JP2015227822A - Heat conduction type gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスの熱伝導の変化からガス濃度を検出する熱伝導式ガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a heat conduction type gas sensor that detects a gas concentration from a change in heat conduction of a gas.
熱伝導式ガスセンサは、ガスの種類によって熱伝導率が異なる性質であることを利用したもので、熱伝導の変化を温度変化として検出し、この温度変化を感熱素子の抵抗変化として電気的に検出するものである。 The thermal conductivity gas sensor uses the fact that the thermal conductivity differs depending on the type of gas. It detects the change in thermal conductivity as a temperature change and electrically detects this temperature change as a resistance change in the thermal element. To do.
例えば、特許文献1(特許第2889909号公報)には雰囲気中において加熱される抵抗体の抵抗値の変化に基づいて、抵抗変化が雰囲気温度のみに影響される低温度と、抵抗変化が雰囲気の温度および湿度に感応する高温度にて、抵抗体両端に生ずる高温度における電圧から低温度における電圧を比較して湿度を検知する湿度センサが開示されている。 For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2889909), based on a change in the resistance value of a resistor heated in the atmosphere, a low temperature at which the resistance change is affected only by the ambient temperature, and a resistance change in the atmosphere. There is disclosed a humidity sensor that detects humidity by comparing a voltage at a low temperature with a voltage at a high temperature generated at both ends of the resistor at a high temperature that is sensitive to temperature and humidity.
しかしながら、実際にセンサが使用される環境は、環境温度の変化や外乱の影響により、センサ自体が温度変動している。このような環境下で、ある一定の低温度、高温度に加熱するため定電流または定電圧を印加してもセンサ加熱温度は安定しない。また、補正係数Kも環境温度の変化に合わせて調整しないと演算精度が悪く、センサ精度が低いものになってしまう。 However, in an environment where the sensor is actually used, the sensor itself fluctuates due to the influence of environmental temperature change or disturbance. In such an environment, the sensor heating temperature is not stable even if a constant current or a constant voltage is applied in order to heat to a certain low temperature or high temperature. If the correction coefficient K is not adjusted in accordance with the change in the environmental temperature, the calculation accuracy is poor and the sensor accuracy is low.
また、先行技術文献における別の実施例においては、2つの抵抗体を用いて一方を低温度で、他方を高温度に同時に加熱することで、スイッチ切り替えによる低温度、高温度測定の時間差をなくし、雰囲気温度による補正精度を向上させようとしている。しかしながら、2つの抵抗体間の特性を全く揃えることは難しく、この特性ばらつき自体がセンサ精度を低下させる主要因になってしまう。 In another embodiment in the prior art document, two resistors are used to simultaneously heat one at a low temperature and the other at a high temperature, thereby eliminating the time difference between the low temperature and high temperature measurement due to switch switching. The correction accuracy by the ambient temperature is being improved. However, it is difficult to make the characteristics between the two resistors completely uniform, and this characteristic variation itself becomes the main factor that reduces the sensor accuracy.
本発明の目的は、以上の点を考慮してなされたもので、環境温度の変化や外乱の影響によりセンサ自体の温度が常に変動していても、高精度で測定できる熱伝導式ガスセンサを提供することにある。 The object of the present invention has been made in consideration of the above points, and provides a heat conduction type gas sensor that can measure with high accuracy even if the temperature of the sensor itself constantly fluctuates due to the change of environmental temperature or the influence of disturbance. There is to do.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に係わる発明は、対象ガス濃度を検出する検知素子と、環境温度を検出する参照素子と、前記検知素子と前記参照素子は、測定環境に暴露された同じ空間に配置され、前記参照素子の出力に基づき、前記検知素子を加熱する加熱手段と、前記加熱手段への電力を制御する電力制御手段と、前記参照素子の出力に基づき、前記検知素子の出力を補正する補正手段を有し、前記補正手段は、予め、対象ガス濃度の分かっている環境下で測定した前記検知素子の出力を温度特性として近似式を求めておき、前記参照素子の出力に基づいて前記近似式により補正基準値を決定し、前記対象ガスを含んだ前記検知素子の出力と、前記補正基準値との差分をとることにより、対象ガス濃度を求める熱伝導式ガスセンサである。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to
本発明の請求項2に係わる発明は、前記検知素子は、メンブレン構造であり、前記加熱手段と、前記対象ガス濃度に応じて変化する温度を検出する感熱体を備えることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項3に係わる発明は、前記加熱手段は、パルス電圧により加熱され、前記参照素子は、前記パルス電圧が印加されていない時に環境温度を検出することを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項4に係わる発明は、前記検知素子および前記参照素子が、同一基板上に形成されていることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項5に係わる発明は、前記検知素子および前記参照素子は、薄膜サーミスタであることを特徴とする。
The invention according to
本発明により、環境温度の変化や外乱の影響によりセンサ自体の温度が変動していても、高精度で測定できる熱伝導式ガスセンサが得られる。 According to the present invention, even if the temperature of the sensor itself fluctuates due to environmental temperature changes or disturbances, a heat conduction type gas sensor that can be measured with high accuracy can be obtained.
以下、本発明における実施形態を説明する。なお、本発明の熱伝導式ガスセンサを湿度センサに適用した場合を例に説明するが、前述のように、本発明はガスの種類によって熱伝導率が異なる性質であることを利用した検出原理に基づくもので、湿度センサに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In addition, although the case where the heat conduction type gas sensor of the present invention is applied to a humidity sensor will be described as an example, as described above, the present invention is based on a detection principle utilizing the property that the thermal conductivity differs depending on the type of gas. It is based on and is not limited to humidity sensors.
図1は、本実施形態の湿度センサを説明するための断面構造図である。本実施形態による湿度センサ1は、対象ガス濃度を検出する検知素子2と、環境温度を検出するための参照素子3を有し、測定環境に暴露された同じ空間に配置される。本実施例では、セラミックパッケージ4に検知素子2と参照素子3を配置し、測定環境に暴露させるために通気口6を備えたリッド5により湿度センサ1を形成した。
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram for explaining the humidity sensor of the present embodiment. The
検知素子2は、基板7、絶縁膜8、マイクロヒータ9、マイクロヒータ保護膜10、薄膜サーミスタ電極11、薄膜サーミスタ12、薄膜サーミスタ保護膜13を備える。
The
参照素子3は、検知素子を加熱するための手段であるマイクロヒータ9を備えていない以外は検知素子2と同じである。このような構成にすることで、検知素子2と参照素子3の素子特性を同じにすることができる。すなわち、熱容量の違いによる応答時間の差がなく、環境温度の変化に対して常に同じ挙動とすることができる。
The
また、検知素子2と参照素子3は同一基板上に形成されている。これにより、同じ基板上に形成した参照素子3を使って環境温度を測定するため、検知素子2と参照素子3の温度差がなく、検知素子2の出力を精度よく補正することができる。
The
更には、検知素子2と参照素子3を隣接させて同時に形成することで、製造工程におけるばらつきも同じものとなり、素子間の特性がそろったものを作ることができる。これにより、素子間の特性がそろったものを組み合わせるといった選別工程もなくすことができる。
Furthermore, by forming the
基板7としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などが好適である。基板の表面および裏面には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの絶縁膜8が形成される。絶縁膜8として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やCVD(Chemical Vapor Deposition)による成膜法を適用すればよい。膜厚は、絶縁膜8上に形成する膜と基板との絶縁がとれ、且つキャビティ14を形成する際のエッチング停止層として機能すればよい。通常0.1〜1.0μm程度が好適である。
The
基板7には、マイクロヒータ9を高温動作させた時に、熱が基板へ伝導するのを抑制するためにマイクロヒータ9の位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ14を有している。このキャビティ14により基板が取り除かれた部分はメンブレン15と呼ばれる。メンブレン15では基板を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、非常に少ない消費電力でマイクロヒータ9を高温にすることができる。また、基板7への伝導経路が数μmの薄膜部分のみで形成された断熱構造であるため、基板7への熱伝導が小さく、効率よくマイクロヒータ9を高温にすることができる。
The
マイクロヒータ9の材質としては、薄膜サーミスタ12の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ptなどがより好適である。また絶縁膜8との密着性を向上させるためにはPtの下部にはチタン(Ti)などの密着層を形成するのが好ましい。
The material of the
図1において、ガスによるマイクロヒータ9の温度検出用の感熱体として、薄膜サーミスタ12が形成されている。薄膜サーミスタ12は薄膜サーミスタ電極11を備え、マイクロヒータ9を覆うように形成される。これによりマイクロヒータ9の温度を直接検出することができる。
In FIG. 1, a
薄膜サーミスタ12を形成するサーミスタの材質としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の温度抵抗係数を持つ材料をスパッタ法、CVDなどの薄膜プロセスを用いて形成する。膜厚は目標とするサーミスタ抵抗値に応じて調整すればよく、例えばMnNiCo系酸化物を用いて室温での抵抗値(R25)を140kΩ程度に設定するのであれば、素子の電極間の距離にもよるが0.2〜1μm程度の膜厚に設定すればよい。
As a material of the thermistor for forming the
なお、マイクロヒータ9の温度検出としては薄膜サーミスタ12が好適である。まず、薄膜の積層構造であるために、マイクロヒータ9の発熱を直上にて直接検出することができる。また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいために、検出感度を大きくすることができるためである。
A
薄膜サーミスタ12の電気信号を取り出す為に、薄膜サーミスタ電極11が形成される。薄膜サーミスタ電極11の材質としては、薄膜サーミスタ12の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料、例えば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。
In order to take out an electric signal from the
マイクロヒータ9及び絶縁膜8を覆うようにマイクロヒータ保護膜10が形成される。マイクロヒータ保護膜10としては、絶縁膜8と同じ材料であることが望ましい。マイクロヒータ9は数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、マイクロヒータ9の熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。マイクロヒータ保護膜10として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やCVDによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、マイクロヒータ9を確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みが良い。通常0.1〜3.0μm程度が好適である。
A microheater
また、薄膜サーミスタ12に、複合金属酸化物等を利用する場合においては、マイクロヒータ保護膜10は、絶縁性を有する酸化膜であることが望ましく、例えばシリコン酸化膜等が望ましい。マイクロヒータ保護膜10の上には薄膜サーミスタ12および薄膜サーミスタ電極11が形成される。マイクロヒータ保護膜10は、マイクロヒータ9の保護膜であると同時に、薄膜サーミスタ12の下地層でもあり、薄膜サーミスタ12と直接接触する。
In the case of using a composite metal oxide or the like for the
一般的に、複合金属酸化物を利用したサーミスタは、高温で還元劣化があるためサーミスタ全体を耐還元材料でコーティングする方法が知られている。即ち、サーミスタを還元性を持つ材料と接触させて高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。よって薄膜サーミスタ保護膜13においてもシリコン酸化膜等の絶縁性を有する酸化膜であることが望ましい。
In general, a thermistor using a composite metal oxide has a reduction deterioration at a high temperature. Therefore, a method of coating the whole thermistor with a reduction resistant material is known. That is, when the thermistor is brought into contact with a reducing material and brought to a high temperature state, oxygen is taken from the thermistor to cause reduction, which affects the thermistor characteristics. Therefore, the thin film thermistor
また、同様な理由により、薄膜サーミスタ電極11は薄膜サーミスタ12の基板側に形成されていることが望ましい。すなわち、マイクロヒータ9上に、絶縁層であるマイクロヒータ保護膜10を介して、薄膜サーミスタ電極11、薄膜サーミスタ12の順に積層し形成されている。つまり、薄膜サーミスタ電極11の上に薄膜サーミスタ12が形成される。一般的に、薄膜電極は、電極材料と下地との密着力を上げるために密着層が形成される。例えばクロム(Cr)やチタン(Ti)等が数nm程度の膜厚で形成される。薄膜サーミスタ12上に薄膜サーミスタ電極11が形成された場合、この密着層が直接薄膜サーミスタと接触し、サーミスタからの酸素を奪う等により酸化することで、界面抵抗が上昇し薄膜サーミスタ7の検出特性が変動してしまい好ましくない。
For the same reason, it is desirable that the thin
薄膜サーミスタ電極11、マイクロヒータ9はメンブレン15の外で、電極パッド16と接続される。電極パッド16は、ワイヤーボンド17などでセラミックパッケージ電極18などで外部の回路と電気的接続され、例えばアルミニウム(Al)や金(Au)などの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。
The thin
素子は、ウエハ状態から個片へと切断された後、ダイペースト(図示せず)を用いてパッケージ4に固定した後、電極パッド16と、パッケージ電極18を、ワイヤボンディング装置を用いて、ワイヤ17で接続する。ワイヤ17はAu、Al、Cuなど、抵抗の低い金属ワイヤが好適である。
After the element is cut from the wafer state into individual pieces, the element is fixed to the
最後に、パッケージ4と外気との通気口6を設けたリッド5を、樹脂(図示せず)を用いて固定する。この際、樹脂(図示せず)の硬化の加熱時に、樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気口6により容易にパッケージ外へ放出されるため、素子自体に悪影響を与えることはない。以上により湿度センサ1を得ることができる。
Finally, the
続いて、図2から図4を使ってガス検知動作を説明する。図2は回路構成図概略、図3は検知処理フロー図、図4はタイミングチャートを示す。 Subsequently, the gas detection operation will be described with reference to FIGS. 2 is a schematic circuit configuration diagram, FIG. 3 is a flow chart of detection processing, and FIG. 4 is a timing chart.
まず、湿度センサ1は図4に示すようにマイクロヒータ9を間欠動作、いわゆるパルス駆動により動作させる。測定タイミングは、マイクロヒータ9がOFFのタイミングにおいて参照素子3の出力Vcを検出し、ONのタイミングにおいてメンブレン15が加熱され、検知素子2の出力Vdを検出する。
First, as shown in FIG. 4, the
出力Vcは湿度の影響を受けずに環境温度にのみ影響受けて出力される値で、出力Vdは湿度と環境温度の影響を含んで出力される値である。マイクロヒータ9は、検出する対象ガスにもよるが湿度の場合は一般的に150℃以上の温度に加熱される。これは、空気の温度が低いと、湿度による空気の熱伝導率の変化が小さく、感度が低下してしまうためである。
The output Vc is a value that is output only affected by the environmental temperature without being affected by humidity, and the output Vd is a value that is output including the influence of humidity and environmental temperature. The
メンブレン15は非常に熱容量が小さいのでマイクロヒータ9がONになると直ちに所望の温度に到達し、OFFになると直ちに環境温度に戻る。湿度測定は、検知素子2の出力Vd、およびその直前に測定される参照素子3の出力Vcが測定フローの1サイクルとなる。例えば、パルス24であれば27のVcとVd、パルス25であれば28のVcとVd、パルス26であれば29のVcとVdの組み合わせが1サイクルである。
Since the
ここで、参照素子3の出力Vcはメンブレン9が加熱されていないタイミングで検出される。これは、検知素子2が隣接して形成されているので、メンブレン15が加熱されると瞬間的に熱が基板や空間(空気)を主な経路として参照素子3に伝わってしまい、正確な環境温度を測定することができないためである。即ち、空間(空気)を経路として伝わってくる熱は、空間(空気)に存在するガスの熱伝導率によって左右されるため、毎回同じではなく、これを加味した状態で測定しても正確な環境温度を測定していることにはならない。
Here, the output Vc of the
次に、図3を使って説明する。まず、図3(a)の通り、湿度センサ1は参照素子3より得た環境温度による出力Vcから、検知素子2のマイクロヒータ9に印加する電圧を制御する。即ち、メンブレン15の加熱時の温度は環境温度の影響を受けて変動するので、定電圧や定電流で加熱した場合はメンブレン加熱温度が安定しない。これに対し、環境温度を基準にしてマイクロヒータ9に印加する電圧を都度制御することで常に所望の安定した加熱を実現することができる。図6はその関係を示し、予め環境温度と印加電圧の関係式を作っておき、これに基づきマイクロヒータ9の印加電圧が決定される。
Next, a description will be given with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3A, the
なお、本実施形態においてマイクロヒータ9は一定の消費電力で加熱するように駆動させた。即ち、マイクロヒータ9を例えば正の温度係数をもつ白金(Pt)で形成した場合、環境温度が高くなるとマイクロヒータ9の抵抗も環境温度に追従して上昇するため、ある一定の消費電力にするために印加電圧は高く調整される。逆に環境温度が低くなるとマイクロヒータ9の抵抗も環境温度に追従して低くなるため、ある一定の定消費電力にするために印加電圧は低く調整される。
In the present embodiment, the
例えば、図4のパルス24、25、26、およびそれに続くパルス(図示せず)はその時分における環境温度によりマイクロヒータ9に印加される電圧が調整される。本実施形態におけるマイクロヒータ9においては、パルス24のタイミングでの環境温度に対して、パルス25のタイミングで環境温度が高い場合には印加電圧は高い値に調整され、また、パルス24のタイミングに対して、パルス26のタイミングで環境温度が低い場合には印加電圧は低い値に調整される。これにより、定電流または定電圧で加熱する場合に課題となった、環境温度の変動の影響を受けて加熱温度も変動してしまい所望の温度に安定制御できないといった問題が、本発明によれば解決される。
For example, in the
次に、図3(b)の通り、マイクロヒータ9によって加熱された状態で検知素子2の出力Vdを検出する。この出力Vdは湿度と環境温度の影響を含んで出力される値であり、この出力Vdから環境温度分を補正する必要がある。
Next, as shown in FIG. 3B, the output Vd of the
これと並行して、図3(e)の通り、参照素子3より得た環境温度による出力Vcから、図3(b)で検出した出力Vdを補正するための補正基準値Vrefが演算される。ここで補正基準値Vrefについて詳細に説明する。ここでは、対象ガス濃度0%の環境下で測定した例で説明する。
In parallel with this, as shown in FIG. 3 (e), a correction reference value Vref for correcting the output Vd detected in FIG. 3 (b) is calculated from the output Vc based on the ambient temperature obtained from the
補正基準値Vrefはある環境温度における湿度の影響を含まない出力Vd(0)のことである。ここで、湿度の影響を含んだ出力Vdと説明の便宜上区別するためにVd(0)と表記する。Vd(0)は湿度0%RHまたは湿度0g/m3環境で測定して得られた出力Vdを意味している。湿度センサ1は予め湿度0%RHまたは湿度0g/m3環境下において測定され、環境温度と出力Vd(0)の関係を近似式で求めておく。図5中の(a)。
The correction reference value Vref is an output Vd (0) that does not include the influence of humidity at a certain environmental temperature. Here, in order to distinguish the output Vd including the influence of humidity from the convenience of explanation, it is expressed as Vd (0). Vd (0) means an output Vd obtained by measurement in a humidity 0% RH or humidity 0 g /
参照素子3より得た環境温度による出力Vcを、先に求めた出力Vd(0)の近似式に代入し、ある環境温度t0での補正基準値Vrefを決定する。この湿度センサ1は湿度が含まれている環境下で測定した場合は、湿度による空気の熱伝導の違いによる出力変化を伴い、出力Vdを得ることになる。図5中の(b)。この図5中の(a)、(b)の差分ΔVが湿度による出力変化分であり、ある温度t0での出力Vd(t0)と補正基準値Vrefの差分を取ることにより環境温度分が補正され、湿度のみによる温度変化分ΔVを求めることができる。図3(c)。この差分演算結果と、参照素子3より得た環境温度による出力Vcを使って演算することにより、相対湿度や絶対湿度を算出することができる。図3(d)。
The output Vc at the ambient temperature obtained from the
この時も、隣接形成された参照素子3の温度情報を基準にして演算処理される。図3(f)。即ち、同一基板上に形成された温度センサは、検知素子2との温度分布がなくその時分における正確な温度を示している。この温度を演算処理における全ての基準にすることで、より正確なマイクロヒータ9の印加電圧、補正基準値Vrefの算出、湿度算出が可能となる。
Also at this time, the calculation processing is performed based on the temperature information of the adjacently formed
また、実際に使用する湿度センサ1を使って予め出力Vd(0)の近似式を求めることが重要である。即ち、代表値として同じ形態の湿度センサを使って出力Vd(0)を求め使用した場合、個々のセンサ特性のばらつきにより精度よく湿度算出することができないが、同じ湿度センサ1を使うことによりこのような問題も発生しない。
It is also important to obtain an approximate expression of the output Vd (0) in advance using the
続いて図2の回路構成概略図を用いて説明する。湿度センサ1を構成する検知素子2、参照素子3はセラミックパッケージ電極18を介してそれぞれ外部の固定抵抗R2、R1と接続されブリッジ回路を構成する。
Next, description will be made with reference to the schematic circuit configuration diagram of FIG. The
固定抵抗R2、R1は同じ抵抗値である必要はなく、ハーフブリッジ回路を構成する参照素子3の抵抗値Rc、検知素子2の抵抗値Rdにおいて、出力Vc、出力Vdがそれぞれ大きくとれるような値に個々に調整することができる。これにより、それぞれ感度の高い測定が可能になるため、高精度なセンサを得ることができる。例えば、参照素子3は使用される環境温度域において扱いやすい抵抗値であればよく数キロΩから数百キロΩ程度が最適である。これは、抵抗値が小さ過ぎると素子に流れる電流値が大きくなり、結果として消費電力が大きくなってしまうためである。また、逆に大き過ぎると信号にノイズを含みやすくなる。一方、検知素子2においては、加熱されている時の抵抗値が扱いやすい値に調整し、例えば200℃に加熱するのであれば、200℃で数キロΩ〜数百キロΩ程度になるような設計にするのが最適である。
The fixed resistors R2 and R1 do not have to have the same resistance value, and the resistance value Rc of the
そして、参照素子3の出力Vcがボルテージフォロワ19、アナログデジタルコンバータ20を介してマイクロプロセッサ23に入力される。マイクロプロセッサ23には予めVd(0)の近似式がメモリされており、参照素子3の出力Vcに応じてマイクロヒータ9への印加電圧、補正基準値Vrefが演算される。演算値はデジタルアナログコンバータ22を介して、マイクロヒータ9、および増幅回路21へ出力される。
The output Vc of the
そして、マイクロヒータ9が電圧印加され、検知素子2のメンブレン15を加熱する。このタイミングにおいて出力Vdを検出する。その後、出力Vdは増幅回路21に入力され、補正基準値Vrefと演算処理される。ここで環境温度分による影響を補正し、湿度の影響のみによる出力変化ΔVを求める。また、この信号はマイクロプロセッサ23に入力され、先の出力Vcから環境温度を算出し、それを基に相対湿度や絶対湿度が算出される。
A voltage is applied to the
(実施例)
本発明の実施形態に基づく湿度センサの出力特性を開示する。図7は図2の回路におけるある時分ta、tb、tcにおける各出力波形を、表1は図7における出力値である。
taの時を35℃30%RH(11.88g/m3)、tbの時を25℃50%RH(11.50g/m3)、tcの時を15℃90%RH(11.52g/m3)に設定した環境に湿度センサ1を入れて測定した。なお予め補正基準値Vrefを決定するための出力Vd(0)を湿度0%の環境下で測定し、温度との関係を二次関数(数式1)の近似式として得、その時の係数a、b、cを表2に示す。
(Example)
The output characteristic of the humidity sensor based on embodiment of this invention is disclosed. FIG. 7 shows output waveforms at certain times ta, tb, and tc in the circuit of FIG. 2, and Table 1 shows output values in FIG.
When ta, 35 ° C 30% RH (11.88 g / m3), when tb, 25 ° C 50% RH (11.50 g / m3), and when tc, 15 ° C 90% RH (11.52 g / m3) The
なお、出力Vdと補正基準値Vrefにより演算処理された、湿度の影響のみによる出力ΔVは、温度特性を有し図8のように二次関数(数式1)の近似式で表される。15℃、25℃、35℃の時の近似式における係数a、b、cを表2に合わせて示す。
また、出力Vcから薄膜サーミスタ12のB定数を使うことで環境温度を算出し、各温度での二次関数を利用することで湿度を算出した。
Note that the output ΔV based only on the influence of humidity, which is calculated by the output Vd and the correction reference value Vref, has temperature characteristics and is expressed by an approximate expression of a quadratic function (Expression 1) as shown in FIG. The coefficients a, b, and c in the approximate expression at 15 ° C., 25 ° C., and 35 ° C. are shown together in Table 2.
The ambient temperature was calculated from the output Vc by using the B constant of the
ta時の出力は、設定値11.88g/m3に対して11.76g/m3であった。tb時の出力は、設定値11.50g/m3に対して11.43g/m3であった。tc時の出力は、設定値11.52g/m3に対して11.55g/m3であった。以上の通り、環境温度の変化や外乱の影響によりセンサ自体の温度が変動していても、高精度で測定できる熱伝導式ガスセンサを提供することができた。 The output at the time of ta was 11.76 g / m3 with respect to the set value of 11.88 g / m3. The output at tb was 11.43 g / m3 with respect to the set value of 11.50 g / m3. The output at tc was 11.55 g / m3 with respect to the set value of 11.52 g / m3. As described above, it is possible to provide a heat conduction type gas sensor that can measure with high accuracy even when the temperature of the sensor itself fluctuates due to the change of environmental temperature or the influence of disturbance.
本発明は、ガスの熱伝導の変化からガス濃度を検出する熱伝導式ガスセンサに好適である。 The present invention is suitable for a heat conduction type gas sensor that detects a gas concentration from a change in gas heat conduction.
1 湿度センサ
2 検知素子
3 参照素子
4 セラミックパッケージ
5 リッド
6 通気口
7 基板
8 絶縁膜
9 マイクロヒータ
10 マイクロヒータ保護膜
11 薄膜サーミスタ電極
12 薄膜サーミスタ
13 薄膜サーミスタ保護膜
14 キャビティ
15 メンブレン
16 電極パッド
17 ワイヤー
18 セラミックパッケージ電極
19 ボルテージフォロワ
20 アナログデジタルコンバータ
21 増幅回路
22 デジタルアナログコンバータ
23 マイクロプロセッサ
24、25、26 パルス
DESCRIPTION OF
Claims (5)
The heat conduction type gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection element and the reference element are thin film thermistors.
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