JP2016050825A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】感温抵抗素子とヒータを用いたガスセンサにおいて加熱による経時変化の影響を簡易な構成で低減することが可能なガスセンサ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに対象ガスを検出するセンサであって、対象ガスによる温度変化を測定する第１の感熱素子と前記第１の感熱素子を加熱する第１のヒータと、環境による温度変化を測定する第２の感熱素子と前記第２の感熱素子を加熱する第２のヒータとを備え、前記第１、第２の感熱素子は直列に接続されており、前記第１、第２のヒータにより前記第１、第２の感熱素子を加熱し、前記第１の感熱素子の温度変化を測定する第１の測定、前記第2の感熱素子の温度変化を測定する第２の測定を行う。

【選択図】図２

Description

本発明は、感熱素子とヒータ（加熱用抵抗素子）を用いて、対象ガスを検知するガスセンサに関するものである。

対象ガスを検知する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感熱素子をヒータで加熱した状態にし、感熱素子の抵抗値が大気と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検知するものである。空間の温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料、Ｐｔなど金属を用いた測温体を感熱素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。

特許文献１では、ブリッジ回路を用いたガス検出素子で周囲温度に対する補正を第３の素子ではなく負荷抵抗および可変抵抗あるいは差動増幅器を組み合わせた構成のガスセンサが提案されている。

特許文献２では、発熱抵抗体を用いた流量測定装置において経時劣化や流体の温度変化を補正するために、二つの発熱抵抗体のハーフブリッジの差分を算出し、それを用いた定数で演算することが提案されている。

特開平９−１７８６８７号公報 特開２００４−４１３２号公報

しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献１では、ガス検出素子の出力を外付けの可変抵抗または差動増幅器を付加し、可変抵抗による分圧比または差動増幅器の増幅率を調整する必要があり、回路構成および演算処理が複雑になる。

特許文献２の構成では発熱抵抗体から得られた信号を複数の演算処理により行う必要があり、回路構成が複雑になることが問題となる。

そこで本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、感熱素子とヒータを用いて、対象ガスを検知するガスセンサにおいて、ヒータによる加熱による感熱素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を複雑な回路を用いることなく、簡易な構成で低減することが可能なガスセンサ素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係わるガスセンサは、空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに対象ガスを検出するセンサであって、対象ガスによる温度変化を測定する第１の感熱素子と前記第１の感熱素子を加熱する第１のヒータと、環境による温度変化を測定する第２の感熱素子と前記第２の感熱素子を加熱する第２のヒータとを備え、前記第１、第２の感熱素子は直列に接続されており、前記第１、第２のヒータにより前記第１、第２の感熱素子を加熱し、前記第１の感熱素子の温度変化を測定する第１の測定、前記第2の感熱素子の温度変化を測定する第２の測定を行うことを特徴とするガスセンサである。

本発明の請求項２に係わる発明は、前記第１の感熱素子の測定は前記第１のヒータが加熱されている状態で行い、前記第２の感熱素子の測定は前記第１、第２のヒータが加熱されていない状態で行い、前記第１、第２のヒータへの印加電力の積算量がおおよそ等しいことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサである。

本発明の請求項３に係わる発明は、前記第１の感熱素子の加熱が行われている状態では、前記第２の感熱素子の加熱が行われないことを特徴とする請求項１から２に記載のガスセンサである。

本発明の請求項４に係わる発明は、前記第１の測定は、前記第１のヒータ通電後の一定時間後に前記第１のヒータにより加熱された状態で行い、前記第２の測定は、前記第２のヒータ通電停止後の一定時間後に前記第２のヒータにより加熱されていない状態で行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスセンサである。

本発明の請求項５に係わる発明は、前記第１および第２のヒータによる加熱はパルス電圧の印加により行い、パルス電圧の印加時間は、印加していない時間より短いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスセンサである。

本発明の請求項６に係わる発明は、前記第１の感熱素子の前記第１のヒータにより加熱された時の抵抗値と、前記第２の感熱素子の前記第２のヒータにより加熱されていないときの抵抗値は、おおよそ等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガスセンサである。

本発明の請求項７に係わる発明は、前記第１、第２の感熱素子はメンブレン構造の上に形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスセンサである。

本発明の請求項８に係わる発明は、前記第１、第２の感熱素子が形成された基板と、前記基板の同一基板上に環境温度を検知するための第3の感熱素子を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のガスセンサである。

第１の感熱素子と環境温度を測定する第２の感熱素子の双方に熱的負荷を加えることにしたので、感熱素子の経時変化による影響を低減することができる。

第１の感熱素子と環境温度を測定する第２の感熱素子の双方におおよそ同量の熱的負荷を加えることにしたので、感熱素子の経時変化による影響をさらに低減することができる。

第１の感熱素子と環境温度を測定する第２の感熱素子を加熱することにしたので、空間への熱的影響を低減することができる。

感熱素子へのヒータの加熱が安定した状態になるので、安定して空間温度の測定を行うことができる。

第１および第２のヒータによる加熱はパルス電圧の印加により行い、パルス電圧の印加時間は、印加していない時間より短くしたので、感熱素子への加熱による熱的負荷をより低減することができる。

第１の感熱素子の前記第１のヒータにより加熱された時の抵抗値と、第２の感熱素子の前記第２のヒータにより加熱されていないときの抵抗値は、おおよそ等しくしたので、ブリッジ回路からの出力電圧がおおむね中点になることで信号処理を容易に行うことができる。

メンブレン構造により感熱素子の熱容量を下げることにしたので、ヒータの加熱効果を効率的に得ることができる。

更なる基準素子を用いることで第２の感熱素子の誤差を補正することができる。

実施形態におけるガスセンサの構造断面図である。 実施形態におけるガスセンサの等価回路図である。 実施形態におけるガスセンサの動作タイミングチャートである。 実施形態におけるガスセンサの回路構成図概略である。 実施形態におけるガスセンサの測定フローチャートである。 第２の実施形態におけるガスセンサの等価回路図である。 第２の実施形態におけるガスセンサの回路構成図概略である。 第２の実施形態におけるガスセンサの測定フローチャートである。 実施例におけるセンサ駆動条件である。 実施例２におけるセンサ駆動条件である。 実施例におけるセンサ測定結果である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のガスセンサを説明するための断面構造図である。本実施形態によるガスセンサ１は、対象ガスによる温度変化を検出する第１の感熱素子２と、第１の感熱素子２の基準抵抗となる第２の感熱素子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に第１の感熱素子２と第２の感熱素子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によりガスセンサ１を形成した。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。

第１の感熱素子２は、基板７、絶縁膜８、第１のヒータ９Ａ、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。

第２の感熱素子３は第１の感熱素子２と素子抵抗値を除き、同様に構成されている。このような構成にすることで、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３の抵抗値以外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。

また、第１の感熱素子２と第２の感熱素子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第２の感熱素子３を使って環境温度を測定するため、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３の温度差がなく、第１の感熱素子２の出力の基準抵抗とすることができる。

更には、第１の感熱素子２と第２の感熱素子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を低減することが出来るので、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をなくすことができる。

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。

基板７には、第１のヒータ９Ａ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第１のヒータ９Ａ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１５Ａと呼ばれる。メンブレン１５Ａ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第１のヒータ９Ａ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、効率よく第１のヒータ９Ａを高温にすることができる。

第１のヒータ９Ａ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。

図１において、ガスによる第１のヒータ９Ａ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、第１のヒータ９Ａを覆うように形成される。これにより第１のヒータ９Ａの温度を直接検出することができる。

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抵抗温度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。

なお、第１のヒータ９Ａ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、ヒータ９Ａ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。

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。

ヒータ９Ａ及び絶縁膜８を覆うようにヒータ保護膜１０が形成される。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。ヒータ９Ａ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、ヒータ９Ａの熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。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、ヒータ９Ａ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。

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、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、シリコン窒化膜等が望ましい。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。ヒータ保護膜１０は、ヒータ９Ａ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。

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。

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、ヒータ９Ａ上に、絶縁層であるヒータ保護膜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。

薄膜サーミスタ電極１１、ヒータ９Ａはメンブレン１５Ａの外で、電極パッド１６と接続される。電極パッド１６は、ワイヤーボンドなどでセラミックパッケージ電極１８などを通して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。

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。

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。以上によりガスセンサ１を得ることができる。

図２はガスセンサ１の等価回路図である。ガスセンサ１は第１の感熱素子２と前記第１の感熱素子２を加熱する第１のヒータ９Ａと、第１の感熱素子２の基準抵抗となる第２の感熱素子３と第２のヒータ９Ｂで構成され、前記、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３は直列に接続される。すなわち第１の感熱素子２と第２の感熱素子３はハーフブリッジ回路に構成され、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３の中点電圧を測定することにより各々の感熱素子により温度変化を検出する。第１の感熱素子２への加熱は第１のヒータ９Ａで行い、第２の感熱素子３への加熱は第２のヒータ９Ｂにより行い、ヒータ９Ａ、９Ｂは各々独立に制御し駆動するよう構成されている。

続いて、図３を使ってガス検知動作を説明する。図３は本実施形態におけるガスセンサのタイミングチャートである。ガスセンサ１は図３に示すように第１のヒータ９Ａおよび第２のヒータ９Ｂ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、第１の感熱素子２を加熱する第１のヒータ９ＡがＯＮのタイミングにおいてメンブレン１５Ａが加熱されており、一方で第２の感熱素子３は加熱する第２のヒータ９ＢがＯＦＦに設定されている。その時の電圧出力Ｖｄ１は第１の感熱素子２によりガスによる空間温度変化に相当する。

第１のヒータ９Ａは、検出する対象ガスにもよるが例えば湿度（水蒸気）であれば一般的に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。

メンブレン１５Ａ、１５Ｂは非常に熱容量が小さいのでヒータ９Ａ、９Ｂ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。

感熱素子３を加熱する第２のヒータ９ＢをＯＮにすることでメンブレン１５Ｂを加熱する。この時、第１の感熱素子２は加熱されない状態とする。測定フローの１サイクルは第１、第２のヒータ９Ａ、９ＢがＯＦＦの状態でＶｄ２を検出、第１のヒータ９ＡがＯＦＦの状態で第２のヒータ９ＢがＯＮされた後、第1のヒータ９ＡがＯＮされＶｄ１の検出、ヒータ９ＡがＯＦＦされる。

図４は本実施形態におけるセンサ素子および回路構成図概略、図５は実施形態におけるガスセンサの測定フローチャートである。図４に示すようにガスセンサ素子及び検知装置５０は、第１の感熱素子２、第２の感熱素子３、第１のヒータ９Ａ、第２のヒータ９Ｂ、ＭＰＵ５１、Ａ／Ｄコンバータ５２、Ｄ／Ａコンバータ５３、アンプ５４、電源５５で構成される。第１の感熱素子２と第２の感熱素子３は直列接続されており、図３および図５に示した動作タイミング、測定フローチャートによりＶｄ１、Ｖｄ２信号を出力する。Ｖｄ２信号は環境温度の変化を示しており、周囲温度は第１の感熱素子２と第２の感熱素子３の変化として出力されるＶｄ２をＡ／Ｄ変換しＭＰＵ５１に於いて算出する。第１のヒータ９Ａと、第２のヒータ９Ｂには、メンブレン１５Ａとメンブレン１５Ｂとが周囲温度に影響されずに、予め定められた特定の温度に加熱されるようにＭＰＵ５１で制御されたパルス電圧が印加される。Ｖｄ１信号はガスによる変化を示しており、Ｖｄ２信号より得た基準電圧をもとにアンプを通してＭＰＵに出力され、ガス濃度に換算される。

図５を基に、実施形態１に於けるガスセンサによるガス濃度の検出手順について説明する。

ステップ１０１で、第１のヒータ９Ａと第２のヒータ９Ｂへの通電を行わない状態で第１の感熱素子２と第２の感熱素子３から構成されるブリッジ回路からの出力信号Ｖｄ２を検出し、ＭＰＵ５１に取り込む。

ステップ１０２にて、ステップ１０１で取り込んだ出力信号Ｖｄ２の値よりガスセンサが配置されている環境温度を算出する。

ステップ１０３にて、ステップ１０１で取り込んだ出力信号Ｖｄ２の値とステップ１０２で求めた環境温度とを基に、出力信号Ｖｄ１に対する基準信号Ｖｒｅｆを演算で求める。

ステップ１０４で、第１のヒータ９Ａと第２のヒータ９Ｂへの通電・制御を行う。この通電により、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３が制御されたタイミングで交互に加熱される。

ステップ１０５で、第１のヒータ９Ａに通電が行われ、第１の感熱素子２が加熱されているタイミングで、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３から構成されるブリッジ回路からの出力信号Ｖｄ１を検出し、ＭＰＵ５１に取り込む。

ステップ１０６、１０７にて、出力信号Ｖｄ１と出力信号Ｖｄ２との差分ΔＶを演算することにより、環境下に於けるガス濃度が求められる。

第１のヒータ９Ａへの通電と第２のヒータ９Ｂへの通電による積算電力は等しくすることがより好ましい。例えばヒータ９Ａ，９Ｂの設定抵抗値を同じとし、印可電圧、ＯＮ時間を等しく設定することで積算電力を等しくすることが出来る。これにより第１の感熱素子２と第２の感熱素子３の検知材料への熱的負荷を揃えることが出来、感熱素子の経時変化による影響をさらに低減することが出来る。

第１のヒータ９Ａへの通電と第２のヒータ９Ｂへの通電を同時に行わない状態で信号を検出することにより第２の感熱素子３を第１の感熱素子２の基準抵抗として用いることが出来る。また２つのヒータを同時に通電することによる空間への熱影響を低減することが出来る。

第１の感熱素子２の測定は第１のヒータ９Ａ通電後の一定時間後にヒータ９Ａが加熱されている状態で行われ、第２の感熱素子３の測定は第２のヒータ９Ｂ停止後の一定時間後に加熱されていない状態で行うことが望ましい。これにより検知素子が熱的に安定な状態で信号を測定することが出来る。

第１および第２のヒータへのパルス電圧の印加時間は印加していない時間より短くすることが望ましい。これにより感熱素子への熱的負荷をより低減することが出来る。

第１の感熱素子２の第１のヒータ９Ａで加熱された時の抵抗値と、第２の感熱素子３の第２のマイクロヒータ９Ｂで加熱されていないときの抵抗値はおおよそ等しいことが望ましい。これにより検出した電圧が測定電圧の中点近傍となることで測定レンジを広くとることが出来る。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のガスセンサを説明するための等価回路図である。本実施形態によるガスセンサ１は、対象ガス濃度を検出する第１の感熱素子２と、第１の感熱素子２の基準抵抗および周囲環境温度を検出する第２の感熱素子３を有する部分は同じであり、同一基板上に環境温度を検知するための第３の感熱素子２０を備えたことが異なる。別の感熱素子を用いることで第２の感熱素子３の出力信号と比較することが出来、検出誤差を補正することができる。

図７は第２の実施形態におけるガスセンサの回路構成図概略である。図７に示すようにガスセンサ素子及び検知装置５０は、第3の感熱素子２０および基準抵抗２１の中点から出力される信号Ｖｄ３がＡ／Ｄコンバータ５２からＭＰＵ５１で換算され、Ｖｄ１を比較することで環境温度を補正することが出来るので、ヒータ９Ａ、９Ｂへの電源への制御信号をより精度よく制御することが可能になる。

図８は第２の実施形態におけるガスセンサの測定フローチャートである。環境温度による出力Ｖｄ２を取り込んだのち、環境温度を算出する。それとは別に第3の感熱素子２０および基準抵抗２１から得られる信号Ｖｄ３を取り込み、Ｖｄ２から得られた信号と比較することで補正基準値Ｖｒｅｆを設定する。この信号によるヒータ９Ａ、９Ｂが制御される。その後ガス検知信号Ｖｄ１を取り込むことで演算によりガス濃度を算出する。
別の感熱素子を用いることで第２の感熱素子３の出力信号と比較することが出来、検出誤差を補正することができる。

図８を基に、実施形態２に於けるガスセンサによるガス濃度の検出手順について説明する。

ステップ２０１で、第１のヒータ９Ａと第２のヒータ９Ｂへの通電を行わない状態で第１の感熱素子２と第２の感熱素子３から構成されるブリッジ回路からの出力信号Ｖｄ２を検出し、ＭＰＵ５１に取り込む。

ステップ２０２で、同一基板上に環境温度を検知するために用意された第3の感熱素子２０の出力信号Ｖｄ３を検出し、ＭＰＵ５１に取り込む。

ステップ２０３にて、ステップ２０１及び２０２で取り込んだ出力信号Ｖｄ２、Ｖｄ３の値よりガスセンサが配置されている環境温度を算出する。

ステップ２０４にて、ステップ２０１で取り込んだ出力信号Ｖｄ２の値とステップ２０３で求めた環境温度とを基に、出力信号Ｖｄ１に対する基準信号Ｖｒｅｆを演算で求める。

ステップ２０５で、第１のヒータ９Ａと第２のヒータ９Ｂへの通電・制御を行う。この通電により、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３が制御されたタイミングで交互に加熱される。

ステップ２０６で、第１のヒータ９Ａに通電が行われ、第１の感熱素子２が加熱されているタイミングで、第１の感熱素子２と第２の感熱素子３から構成されるブリッジ回路からの出力信号Ｖｄ１を検出し、ＭＰＵ５１に取り込む。

ステップ２０７にて、出力信号Ｖｄ１と出力信号Ｖｄ２との差分ΔＶを演算することにより、環境下に於けるガス濃度が求められる。

本発明におけるガスセンサ素子１は第１の感熱素子２、第２の感熱素子３で構成されており、感熱素子２，３はＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタであり、温度が上昇すると抵抗値が下がる特徴を持っている。ＮＴＣサーミスタの温度に対する抵抗値は近似的に以下の式（数式１）で表すことが出来る。
（数式１）
R_TH=R_0 exp{B(1/T-1/T_0 )}
式中のＲＴＨは温度Ｔに於けるサーミスタの抵抗値、Ｒ０は温度Ｔ０に於けるサーミスタ抵抗値で、Ｂは温度ＴとＴ０に於けるサーミスタ抵抗値ＲＴＨ、Ｒ０の関係を表す定数である。第１の感熱素子２は、２５℃で２０００ｋΩを示し、１５０℃で６５ｋΩを示し、Ｂ定数は３４００である。第２の感熱素子３は、２５℃で６５ｋΩを示し、１５０℃で２．２ｋΩを示し、Ｂ定数は３４００である。第１の感熱素子２の加熱時の抵抗値と第２の感熱素子の非加熱時の抵抗値はおおよそ等しくなっている。

第１の感熱素子２の第１のヒータ９Ａ、第２の感熱素子３の第２のヒータ９Ｂは白金抵抗であり、パルス電圧が印加されることでジュール熱により発熱する。第１のヒータ９Ａ、第２のヒータ９Ｂの抵抗値１３４Ωであり、パルス電圧の立ち上り部の電圧の１．５Ｖが印加されることで、第１の感熱素子２、第３の感熱素子３をそれぞれ１５０℃に加熱する。以上の関係をまとめた表を図９に示す。

第１の感熱素子２の第１のヒータ９Ａ、第２の感熱素子３の第２のヒータ９Ｂへの通電サイクルは図３に示すように、おのおののヒータに３００ｍｓｅｃ．ＯＮしたのち、６００ｍｓｅｃ．ＯＦＦする状態を３００ｍｓｅｃ．ずらすことにより行った。これにより第１の感熱素子２と第２の感熱素子３へのヒータ９Ａ、９Ｂによる印加電力を等しくした。

Ｖｄ１の信号検出は第１の感熱素子２のヒータ９ＡをＯＮ後２００ｍｓｅｃ．、Ｖｄ２の信号検出は第１の感熱素子２のヒータ９ＡをＯＦＦ後２００ｍｓｅｃ．後に行った。測定サイクルはヒータＯＮごとに行った。以上の関係をまとめた表を図９に示す。

感熱素子が１５０℃に加熱されることで、感熱素子に経時変化が起こる。その出力電圧変化への影響を図１１に示した。

比較１として第２の感熱素子３の代わりに基準抵抗として抵抗値６５ｋΩの固定抵抗を用いて、中点電圧の初期値からの変化量を比較した。感熱素子を使用した測定が行われると、第１の感熱素子２が第１のヒータ９Ａに印加されるパルス電圧により１５０℃に加熱され、測定が長時間行われることで、加熱される時間が積算されて行く。それにより、固定抵抗を用いた比較例では第１の感熱素子２に経時変化が起こり、検知出力（Ｖｄ）に出力電圧変化が生じることになる。０ｈでの誤差を０.０％とすると、９６ｈで０．８６％、５００ｈで２．２７％、１０００ｈで２．８１％の誤差が生じることになる。

実施例１では第１のヒータ９Ａ、第２のヒータ９Ｂにより第１の感熱素子２、第２の感熱素子３に同じく経時変化が起こるため、検知出力（Ｖｄ）への影響は低減されることになる。同様に０ｈでの誤差を０.０％とすると、９６ｈで０．０７％、５００ｈで０．０９％、１０００ｈで０．０９％と経過時間による感熱素子への影響が低減されていることがわかる。以上によりセンサの誤差を低減したガスセンサ素子を提供することを示した。

実施例２においても第１の感熱素子２、第２の感熱素子３による経時変化の影響による出力変化による影響は同様に０．０９％であった（図示せず）。第３の感熱素子２０は固定抵抗と接続されておりブリッジ回路の中点電圧Ｖｄ３から環境温度を測定しているのでこの信号と比較補正することでより正確な温度換算、ガス濃度換算を行うことが出来る。

本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。

１湿度センサ
２第１の感熱素子
３第２の感熱素子
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
９Ａ、９Ｂ ヒータ
１０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
１５Ａ、１５Ｂ 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
２０第３の感熱素子
５０検知装置
５１ＭＰＵ
５２Ａ／Ｄコンバータ
５３Ｄ／Ａコンバータ
５４アンプ
５５電源

Claims (8)

1. 空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに対象ガスを検出するセンサであって、対象ガスによる温度変化を測定する第１の感熱素子と前記第１の感熱素子を加熱する第１のヒータと、環境による温度変化を測定する第２の感熱素子と前記第２の感熱素子を加熱する第２のヒータとを備え、前記第１、第２の感熱素子は直列に接続されており、前記第１、第２のヒータにより前記第１、第２の感熱素子を加熱し、前記第１の感熱素子の温度変化を測定する第１の測定、前記第2の感熱素子の温度変化を測定する第２の測定を行うことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第１の測定は前記第１のヒータにより加熱された状態で行い、前記第２の測定は前記第１、第２のヒータにより加熱されていない状態で行い、前記第１、第２のヒータへの印加電力の積算量がおおよそ等しいことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記第１の感熱素子の加熱が行われている状態では、前記第２の感熱素子の加熱が行われないことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 前記第１の測定は、前記第１のヒータ通電後の一定時間後に前記第１のヒータにより加熱された状態で行い、前記第２の測定は、前記第２のヒータ通電停止後の一定時間後に前記第２のヒータにより加熱されていない状態で行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記第１および第２のヒータによる加熱はパルス電圧の印加により行い、パルス電圧の印加時間は、印加していない時間より短いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記第１の感熱素子の前記第１のヒータにより加熱された時の抵抗値と、前記第２の感熱素子の前記第２のヒータにより加熱されていないときの抵抗値は、おおよそ等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記第１、第２の感熱素子、前記第１、第２のヒータはメンブレン構造の上に形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記第１、第２の感熱素子が形成された基板と、前記基板の同一基板上に環境温度を検知するための第3の感熱素子を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
   

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