, the temperature rises from the substrate 1 by operating as a temperature difference sensor during an instantaneous period when the heating of the heater is stopped, for example, by intermittently heating the heater. The minute temperature is checked, combined with the absolute temperature sensor formed on the substrate 1, the temperature of the thin film 10 at that time is measured, and this is repeated, and the temperature rising state of the thin film 10 is grasped. Although there is a method of measuring the temperature at the time and stopping the heater heating when the temperature reaches a predetermined specified temperature, the heat capacity of the thin film 10 is small, so that the temperature difference between heating and cooling is large, and such measurement is performed. Is also difficult in terms of circuit. Therefore, here, an absolute temperature sensor is formed on the thin film 10 or the like so that the temperature of the thin film 10 or the like can be directly measured in real time. It is suitable for heating and heating the thin film 10 and the like to a specified absolute temperature Tl or Th.

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 absolute temperature sensor 22 or the like formed on the thin film 10 or the like is formed near the measurement point (hot contact) so that the temperature near the measurement point (hot contact) of the temperature difference sensor such as the temperature sensor 20 can be measured. Better to do. If the thin film 10 or the like is in the shape of a cantilever, the tip portion thereof is the end portion of the thin film 10, and therefore, if the absolute temperature sensor 22 or the like is formed there, the influence of the heater current during heater heating can be reduced. In addition, by forming the absolute temperature sensor 22 and the like near the measurement point (hot junction) of the temperature difference sensor (thin film thermocouple), the absolute temperature near the measurement point (hot junction) can be measured. When the thin film thermocouple is also used as the heater 25 or the like, the measurement point (hot junction) is the region where the temperature is highest when provided near the tip of the cantilever, and further, the measurement point of the thin film thermocouple such as the temperature sensor 20 Since the (hot junction) is a location where the temperature is measured with respect to the reference point (cold junction) (formed on the substrate 1), the absolute temperature sensor 22 and the like are also formed in the vicinity so that the temperature is the highest. The absolute temperature near the measurement point (hot junction) in the high area is measured. As an absolute temperature sensor that is a heat conduction sensor, the higher the temperature, the greater the sensitivity. Therefore, it is important to measure the temperature in the highest temperature region of the thin film 10 or the like.

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 heater 25 or the heaters 25a and 25b are also used as the temperature sensor 20 or the temperature sensors 20a and 20b which are temperature difference sensors.

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 temperature sensor 20 or the like while heating the heater 25 or the like. However, in high temperature operation, there is a problem of aging of the platinum resistor made into a thin wire. Furthermore, since it is an absolute temperature sensor, the output from the absolute temperature sensor does not generally become zero even if it returns to room temperature in the cooling process, or the accuracy including the reproducibility of the time integral value does not improve because it does not approach zero. There are difficulties. A semiconductor junction absolute temperature sensor such as a pn junction diode can be easily formed on the semiconductor thin film 10 or the like, or a minute pn junction can be easily used as the heater 25 and the temperature sensor 20. It is difficult to perform these operations, and it is necessary to alternate these operations in time division. Further, even 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 alternately perform these operations in a time division manner. However, by mounting the absolute temperature sensor 22 or the like on the thin film 10 or the like separately from the temperature difference sensor 20 or the like mounted on the thin film 10 or the like, the absolute temperature Tl or Th of the thin film 10 or the like can be measured. Therefore, operating the temperature sensor 20 or the like as a heater and operating the temperature sensor 20 or the like as a temperature difference sensor in the cooling process that gradually approaches the room temperature after the heater heating is stopped is very important from the viewpoint of temperature compensation. Has an advantage.

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 heater 25 or the like is also used as the temperature sensor 20 or the like that is a temperature difference sensor, it is necessary to flow a large current when acting as a heater. In the operation as a temperature difference sensor such as a thermocouple, generally, since the release voltage is measured without passing current, the wiring as the thermoconductor of the temperature difference sensor may have a large resistance or a thin wiring. . However, since a large amount of current flows to serve as a heater, a large resistance requires a large applied voltage, so the resistance is small and the wiring is wide and thick enough to withstand a large current. There is a need to.

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 absolute temperature sensor 22 or the absolute temperature sensors 22a and 22b are semiconductor diodes, and at least a part of the supply voltage to the heater 25 or the heaters 25a and 25b is the semiconductor diode. In this case, wiring is performed so that it can be used as a drive power source.

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 absolute temperature sensor 21 formed on the substrate 1. Here, particularly in the case of the absolute temperature sensor 22 or the like formed on the thin film 10 or the like, a temperature of 150 ° C. or higher is measured. In this case, a predetermined fixed reverse voltage of about 0.5 V to 1 V is applied, and the temperature is measured from the magnitude of the reverse current at that time.

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 thin film 10 or the like is formed in a cantilever shape, the voltage is supplied to the heater 25 or the like through a metal thin film wiring that extends to the vicinity of the tip. In particular, in the operation as a temperature difference sensor / heater, the metal thin film wiring is used as a thermoelectric thin film that can withstand high temperatures and hardly rust, and often has a resistance value of several Ω or more. Moreover, it can also design and manufacture so that it may become the predetermined resistance value. In order to obtain a temperature increase of about 200 ° C., for example, the supply voltage to the heater 25 is about 5V, and the voltage drop in the metal thin film wiring is about 0.5V. This voltage may be used as it is as a reverse voltage of a semiconductor diode used as the absolute temperature sensor 22 or the like. When this voltage is large, a terminal is taken out from the middle of the metal thin film wiring to reverse the semiconductor diode. If wiring is performed so that it can be used as a directional voltage, the semiconductor diode can be operated as the absolute temperature sensor 22 or the like by using this voltage when the heater is heated. Further, when the driving power supply voltage necessary for operating the semiconductor diode as the absolute temperature sensor 22 or the like for applying a reverse voltage is not reached, for example, a necessary voltage is newly introduced from the outside to The wiring may be formed so that the drive power supply voltage can be obtained.

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 heater 25 of several Ω cannot be ignored. In the present invention, a semiconductor diode as the absolute temperature sensor 22 or the like is often formed on a single crystal silicon thin film made of an SOI layer. In this case, the thin film thermocouple as the temperature sensor 20 or the like is used in combination with the heater 25 or the like, and is formed in the same SOI layer as the semiconductor diode as the absolute temperature sensor 22 or the like. When driven, a large heater current flows through the common SOI layer, and the semiconductor diode is in the reverse direction due to problems such as voltage drop, common ground on the circuit configuration, and relatively low heater resistance. Even when the voltage is high, the reverse current becomes very large at a high temperature of 400 ° C. to 500 ° C., and the internal resistance becomes equivalently small. become. Therefore, here, it is necessary to measure the voltage applied only to the semiconductor diode independently of the voltage drop due to the heater current. For this reason, only the current terminal for measuring the current flowing through the semiconductor diode and only the semiconductor diode are measured. It is more accurate to form a voltage terminal for measuring a voltage applied to the semiconductor device so that an accurate voltage applied to the semiconductor diode can be measured as a four-terminal method. Of course, in the four-terminal method, when the voltage drop due to the resistance of the wiring on one current terminal side can be ignored, the terminal side can be used as three terminals with the voltage terminal and current terminal in common.

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 heater 25 formed on a single thin film 10 thermally separated from the substrate 1 and a thin film thermocouple as the temperature sensor 20 is used, and if necessary, an absolute temperature sensor. 22 is formed on the thin film 10, and the first heater is heated from room temperature from about 100 ° C. to about 200 ° C. as a predetermined absolute temperature Tl that is higher than room temperature and has almost no humidity dependence. Heating is continued until a predetermined absolute temperature Th of a high temperature, for example, 500 ° C., or the second heater is heated from the room temperature at different times, and the ambient temperature (room temperature) is determined by the amount of subtraction power required for these heatings. There is an advantage that the absolute humidity excluding the influence of) can be obtained.

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 thin film 10 thermally separated from the substrate 1 may be continuously heated from a predetermined absolute temperature Tl to a higher temperature Th. However, at least two thin films 10a having the same shape may be used. Since the heater 25a and the thin film 10b, and the temperature difference sensor as the temperature sensor 20a and the like can be heated simultaneously, the electric energy can be subtracted in real time and the influence of the ambient temperature (room temperature) can be obtained. There is an advantage that the time required for obtaining the absolute humidity excluding the time is shortened.

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 heater 25 formed on a single thin film 10 thermally separated from the substrate 1 and a thin film thermocouple as the temperature sensor 20 is used, and if necessary, an absolute temperature sensor. 22 is formed on the thin film 10, and the first heater is heated from room temperature from about 100 ° C. to about 200 ° C. as a predetermined absolute temperature Tl that is higher than room temperature and has almost no humidity dependence. The first heating is continued until a predetermined absolute temperature Th of a high temperature, for example, 500 ° C., or the second heater is heated from room temperature at a different time, and the temperature is reduced in the cooling process after the heating is stopped. Each output voltage of the sensor 20 is integrated over a predetermined period of time, and the absolute humidity excluding the influence of the ambient temperature (room temperature) can be obtained by using the subtracted integrated value information of each time integrated value. There is an advantage that.

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 thin film 10 thermally separated from the substrate 1 may be continuously heated from a predetermined absolute temperature Tl to a higher temperature Th. However, at least two thin films 10a having the same shape may be used. And the thin film 10b, and the heater 25a and the temperature difference sensor as the temperature sensor 20a and the like can be heated simultaneously, so that the output voltage of each of the temperature sensors 20a and 20b is set to a predetermined value in the cooling process after the heating is stopped. In this period, time integration is performed to obtain each subtracted integral value information in real time, and there is an advantage that time is reduced to obtain the absolute humidity excluding the influence of the ambient temperature (room temperature).

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 temperature sensor 20 is integrated over time for a predetermined period in the cooling process after the heater heating is stopped, and the absolute humidity in the ambient gas is utilized using the output of the time integration value. Therefore, the output of the temperature sensor 20 after the heater is stopped is taken out rather than measuring the temperature in a heating cycle with a lot of noise, and the time integration of the output is performed in the cooling process. Since the time integration value is taken out as an output, noise that fluctuates positively and negatively is removed by time averaging, and even a small temperature sensor output is taken out as a large change because of the product of time and temperature sensor output by time integration. be able to. Therefore, there is an advantage that a high S / N sensor output can be obtained, and an absolute temperature sensor with high accuracy and high sensitivity can be provided.

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 temperature sensor 20 or the like can be determined in synchronization with the clock pulse during the cooling cycle, a simple circuit can be used and an inexpensive absolute temperature sensor can be provided. is there.

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 temperature sensor 20 can be a temperature difference sensor, and the temperature sensor 20 can also be used as the heater 25, so that an extremely simple structure and circuit configuration can be achieved, and an extremely compact absolute temperature sensor. There is an advantage that a sensor chip and an inexpensive and handy absolute temperature sensor using the sensor chip can be provided.

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 temperature sensor 20 is provided in the vicinity of the tip of the cantilever-like thin film 10 and the heater 25 and the like are measured by the temperature difference sensor. Since it is arranged so as to surround the point (warm contact) and the vicinity of the tip of the cantilever-like thin film 10 etc. is uniformly heated, in order to increase the contact area with wet air, the vicinity of this tip Even if designed to have a large area, there is an advantage that heat can be generated uniformly.

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 temperature sensor 20, and a semiconductor for measuring the absolute temperature of the thin film 10 when the heater 25 is heated. Since the diode driving power source can utilize a part of the voltage drop at the heater 25 when the heater 25 is heated, there is an advantage that the absolute temperature of the thin film 10 can be easily measured.

本発明の絶対湿度センサに用いる絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。(実施例1、実施例4、実施例7)The plane schematic of one Example of the absolute humidity sensor chip | tip used for the absolute humidity sensor of this invention is shown. (Example 1, Example 4, Example 7) 図1のX―X線に沿った断面概略図である。(実施例1、実施例4、実施例7)FIG. 2 is a schematic sectional view taken along line XX in FIG. 1. (Example 1, Example 4, Example 7) 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。(実施例1、実施例2)It is a time chart of one Example which shows operation | movement of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 1, Example 2) 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。(実施例2、実施例5、実施例9)1 is a schematic plan view of an embodiment of an absolute humidity sensor chip of the present invention. FIG. (Example 2, Example 5, Example 9) 本発明の絶対湿度センサに用いる他の絶対湿度センサチップの一実施例を示す平面概略図(実施例3、実施例6)Schematic plan view showing one embodiment of another absolute humidity sensor chip used in the absolute humidity sensor of the present invention (Example 3, Example 6) 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ある。(実施例1、実施例3)It is a time chart of other one Example which shows operation | movement of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 1, Example 3) 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、同図(A)は、ヒータ加熱に用いるクロックパルス信号波形の例であり、同図(B)は、温度センサ20の出力信号波形の例である。(実施例4)FIG. 6A is a time chart of heater heating temperature for helping understanding of the operation of the absolute humidity sensor of the present invention. FIG. It is an example of the output signal waveform of the sensor 20. Example 4 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る。(実施例4、実施例5、実施例6)It is a time chart which shows operation | movement of other Example of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 4, Example 5, Example 6) 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、同図(A)には、第1の時間積分値Shを示し、同図(B)には、第2の時間積分値Slを示す。(実施例4、実施例5、実施例6、実施例8)FIG. 3A is a time chart showing the operation of another embodiment of the absolute humidity sensor of the present invention, FIG. 1A shows a first time integral value Sh, and FIG. 2B shows a second time. Indicates the integral value Sl. (Example 4, Example 5, Example 6, Example 8) 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る。(実施例4、実施例5、実施例6)It is a time chart which shows operation | movement of other Example of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 4, Example 5, Example 6) 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る。(実施例6)It is a time chart which shows operation | movement of other Example of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 6) 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熱電対の出力の概略図を示している。(実施例7)The schematic of the output of a thin film thermocouple is shown in one Example at the time of giving the determination function to operation | movement of the absolute humidity sensor of this invention. (Example 7) 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る。(実施例8)It is the plane schematic of another Example of the absolute humidity sensor chip | tip of this invention. (Example 8) 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す。(実施例8)The time chart of other one Example regarding the temperature rise of the thin film by the heater heating of the absolute temperature sensor of this invention is shown. (Example 8) 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す。(実施例9)The block schematic diagram of one Example of the structure for operating the absolute humidity sensor of this invention is shown. Example 9

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 thin film 10 thermally separated from a substrate 1 used in the absolute humidity sensor of the present invention. FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line XX. This can be formed by known MEMS fabrication techniques. Here, a thin film 10 in the form of a cantilever 12 is formed using the SOI layer 11 of the SOI substrate, and a thin film thermocouple, which is a temperature difference sensor, is formed here as the temperature sensor 20. In this embodiment, the heater This is an example in which a thin film of a resistor of a nichrome thin film is formed on an insulating film 50 of a silicon oxide film formed on the SOI layer 11 as 25. The tip of the cantilevered thin film 10 has a large area, and the nichrome thin film resistors are arranged in a zigzag shape so as to surround the measurement point (hot junction) 26 of the thin film thermocouple so as to generate heat uniformly. It is. The thin film thermocouple is a silicon oxide film formed by using an SOI layer 11 (for example, an n-type silicon single crystal film having a thickness of about 10 μm) as a first thermoconductor 120a and thermally oxidizing the SOI layer 11 thereon. A second thermoelectric conductor 120b (for example, a nickel thin film or a nichrome thin film) formed through the insulating film 50 is formed, and an ohmic contact 60 as a measurement point (hot contact) 26 is formed. . A thin film thermocouple reference point (cold junction) 27 is formed on the substrate 1. The length of the cantilever 12 may be about 700 μm. Here, in order to measure the temperature of the substrate 1, a pn junction diode (semiconductor diode) is formed on the substrate 1 and used as an absolute temperature sensor 21 for measuring the absolute temperature of the substrate 1. . Note that the method of using the semiconductor diode as the absolute temperature sensor 21 is based on the temperature dependence of the diode current at that time when a constant forward voltage is applied to the semiconductor diode in measurement at room temperature, which is a relatively low temperature of 150 ° C. or less. There is a method for obtaining the current from the temperature dependence of the diode forward voltage at a constant current. In high temperature measurement at 150 ° C or higher, the reverse of the diode with a fixed reverse applied voltage of about 0.5V to 1V. It can be determined from the temperature dependence of the directional current. As shown in FIGS. 1 and 2, heating a single thin film 10 with less dependence on the direction of the absolute humidity sensor chip in the direction of gravity reduces thermal correction for thermal convection and the like. There is an advantage that less.

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 thin film 10 having a simple structure thermally separated from the substrate 1 as shown in FIGS. The heater 25 formed on the thin film 10 is heated with an applied voltage Va using a type sensor chip, and the thin film 10 is heated to a predetermined low absolute temperature Tl from room temperature, for example, 20 ° C. When the first heater is heated to 150 ° C and the absolute temperature Tl is reached, the heater is stopped and cooled to return to room temperature. Next, the room temperature changes. In the meantime, the heater 25 is heated at the same applied voltage Va, and the first heater is heated from the same room temperature to the predetermined high absolute temperature Th, for example, 500 ° C. in the same wet air. When the absolute temperature Th is reached In, stopped heater heating, allowed to cool illustrates how the temperature rise and temperature drop of the thin film 10 when repeated heating and cooling, as the temperature returned to room temperature. The broken line shown in FIG. 3 is an expected temperature rise curve of the thin film 10 when the heating of the heater 25 is continued for a long time. When the heater 25 is heated at the same applied voltage Va, the time required to reach the absolute temperature Tl is tl, and the time required to reach the absolute temperature Th is th. Assuming that the resistance of the heater 25 is R, Va 2 · tl / R and Va 2 · th / R are obtained. Here, when the heater 25 is made of a nichrome thin film, its resistance temperature coefficient is extremely small, and therefore the value of the resistance R of the heater 25 has no temperature dependency. Here, since the power consumption of the heater 25 is Va 2 / R and is common, these subtraction electric energy is (th−tl) Va 2 / R and may be proportional to (th−tl). I understand. In the humid air having the same absolute humidity, when the thin film 10 reaches the predetermined high absolute temperature Th from room temperature, the thin film 10 always passes the predetermined low absolute temperature Tl from the room temperature. Therefore, (th−tl) Va 2 / When R is obtained, the influence of room temperature is removed as shown in Equation 3 above. The absolute temperature Tl is set so that the thin film 10 has a temperature of 120 ° C. to 150 ° C. that is not affected by the absolute humidity, particularly in order to reduce the measurement error of the absolute humidity. The temperature is increased from the Tl to an absolute temperature Th, for example, 500 ° C., which is a temperature region having a strong influence of absolute humidity.

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 heater 25, the thin film 10 is predetermined. It is also expected that the high absolute temperature Th will not be reached. Therefore, the magnitude of the applied voltage Va to the heater 25 needs to be a value that can sufficiently reach a predetermined high absolute temperature Th under the expected absolute humidity condition.

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 thin film 10 of the absolute humidity sensor chip shown in FIGS. 1 and 2 is an example when no absolute temperature sensor is mounted. Since the structure is simple, the manufacturing process is simple and the absolute humidity sensor chip is inexpensive. In such a case, it is necessary to devise to measure whether the thin film 10 has reached the absolute temperature Tl or the absolute temperature Th described above. In order to raise the temperature of the thin film 10 to the set temperatures Tl and Th, which are predetermined absolute temperatures, absolute temperature measuring means is used. Although this has been described above, by using a thin film thermocouple which is a temperature difference sensor as the absolute temperature sensor 21 and the temperature sensor 20 formed on the substrate 1. The temperature of the substrate 1 is measured from the output of the absolute temperature sensor 21, and the temperature rise (temperature difference) with respect to the substrate 1 is measured with a thin film thermocouple having a measurement point (hot junction) on the thin film 10. 1. A method for obtaining the absolute temperature of the thin film 10 by obtaining the sum of these, The absolute temperature sensor 21 is provided with a temperature sensor having good linearity with respect to the temperature, the output thereof, the thin film 10 has a measuring point (hot contact), and the thin film thermoelectric device corresponding to the temperature rise relative to the substrate 1 The output of the pair is adjusted by, for example, an amplifier circuit so as to have the same temperature coefficient, and these outputs are summed on the circuit or summed on the software to obtain the absolute temperature of the thin film 10. 2. Method A thin film thermocouple which is a temperature difference sensor required to measure the absolute temperature of the substrate 1 from the output of the absolute temperature sensor 21 and raise the temperature to predetermined set temperatures Th and Tl in consideration of the substrate temperature. There is a method of obtaining the respective output voltages of each of them and determining that the predetermined set temperatures Th and Tl have been reached when these respective outputs are obtained. Measures that the set temperatures Th and Tl have been reached, so that the signal at that time can be extracted. In either method, a voltage signal related to the temperature of the thin film 10 when the predetermined set temperatures Th and Tl are reached is compared with a reference voltage of the predetermined set temperatures Th and Tl prepared in advance and a comparator, etc. The fact that the temperatures Th and Tl have been reached is output as a signal, and this output can be used to control the heater 25 to stop heating.

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 heater 25 is heated by a periodic clock pulse. However, it is not always necessary to repeat heating and cooling at a constant cycle, and a predetermined setting is used. After about 2 to 3 times the thermal time constant of each cooling process after reaching the temperatures Tl and Th, it can be approximated that the thin film 10 has returned to room temperature. You can start a heating cycle. By doing in this way, the measurement time of absolute humidity can be shortened.

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 thin film 10 as in FIGS. 1 and 2 in the first embodiment. The major difference from FIG. 1 and FIG. 2 is that in FIG. 4, the thin film 10 has a temperature sensor 20 that is a thin film thermocouple of a temperature difference sensor also used as a heater 25, and the temperature sensor 20 that is a thin film thermocouple. In addition, an absolute temperature sensor 22 is provided. In this embodiment, a semiconductor diode is used as the absolute temperature sensor 22. The wiring 110 is formed from the measurement point 26 of the thin film thermocouple as the temperature sensor 20 and is connected to one electrode 80a of the semiconductor diode. The other electrode 80b is connected to the current terminal 115 and the voltage by the wiring 110. The terminal 116 is connected to the electrode pad 71b. In this way, when an applied voltage for heating, for example, 10 V, is applied to the heater 25 between the electrode pad 70 serving as the electrode terminal and the SOI layer common electrode pad 75, a part of the heater 25 is applied. Also, the circuit configuration is such that the voltage drop in one of the thermoconductors 120b used is at least part of the driving power source of the semiconductor diode. One thermoconductor 120b is formed of a metal such as a nickel thin film or a nichrome thin film, and thus has a small resistance value, for example, about 5Ω. On the other hand, the temperature of the SOI layer 11 of the other thermoconductor 120a is low. Since the resistance value is about 50Ω, the voltage drop in the thermoconductor 120b is about 1V. The circuit is configured outside the absolute humidity sensor chip shown in FIG. 4 so that about 1V of this voltage is applied as a reverse voltage of the semiconductor diode when a heater heating voltage of 10V is applied. In this external circuit configuration, since it is a known technique, details are omitted here, but a reverse voltage, for example, a reverse current that flows when a constant voltage of 1 V is applied to the semiconductor diode, is measured, and from that value An absolute temperature of about 150 ° C. or more near the tip of the cantilever-like thin film 10 can be measured. Since the position of the pn junction that is the temperature sensing part of the semiconductor diode is formed near the measurement point (warm junction) 26 of the thin film thermocouple as the temperature sensor 20, the absolute temperature of the measurement point 26 is almost the same. You may think that you are measuring. In the external circuit configuration, if necessary, a circuit mechanism for adjusting the voltage drop at the thermoconductor 120b to be a predetermined drive voltage from the outside when the voltage drop of about 1V is not sufficient as the drive voltage of the semiconductor diode. It can also be prepared.

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 absolute temperature sensor 22 formed near the tip of the thin film 10 in the cantilever 12 shape, the absolute temperature is determined from the temperature dependence of the flowing reverse current so that a predetermined constant reverse voltage can be applied. In contrast to this, the absolute humidity sensor chip is configured so that a predetermined constant current flows through the semiconductor diode in consideration of the 1 V drive power supply that is a voltage drop in the thermoconductor 120b. An external circuit can also be configured. At this time, since it is necessary to measure the voltage applied to the semiconductor diode, the voltage terminal 116 from the one electrode 80a through the wiring 110 from the measurement point 26 side of the thin film thermocouple of the semiconductor diode through the wiring 110 is used. An electrode pad 71a is formed. Further, an electrode pad 71b that becomes the current terminal 115 and the voltage terminal 116 is formed from the other electrode 80b of the semiconductor diode via the wiring 110, and a precise application voltage of the semiconductor diode is applied by a pseudo four-terminal method. The current terminal 115 and the voltage terminal 116 are separately formed so that measurement is possible. However, here, the voltage drop in the thermoconductor 120b, which is a part of the heater 25, becomes a large value for flowing a large current for driving the heater, but the semiconductor diode has a small value for measuring the absolute temperature. Since only the drive current is present and the internal resistance in the reverse direction of the semiconductor diode is substantially large, the voltage drop in the metal wiring 110 from the other electrode 80b is negligible. Therefore, the current terminal 115 and the voltage terminal 116 connected thereto can be shared to be one. The semiconductor diode here is the same example as the bipolar transistor as the absolute temperature sensor 21 formed on the substrate 1, but a miniaturized one is used. There, a pn junction diode between the emitter E and the base B is used. The collector C and the base B are short-circuited, and a bipolar transistor is used as a diode.

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 absolute temperature sensor 22 is formed near the tip of the single cantilever 12-shaped thin film 10 and the heater 25 is heated. However, the absolute temperature near the tip of the cantilever 12-shaped thin film 10 can be measured. The operation of measuring the absolute humidity of the absolute humidity sensor in the present embodiment may be considered to be the same as that in FIG. The difference from the first embodiment is that, in the first embodiment, the heater 25 is a metal material such as a nichrome thin film, whereas in this embodiment, the thin film thermocouple as the temperature sensor 20 is also used as a heater. doing. Since one thermoconductor 120a of the thin film thermocouple is the SOI layer 11, the tip of the cantilever-like thin film 10 can be obtained by appropriately selecting the resistivity so that the SOI layer 11 of the thermoconductor 120a serves as a heating element. The heater is heated almost uniformly. In the present embodiment, as in the case of the first embodiment, the temperature of the thin film 10 is increased to the set temperatures Tl and Th, which are predetermined absolute temperatures, and an absolute temperature measuring means is used to measure those temperatures. Although the absolute temperature sensor 22, which is a semiconductor diode, is mounted on the thin film 10, the absolute temperature sensor 22 measures the set temperatures Tl and Th and indicates that the set temperatures Tl and Th have been reached, such as a comparator. This is a case where the absolute temperature measuring means is provided with a control circuit that detects the above and stops the heating of the heater 25.

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 Embodiment 1 is also the resistance temperature when a semiconductor with a high impurity concentration is used for the SOI layer. Since the coefficient is small, it can be considered that the heater resistance R is substantially the same, and can be approximated as (th−tl) Va 2 / R. Of course, the temperature dependence of the small heater resistance R can also be corrected by linear approximation. Thus, as in Example 1, the subtraction power amount (th−tl) Va 2 / R is a measurable amount. Therefore, this value is obtained and calibration data relating to absolute humidity prepared in advance is obtained. The absolute humidity can be obtained from the comparison.

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 thin films 10a and 10b having the same shape thermally separated from the substrate 1 used in the absolute humidity sensor of the present invention. 1 shows a case where only two thin films equivalent to the thin film 10 of the embodiment of the absolute humidity sensor chip shown in FIG. In FIG. 1 of the first embodiment, the thin film 10 is a single thin film 10 and the heater 25 and the thin film thermocouple as the temperature sensor 20 are provided here. When heating the heater with a large predetermined heater drive applied voltage Va, it was possible to measure the respective times tl and th until reaching the set temperature Tl and Th in the heating process, but this example Then, it is a case where it applies to the absolute humidity sensor chip provided with the thin film 10a and the thin film 10b of the same shape using the same FIG. 6 in Example 1. FIG. One thin film 10a is heated to the set temperature Tl and the other thin film 10b is simultaneously heated to the set temperature Th. 6 is a thin film in which the heater 25a and the heater 25b are driven by the same heater driving applied voltage Va, and the heater 25a and the heater 25b are formed, respectively, as shown in FIG. 3 of the first embodiment. It is a time chart of one Example which shows operation | movement of the absolute humidity sensor of this invention when 10a and the thin film 10b are heated simultaneously until it becomes set temperature Tl and set temperature Th, respectively. Here, it is a case where it is assumed that the thin film 10a and the thin film 10b have completely the same shape. However, since there is actually a slight shift in heat capacity or the like, the temperatures of the thin film 10a and the thin film 10b are the same. It is necessary to assume that the ascending curves do not overlap and shift slightly. At this time, it is sufficient to correct the deviation.

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 thin film 10a and the thin film 10b to the set temperature Tl and the set temperature Th, which are predetermined absolute temperatures, is the same as in the first embodiment, the detailed description thereof will be given here. Is omitted. Thus, as in the first embodiment, since the subtraction power amount (th−tl) Va 2 / R is a measurable amount, this value is obtained and calibration data relating to absolute humidity prepared in advance is obtained. Absolute humidity can be obtained from Since the temperature raising operation by heating the heater to the set temperature Tl and the set temperature Th can be performed at the same time, the measurement time can be shortened, which is effective for measuring the absolute humidity when the room temperature fluctuates. However, since there are two heaters, thermal interference occurs between them, so it is necessary to install them in consideration of the influence of convection of wet air such as the inclination of the absolute humidity sensor chip. Thus, since it is the same as that of Example 1, detailed description is abbreviate | omitted.

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 temperature sensor 20 which is a thin film thermocouple is set to a predetermined value in the cooling process after the heating of the heater 25 is stopped. One implementation that integrates the period and time, uses the output information of each time integral value, corrects it to remove the influence of the ambient temperature, and obtains the absolute humidity using calibration data prepared in advance An example will be described.

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 thin film 10 from the temperature sensor 20 which is a thin film thermocouple is heated. A heater 25 formed on the thin film 10 is supplied with a predetermined constant power P using an absolute humidity sensor chip having a thin film 10 thermally separated from a single substrate 1 having a simple configuration as shown in FIGS. It is a case where it heats and cools by. An example of the output signal waveform is shown in the heating cycle (here, the term “cycle is used because heating / cooling is repeatedly performed, not heating and cooling only once) and cooling cycle”. FIG. 7B shows an expected waveform when the thermal conductivity of the ambient moist air (measured gas) is large and an expected waveform when the thermal conductivity is small.

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 temperature sensor 20 in this way, the heated thin film 10 finally returns to room temperature, which is the temperature of the surrounding gas (measurement gas), in the cooling process. The sensor output asymptotically approaches zero. Since the temperature sensor output is the output of the temperature difference sensor, which is a thin film thermocouple, it can be considered to be approximately the temperature rise of the thin film 10. That is, zero temperature sensor output corresponds to zero temperature increase. As shown in FIG. 7 (B), when the thermal conductivity of the surrounding gas is large, since the heat to the surrounding gas is intense at the same heater supply power P, the temperature of the thin film 10 hardly rises and the temperature rises low. Furthermore, in the cooling process (cooling cycle), since heat radiation is intense, the cooling rate is large and the thermal time constant is small. On the other hand, when the thermal conductivity of the surrounding gas is small, heat radiation is small at the same heater supply power P, and it is heated to a high temperature and reaches saturation. Also, in the cooling process, since the heat radiation is small, it is cooled slowly and its thermal time constant increases. For this reason, the time integration of the output of the temperature sensor 20 from immediately after stopping the heater heating in the cooling cycle to the beginning of the next heating cycle (area of the hatched portion in the cooling cycle in FIG. 7B) is It can be seen that the smaller the thermal conductivity of the gas, the greater the thermal conductivity than when the thermal conductivity is large. That is, the ratio of the time integral value (area of the hatched line) in the cooling cycle is set to the ratio of the value at the end of the temperature sensor output waveform in the heater heating cycle when the thermal conductivity of the surrounding gas is small and large. It can also be seen that it is amplified by the effect of time integration and can be many times larger. In this way, even if the output of the temperature sensor is not measured during heating of the heater, it is possible to obtain a stable and amplified output by time integration in the cooling cycle with less noise after heating is stopped. I understand. Therefore, since the equivalent thermal conductivity of the ambient gas changes due to a change in the absolute humidity (water vapor amount) of the ambient gas (measured gas), the absolute humidity sensor of the present invention is used to achieve high sensitivity and high It can be seen that it can be measured accurately.

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 thin film 10 periodically heated by the heater. Here, in order to easily maintain the thin film 10 at a predetermined high temperature Th, a voltage Va is applied to the heater 25 in accordance with a clock pulse as shown in FIG. This is an embodiment set to be heated to a predetermined absolute temperature Th. Of course, without using a periodic clock pulse, for example, Va, which is an applied voltage, is applied to the heater 25, and the time integration is stopped at about twice or more of the thermal time constant in the cooling process to the next heating cycle. You can enter.

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 thin film 10 obtained from the output (voltage) of the thin film thermocouple, which is the temperature sensor 20 in the heating cycle and the cooling cycle, as described above, and the heater with a single driving power. After heating, the temperature of the thin film 10 is reached from room temperature to a predetermined high temperature Th, these temperatures are maintained, and then the heater heating is stopped and the cooling process is started. Here, since the thin film thermocouple which is a temperature difference sensor is used as the temperature sensor 20, the origin of the temperature of the thin film 10 in FIG. 8 is the temperature of the substrate 1 having the reference point (cold junction) and the room temperature. Then, a predetermined high set temperature Th (a function of the equivalent thermal conductivity of the surrounding gas, in the measurement of the wet gas to be measured, for example, electric power that increases the temperature from about 400 ° C. to about 500 ° C. is supplied to the heater 25. When the temperature dependence of the resistance of the heater 25 can be ignored, the thin film 10 is driven at a predetermined voltage or at a predetermined current, and eventually driven at a predetermined power. The heater is heated. The output (voltage) Vs of the thin film thermocouple which is the temperature sensor 20 in the cooling cycle immediately after the stop of the heating is integrated over time. At this time, in order to correct so as to eliminate the influence of the ambient temperature, a predetermined low value is used. The value of the output voltage Vsl of the thin film thermocouple, which is the temperature sensor 20 corresponding to the absolute temperature Tl, is the absolute temperature measurement using the information of the absolute temperature sensor 21 formed on the substrate 1 and the information of the temperature sensor 20. Since the output voltage Vsl can be subtracted from the output voltage Vs of the thin film thermocouple during the cooling cycle, that is, (Vs−Vsl) is integrated over time to obtain a subtraction integral value ΔS (FIG. 8). The integration time at this time is the time until the output voltage Vs of the thin film thermocouple becomes the output voltage Vsl, that is, until (Vs−Vsl) = 0. In FIG. 8, the temperature of the thin film 10 and the output (voltage) of the thin film thermocouple are plotted on the vertical axis. This is because the thin film thermocouple, which is a temperature difference sensor, is used as the temperature sensor 20. This is because the axis can be considered that the temperature based on the room temperature of the thin film 10 and the output voltage of the temperature sensor 20 are the same. In this way, the subtraction integral value ΔS is a time integral value obtained by subtracting the time integral value below the predetermined temperature Tl from the common room temperature, and therefore becomes an irrelevant value even if the room temperature fluctuates, and the absolute humidity of the humid air It is a function of H. The subtracted integration value ΔS is a function that becomes a small value when the absolute humidity H is large and increases monotonously when the absolute humidity H becomes small. From this value, based on the absolute humidity calibration data acquired in advance under the same conditions, the absolute humidity H can be uniquely determined without depending on the size of the room temperature.

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 thin film 10 periodically heated by the heater using the absolute humidity sensor chip shown in FIG. 1 and FIG. It is. In the above measurement, the thin film thermocouple output (voltage) Vsl corresponding to the lower set temperature Tl is subtracted from the thin film thermocouple output (voltage) during the cooling process from the set temperature Th. In this example, the subtracted output voltage is integrated for the integration time period to obtain the output value, and the correction is made so as to eliminate the influence of the room temperature, but as shown in FIG. In the course of cooling from the temperature Th, the output voltage of the thin film thermocouple (temperature sensor 20) is time integrated until the output voltage Vsl corresponding to a predetermined Tl is reached, and from the first time integrated value Sh at that time. As shown in FIG. 9B, the output voltage Vsl is also obtained by obtaining a second time integral value Sl obtained by integrating the same integration time period, and subtracting these values to obtain a subtraction integral value ΔS. . The setting of the predetermined temperature Th and the magnitude of the output voltage of the temperature sensor 20 corresponding to the predetermined temperature Tl can also be measured using the absolute temperature measuring means described in the first embodiment. Under the condition that the room temperature fluctuates sufficiently slowly compared to these integration times, the time integration value Sh (shaded portion) of the high set temperature Th in FIG. 9A is a time equal to or lower than a predetermined low set temperature Tl. The integral value (rectangular portion) is the same as the time integral value Sl (rectangular portion) of the predetermined low set temperature Tl in FIG. 9B, and the second time integral value from these first time integral value Sh. The subtraction integral value ΔS obtained by subtracting Sl is the subtraction integral value of the time integration values of these output waveforms, and thus almost eliminates the influence of the ambient temperature in measuring the absolute humidity.

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 thin film 10 periodically heated by the heater using the absolute humidity sensor chip shown in FIG. 1 or 2. In FIG. 8 and FIG. 9 described above, since the value of the output voltage Vsl is known before heating the heater to obtain the subtraction integral value ΔS using the single thin film 10, the subtraction operation is performed simultaneously in time. In this case, as shown in FIG. 10, the clock pulse is used to heat the first integral heater to a predetermined temperature Th, as shown in FIG. This temperature is maintained and the next clock pulse is repeated so as to become a cooling cycle. In the subsequent heating cycle after the first heater is heated, the second heater is heated to the predetermined low temperature Tl. After that, this temperature is maintained. And in these heating and cooling cycles, in the course of cooling from Th, the output voltage Vs of the thin film thermocouple is integrated over time, and in the same manner as described with reference to FIG. 8 and FIG. The integration time is defined as the time until the output voltage Vs of the thin film thermocouple becomes equal to the output voltage Vsl to obtain the first time integration value Sh, and the second heater heating is performed only for the time equal to the integration time. After the heating is stopped, the output voltage Vsl of this actual thin film thermocouple is time-integrated to obtain a second time integration value Sl. Then, the subtraction integrated value ΔS = (Sh−Sl) can be obtained from these by calculation. Since various noises are generated in the measurement circuit, these components are obtained by time integration of the output voltage of the actual thin film thermocouple by the first heater heating and the second heater heating. By subtraction, there is an advantage that noise components common to these can be canceled.

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 substrate 1 has the absolute temperature sensor 21, the temperature of the surrounding medium (room temperature) is known. The temperature rise is determined substantially in proportion to the power supplied to the thin film 10 (if the change due to the temperature of the heater resistance is negligible, it is determined by the applied voltage and supply current). And when the surrounding gas is air and it is known that it is one kind of gas (in the case of pure air, it is a mixed gas with a clear mixing ratio of nitrogen gas and oxygen. In general, the thermal conductivity increases linearly with increasing temperature, and the gradient of the thermal conductivity with respect to the temperature and the magnitude of the thermal conductivity differ depending on the type of gas. . Therefore, in the air heated to a predetermined set temperature Th of 150 ° C. or higher in the air, when the absolute humidity is high, the thermal conductivity increases and corresponds to the set temperature Th compared to the case where the absolute humidity is low. The first time integral value becomes small. Since the second time integrated value corresponding to a predetermined set temperature having no humidity dependency, for example, Tl of 150 ° C. is constant in heating and cooling from the same room temperature, the first time integrated value The subtracted integrated value ΔS obtained by subtracting the second time integrated value decreases as the absolute humidity increases. In this way, based on the subtraction integral value ΔS obtained by subtracting the second time integration value Sl from the first time integration value Sh, the calibration data relating to the absolute humidity prepared in advance is used. The absolute humidity in the air is obtained by removing the influence of the room temperature from the room temperature.

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 temperature sensor 20 which is a thin film thermocouple is set for a predetermined period and time in the cooling process after the heating of the heater 25 is stopped. Another embodiment that integrates and corrects to remove the influence of the ambient temperature using the output information of each time integral value, and obtains the absolute humidity using calibration data prepared in advance Will be described.

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 thin film 10 shown in FIGS. 1 and 2 is not provided with an absolute temperature sensor. In addition, the absolute humidity sensor chip provided independently for the heater 25 and the temperature sensor 20 was used. However, in Example 2, the absolute temperature sensor 22 is provided as shown in FIG. Although there is a difference that an absolute humidity sensor chip that also serves as the temperature sensor 20 is used, a single thin film 10 is used, and a heater 25 and a temperature sensor 20 that is a thin film thermocouple are included therein. In the cooling process after the heating of the heater 25 is stopped, each output voltage of the temperature sensor 20 which is a thin film thermocouple is integrated over time for a predetermined period, and information on the output of each time integrated value is used. The influence of ambient temperature The absolute humidity is obtained by using calibration data prepared in advance, and the method of measuring the absolute humidity in Example 5 of the present invention is as shown in FIGS. The operation is the same as that using FIG. However, since the absolute humidity sensor chip of FIG. 4 is used in the fifth embodiment, a semiconductor diode as the absolute temperature sensor 22 is formed on the thin film 10. Therefore, since the absolute temperature of the thin film 10 can be directly measured, it becomes simple to measure and control the predetermined set temperatures Tl and Th, and the configuration of the absolute temperature measuring means is simplified correspondingly. . In addition, since the heater 25 and the temperature sensor 20 can be used together by switching, the corresponding structure is simplified, and the cantilever-like thin film 10 is also the heater 25 because the SOI layer 11 as the thermoconductor 120a becomes the heater 25. Various heat generation becomes possible.

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 absolute temperature sensor 22 here, but a resistance temperature detector such as a Pt thin film may be used. The method of measuring the absolute humidity is the same as in the case of FIGS. 8, 9 and 10 in the fourth embodiment, and is omitted here.

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 temperature sensor 20a and the temperature sensor 20b, which are thin film thermocouples, is cooled in the cooling process after the heating of the heater 25a and the heater 25b is stopped. The output voltage is time-integrated for a predetermined period, and the output information of each time-integrated value is used to correct so as to eliminate the influence of the ambient temperature, and the absolute humidity is obtained using calibration data prepared in advance. Another embodiment will be described.

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 thin film 10b is heated by applying a rectangular wave pulse of 10V, for example, to the heater 25b of the thin film 10b of the absolute humidity sensor chip shown in FIG. Control is performed using absolute temperature measuring means so as to maintain the temperature. In the cooling cycle after heating stop designated by a clock pulse or the like, this time, the heater 25b is operated as a temperature sensor 20b which is a temperature difference sensor, and the output is charged in a capacitor, etc. Time integration). At this time, the thin film 10a is heated to a predetermined set temperature Tl, for example, 150 ° C., for example, with the applied voltage Vl of the heater 25a being 3.0 V in synchronization with the heater heating of the thin film 10b. Control is performed using absolute temperature measuring means so as to maintain this temperature. Then, in the cooling cycle after the heating is stopped, this time, the heater 25a is operated as the temperature sensor 20a which is a temperature difference sensor, and the output is charged in a capacitor, for example, and time integration (second time integration) is performed. . FIG. 11 shows the situation at this time. FIG. 11 is a time chart showing the operation of another embodiment of the absolute humidity sensor of the present invention. The heating cycle when the thin film 10b is heated to the higher set temperature Th (for example, heated at 10V) A cooling cycle and a heating cycle and a cooling cycle when the thin film 10a is heated to a lower set temperature Tl (for example, heating at 3.0 V) are shown. Further, the temperature sensors 20a and 20b in each cooling cycle are shown. The first time integration and the second time integration are also shown as time integration (shaded portions) of the respective output voltages. The vertical axis indicates that the temperatures of the thin film 10a and the thin film 10b and the output voltages of the temperature sensors 20a and 20b have the same waveform.

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 temperature sensor 20b and the temperature sensor 20a may be charged to a capacitor or the like and integrated. Of course, these may be input and recorded in an IC memory without using a capacitor and digitally added. In this embodiment, since the temperature sensor 20b and the temperature sensor 20a are both temperature difference sensors that are thin film thermocouples, in FIG. 9, the temperatures of the thin film 10a and the thin film 10b are plotted on the vertical axis. However, when this is expressed by the temperature sensor output voltage corresponding to the temperature, the origin Vo on the vertical axis is essentially zero. For this reason, since the zero method, which is a high-precision measurement, can be applied, high-precision absolute humidity measurement can be performed.

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 thin film 10 or the thin films 10a and 10b are in a wet gas that does not reach the dew point, or the dew point is reached. With a heater 25 or the like provided on the thin film 10 or the like when it has a function of determining whether it is in a wet gas, submerged in water, or a solid substance including ice is attached. The schematic diagram of the output of the thin film thermocouple which uses electric power heating and the time passage of the temperature rise at that time as temperature sensor 20 grade is shown. Here, the case where the absolute humidity sensor chip shown in FIGS. 1 and 2 is used will be described. The micro power heating by the heater 25 etc. provided on the thin film 10 etc. means, for example, a heater power P such that the thin film 10 etc. only rises in temperature from room temperature to about 10 ° C., for example, about 10 mW in normal humid air. In this case, since the heat capacity of the thin film 10 or the like is extremely small, there is a rapid temperature rise with the heater heating time as shown in the characteristic curve A in FIG. The temperature rises to a saturation value determined by G and heater power P. In FIG. 12, the thin film thermocouple output is displayed on the vertical axis, but since the thin film thermocouple output and the temperature rise of the thin film 10 and the like from the room temperature are in a proportional relationship, the characteristic curve of the thin film thermocouple output over time. May be considered as a characteristic curve for the temperature rise of the thin film 10 or the like. When this characteristic curve is recorded in advance and such a minute electric power heating is performed and a characteristic curve almost similar to the characteristic curve A in FIG. 12 is obtained, the predetermined set temperature as described above is used as it is. The normal absolute humidity described above may be measured by supplying electric power to a large heater 25 or the like that reaches Tl and Th.

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 thin film 10 or the like has minute water droplets or minute ice. At this time, from the output of the absolute temperature sensor 21 provided on the substrate 1, if the substrate 1 is 0 ° C. or less, fine particles of ice are attached, and if the temperature is higher than that, the dew point is reached. It is determined that the water droplets are attached. In the case of the characteristic curve C, from the output of the absolute temperature sensor 21, if it is 0 ° C. or less, the substrate 1 itself is almost in ice, and if it is 0 ° C. or more, the dew point is reached and submerged. Or a large amount of water droplets may be attached. If the dew point has been reached, the relative humidity is 100%, the ambient temperature is measured from the output of the absolute temperature sensor 21 at that time, and the saturated water vapor amount at that time is known. I want. If the dew point is reached in the characteristic curve B or the characteristic curve C, the absolute humidity is obtained from the saturated water vapor amount. In the case of the characteristic curve B due to ice adhesion, after evaporating the ice particles on the surface of the thin film 10 etc., the absolute humidity is measured by heating to the predetermined set temperatures Tl and Th as described above. can do.

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 heater 25 is stopped, each output voltage of the temperature sensor 20, which is a thin film thermocouple, is integrated over time for a predetermined period, A description will be given of an embodiment in which the information on the output of the time integral value is corrected to eliminate the influence of the ambient temperature and the absolute humidity is obtained using calibration data prepared in advance. FIG. 13 is a schematic plan view of another embodiment of the absolute humidity sensor chip according to the present invention, which is the same as FIG. 1 used in Embodiment 1, except that the heater 25 and the temperature sensor are different in FIG. The thin film thermocouple 20 is formed independently, but in FIG. 13 of the present embodiment, the heater 25 and the temperature sensor 20 are combined with the so-called heater 25 temperature sensor. That is 20. Therefore, the thin film thermocouple which is the temperature sensor 20 has the inconvenience that the operation as the heater 25 and the operation as the temperature difference sensor as the temperature sensor 20 cannot be performed simultaneously. In addition, even when the absolute temperature of the thin film 10 is known, the thin film 10 is not provided with an absolute temperature sensor, so the thin film 10 is formed on the substrate 1 using the absolute temperature measuring means provided in the above-described absolute humidity sensor of the present invention. The substrate temperature (ambient temperature) is known by the absolute temperature sensor 21, and the temperature rise from the substrate 1 is measured by the thin film thermocouple as the temperature sensor 20 having the measurement point 26 on the thin film 10 with the substrate 1 as the reference point 27. Although there is a circuit complexity such as knowing the absolute temperature of the thin film 10, there is an advantage that the structure of the absolute humidity sensor chip itself is very simple.

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 independent heater 25 that does not serve as the absolute temperature sensor 22 or the temperature sensor 20, so that the thin film 10 has a predetermined set temperature Tl, Even if the heater is heated to Th, it is necessary to raise the temperature in a cycle in which the operation as the heater 25 and the operation as the temperature sensor 20 are alternately repeated at high speed. FIG. 14 shows a time chart of another embodiment relating to the temperature rise of the thin film by the heater heating of the absolute temperature sensor of the present invention, and shows a case where heating and cooling of the thin film 10 by the heater 25 are repeated. Here, the heating period of the heater 25 is referred to as a heating cycle, and the cooling period is referred to as a cooling cycle. The time lapse of the thin film temperature T of the temperature increase in the heating cycle when the thin film 10 is heated by the heater 25 and the time lapse of the temperature decrease of the thin film 10 in the cooling cycle after the heater heating is stopped are shown. For example, when the thermal time constant of the thin film 10 is about 30 milliseconds (msec), the heater is heated only for a time Δt of about 10 microseconds (μsec), which is 1/100 or less of the thermal time constant. Even if it is stopped, the temperature of the thin film 10 hardly decreases because of a large thermal time constant, and it can be considered that the temperature at which the heater heating is not stopped is maintained even during the short time Δt. it can. Even when the heater heating is stopped during the heating cycle of such a short time Δt, or when the heater heating cycle ends and the next cooling cycle is entered, during the short time Δt immediately after the heater heating stop of the heater heating cycle, Again, it can be considered that the temperature at the end of the heater heating cycle is maintained.

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 thin film 10 periodically during the heating cycle when the thin film 10 is heated by the heater 25 with sufficient heating power to reach a desired set (absolute) temperature Th. In this example, the heater heating is stopped for a sufficiently short time Δt, and the absolute temperature in the middle of the thin film 10 is measured by operating as a thin film thermocouple. Then, within this short time Δt, the temperature sensor 20 measures the output voltage Vsh corresponding to a predetermined set temperature Th, for example, the absolute temperature of the measurement point 26 by the above-described absolute temperature measuring means, and performs a desired setting ( Absolute) temperature, for example, when the value of the output voltage Vsh corresponding to Th = 500 ° C. is reached, the heating cycle of the heater 25 is stopped and the next cooling cycle is started. But there is.

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 heater 25 is preferably stopped. In addition, the next cooling cycle is determined by setting a desired time with a timer IC or the like, and once the operation is completed, the heating cycle can be changed to a heating cycle. It is. In this way, the temperature of the measuring point 26 which is a predetermined absolute temperature of 500 ° C. is periodically achieved. This is used as the set temperature Th on the high temperature side where the thermal conductivity of wet air in the absolute humidity sensor is increased, and in the same way, the predetermined set absolute temperature Tl can be made independent of the absolute humidity as described above, for example. In the temperature region, for example, Tl = 150 ° C. can be set, and when the thin film 10 reaches this temperature, the heater heating is stopped and the cooling cycle can be started. Of course, as described above, it is not necessary to set Tl to a temperature in a temperature range that can be independent of the absolute humidity. However, if the temperature is set in this temperature range, a measurement error as the absolute humidity is reduced. Then, during the cooling cycle, as described in the above-described fourth embodiment, for example, in the cooling process after the heating of the heater 25 in FIG. 9 is stopped, the respective output voltages of the temperature sensor 20 which is a thin film thermocouple. Is integrated for a predetermined period of time to obtain a subtraction integral value ΔS between the first time integration value corresponding to Th and the second time integration value corresponding to Tl, and information on the output of the subtraction integration value ΔS Is used to correct the ambient temperature to be removed, and the absolute humidity can be obtained using calibration data prepared in advance. Here, for example, since it is similar to the case of FIG. 9, the detailed description thereof is omitted.

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 thin film 10 as shown in FIG. 4 is provided with the absolute temperature sensor 22 and only the single thin film 10 has been described. Of course, the same shape having the absolute temperature sensor 22 is provided. Although two thin films 10 are formed on one substrate 1 and the absolute humidity can be measured in the same manner as in the sixth embodiment, the description thereof is omitted here.

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 temperature sensor 20 in the cooling process after stopping the heater heating when the single thin film 10 shown in FIG. 13 is used. Although the embodiment has been described, the absolute humidity can also be obtained by comparing the power consumption during heating as in the first embodiment. In this case as well, the method for obtaining the absolute humidity is the same as in the case of the first embodiment, and the description is omitted here. In addition, two thin films 10 shown in FIG. 13 in Example 8 are provided on the same substrate 1 as in Example 3, and the absolute humidity can be obtained by comparing the power consumption. As in Example 6, two thin films 10a and 10b provided on the same substrate 1 are used, and the absolute humidity is obtained using the time integral value of the output of the temperature sensor 20 in the cooling process after stopping the heater heating. You can also In these cases as well, the method for obtaining the absolute humidity is the same as in the case of Example 3 or Example 6, and thus the description thereof is omitted here.

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 SYMBOLS 1 Substrate 10, 10a, 10b Thin film 11 SOI layer 12 Cantilever 15 Base substrate 20, 20a, 20b Temperature sensor 21 Absolute temperature sensor 22, 22a, 22b Absolute temperature sensor 25, 25a, 25b Heater 26 Measurement point (hot contact)
27 Reference point (cold junction)
40 Cavity 50 Insulating film 60 Ohmic contact 70, 70a, 70b Electrode pads 71a, 71b, 71c Electrode pads 72a, 72b Electrode pad 75 SOI layer common electrode pads 80a, 80b Electrode 110 Wiring 115 Current terminal 116 Voltage terminals 120a, 120b Thermoconductor

Claims (18)

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、を特徴とする絶対湿度センサ。 The thin film (10) thermally separated from the substrate (1) is provided with an absolute humidity sensor chip having a heater (25) and a temperature sensor (20), and the change in thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured. Thus, in the absolute humidity sensor in which the temperature change of the thin film (10) due to the heating of the heater (25) is measured by the temperature sensor (20), the temperature sensor (20) is a temperature difference sensor, Whether a voltage is applied to the heater (25) and the first heater is heated to heat the thin film (10) from room temperature to a predetermined absolute temperature Tl, and then the first heater is continuously heated. Alternatively, the second heater is heated by the heater (25) in a short time such that the temperature variation of the gas to be measured is negligible, and the thin film (10) is moved from room temperature to the predetermined absolute temperature Tl. Different Heat up to the specified absolute temperature Th, and use the information on the power consumption in the heater (25) necessary for each heater to correct it so as to eliminate the influence of the ambient temperature. The absolute humidity is obtained using data, the output of the absolute temperature sensor (21) provided on the substrate (1) and the output of the temperature sensor (20) are combined, or the thin film (10) is used. In the case where the absolute temperature sensor (22) is provided, the absolute temperature sensor is provided with an absolute temperature measuring means for knowing the absolute temperature of the thin film (10) from the output, and the thin film (10) is formed using the absolute temperature measuring means. An absolute humidity sensor characterized in that it can be set to be heated to absolute temperatures Tl and Th. 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)が室温から所定の絶対温度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、これらの絶対温度Thと絶対温度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、を特徴とする絶対湿度センサ。 Of at least two thin films (10a) and (10b) having the same shape thermally separated from the substrate (1), one thin film (10a) has a heater (25a) and a temperature sensor (20a). The other thin film (10b) is also provided with an absolute humidity sensor chip having a heater (25b) and a temperature sensor (20b), and due to a change in thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured, In the absolute humidity sensor in which the temperature sensors (20a) and (20b) measure the temperature change of the thin films (10a) and (10b) due to the heating of the heaters (25a) and (25b), the temperature sensor ( 20a) and (20b) are temperature difference sensors, a voltage is applied to the heater (25a), and the heater is heated to bring the thin film (10a) from room temperature to a predetermined absolute temperature Tl, At the same time A voltage is also applied to the heater (25b) to heat the heater, and the thin film (10b) is heated from room temperature to a predetermined absolute temperature Th different from the predetermined absolute temperature Tl. The calibration data prepared in advance is corrected using information on the power consumption in each heater (25a) and (25b) necessary for heating to the absolute temperature Tl and excluding the influence of the ambient temperature. From the combined output of the output of the absolute temperature sensor (21) provided on the substrate (1) and the output of each of the temperature sensors (20a) and (20b), or When the thin film (10a) and (10b) are also provided with the absolute temperature sensor (22), an absolute temperature measuring means is provided so that the absolute temperature of each of the thin films (10a) and (10b) is known from the output. , Absolute humidity sensor using absolute temperature measurement means, a thin film (10a) and a thin film (10b) has to be set to be heated to an absolute temperature Tl and Th, respectively, characterized by. 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、を特徴とする絶対湿度センサ。 The thin film (10) thermally separated from the substrate (1) is provided with an absolute humidity sensor chip having a heater (25) and a temperature sensor (20), and the change in thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured. Thus, in the absolute humidity sensor in which the temperature change of the thin film (10) due to the heating of the heater (25) is measured by the temperature sensor (20), the temperature sensor (20) is a temperature difference sensor, A voltage is applied to the heater (25), the heater is heated, and the thin film (10) is heated from room temperature to the predetermined absolute temperature Th. In the cooling process after the heating is stopped, the temperature sensor (20 ) Is integrated over time for a predetermined period, and the output information of the time integrated value and the output voltage of the temperature sensor (20) at a predetermined absolute temperature Tl different from the absolute temperature Th are used. , Ambient The correction was made so as to eliminate the influence of the temperature, and the absolute humidity was obtained using the calibration data prepared in advance, the output of the absolute temperature sensor (21) provided on the substrate (1) and the temperature sensor (20). From the combined output with the output, or when the absolute temperature sensor (22) is also provided in the thin film (10), the absolute temperature measuring means that knows the absolute temperature of the thin film (10) from the output is provided, An absolute humidity sensor characterized in that the absolute temperature measuring means can be used to set the thin film (10) to be heated to the absolute temperature Th. 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、を特徴とする絶対湿度センサ。 The thin film (10) thermally separated from the substrate (1) is provided with an absolute humidity sensor chip having a heater (25) and a temperature sensor (20), and the change in thermal conductivity based on the amount of water vapor in the gas to be measured. Thus, in the absolute humidity sensor in which the temperature change of the thin film (10) due to the heating of the heater (25) is measured by the temperature sensor (20), the temperature sensor (20) is a temperature difference sensor, Whether a voltage is applied to the heater (25) and the first heater is heated to heat the thin film (10) from room temperature to a predetermined absolute temperature Tl, and then the first heater is continuously heated. Alternatively, the second heater is heated by the heater (25) in a short time such that the temperature variation of the gas to be measured is negligible, and the thin film (10) is moved from room temperature to the predetermined absolute temperature Tl. Different In the cooling process after heating is stopped until the predetermined absolute temperature Th is reached, each output voltage of the temperature sensor (20) is integrated over time for a predetermined period, and the output information of each time integrated value is obtained. It was corrected to eliminate the influence of the ambient temperature, and the absolute humidity was obtained using calibration data prepared in advance. The output and temperature of the absolute temperature sensor (21) provided on the substrate (1) The absolute temperature from which the absolute temperature of the thin film (10) is known from the combined output with the output of the sensor (20) or from the output when the thin film (10) is also provided with the absolute temperature sensor (22). An absolute humidity sensor characterized by comprising a measuring means and using the absolute temperature measuring means so that the thin film (10) can be set to be heated to the absolute temperatures Tl and Th. 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請求項3から4のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 3 to 4, wherein the start of a predetermined period of time integration of the output of the temperature sensor (20) is immediately after the heating of the heater (25) is stopped. 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請求項3から5のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 At the end of the predetermined period of the time integration of the output of the temperature sensor (20), the thin film (10) is cooled from a predetermined higher temperature Th in the cooling process after stopping the heater heating, and the predetermined lower one 6. The absolute humidity sensor according to claim 3, wherein the absolute humidity sensor is set to be equal to the temperature Tl. 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請求項1から6のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The thin film (10) or thin film (10a), (10b) is in a wet gas that does not reach the dew point, is in a wet gas that has reached the dew point, is submerged in water, or is a solid that also contains ice A minute electric power that can determine at least one of the items of whether the substance is attached is supplied to the heater (25) or the heaters (25a) and (25b), and the thin film (10) or the The temperature change of the thin films (10a) and (10b) is measured by the temperature sensor (20) or the temperature sensors (20a) and (20b), and the output of the absolute temperature sensor (21) is also measured if necessary. The absolute humidity sensor according to claim 1, wherein the item is determined using the absolute humidity sensor. 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請求項1から7のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein a lower temperature Tl of different temperatures Th and Tl is set to a temperature in a range of 100 ° C to 270 ° C. 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請求項1から8のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein a semiconductor is used as at least one thermoelectric conductor of the temperature difference sensor. 薄膜(10)もしくは薄膜(10a)、(10b)をシリコン半導体とした請求項1から9のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein the thin film (10) or the thin films (10a), (10b) is a silicon semiconductor. 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請求項1から10のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the absolute temperature sensor (21) and the absolute temperature sensor (22) are semiconductor diodes. 温度センサ(20)をヒータ(25)として兼用した請求項1から11のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 11, wherein the temperature sensor (20) is also used as a heater (25). 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請求項1から12のいずれかに記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity sensor according to claim 1, comprising at least a power supply circuit, an amplifier circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit. 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請求項13記載の絶対湿度センサ。 The absolute humidity according to claim 13, wherein the relative humidity can be obtained based on the output of the absolute temperature sensor (21) and information on the absolute humidity from the absolute humidity sensor according to any one of claims 1 to 12. Humidity sensor. 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絶対湿度センサチップ。 Corresponding to each of the cantilever-like thin film (10) or thin films (10a), (10b) thermally separated from the substrate (1), there is a temperature difference sensor with a heater (25) or heaters (25a), (25b). A temperature sensor (20) or temperature sensors (20a) and (20b), and a temperature contact of the temperature difference sensor is provided near the tip of the cantilever-shaped thin film (10) or thin films (10a) and (10b) The heater (25) or the heaters (25a), (25b) are arranged so as to surround the hot junction of the temperature difference sensor, and the tip of the cantilever-like thin film (10) or thin film (10a), (10b) An absolute humidity sensor chip characterized in that heat is generated uniformly in the vicinity of the part. 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絶対湿度センサチップ。 In correspondence with each of the thin film (10) or the thin films (10a) and (10b) thermally separated from the substrate (1), the heater (25) or the temperature sensor (25a) and (25b) is a temperature difference sensor. 20) or temperature sensors (20a) and (20b), and further, corresponding to each, an absolute temperature sensor (22) or absolute temperature sensors (22a) and (22b) are also provided. Absolute humidity sensor chip. 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)と兼用にした請求項16記載の絶対湿度センサチップ。 The absolute humidity sensor chip according to claim 16, wherein the heater (25) or the heater (25a), (25b) is also used as a temperature sensor (20) or a temperature sensor (20a), (20b) which is a temperature difference sensor. 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請求項16もしくは17のいずれかに記載の絶対湿度センサチップ。 The absolute temperature sensor (22) or the absolute temperature sensors (22a) and (22b) are semiconductor diodes, and at least part of the supply voltage to the heater (25) or the heaters (25a) and (25b) is driven by the semiconductor diode. The absolute humidity sensor chip according to claim 16, wherein the absolute humidity sensor chip is wired so as to be used as a power source.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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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