JP2017009472A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置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基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧を印加するＤ／Ａ変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、演算処理を行うＭＰＵとを有するガス検出装置であって、前記ＭＰＵは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記Ａ／Ｄ変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する演算手段と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、感温抵抗素子と発熱体を用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に関するものである。

対象ガスを検出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。感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中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出するものである。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温抵抗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。

測定対象ガスを正確に検出するためには、感温抵抗素子の値を読み出し時に於いて、測定対象ガスを検出する感温抵抗素子を毎回一定温度で加熱する必要がある。

しかし、環境温度が変化すると、環境温度の変化分だけ感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度に対して、より高温又は、低温で加熱されることになる。加熱温度が変化すると、その温度変化分だけ、大気及び対象ガスの熱伝導率が変化するため、感温抵抗素子は、誤った値を検出することになる。

図１０は、従来に於けるガスセンサ５１の構造断面図である。ガスセンサ５１は、測定対象のガス濃度を検出する第１の感温抵抗素子５２及び発熱体５４と、環境温度を検出する第２の感温抵抗素子５３とを有し、測定環境に暴露された空間に配置される。セラミックパッケージ５８に第１の感温抵抗素子５２及び発熱体５４と、第２の感温抵抗素子５３とを配置し、測定環境に暴露させるために通気孔５６を備えたリッド５５によりガスセンサ５１を形成している。第１の感温抵抗素子５２及び第２の感温抵抗素子５３は、ダイペースト（図示せず）等でセラミックパッケージ５８に固定され、その後、ボンディングワイヤ６６により第１の感温抵抗素子５２及び第２の感温抵抗素子５３の電極パッド６５と、セラミックパッケージ５８に固定されたセラミックパッケージ電極６７とを接続する。次にリッド５５をセラミックパッケージ５８に接着剤（又は溶接等）により固定している。

第１の感温抵抗素子５２は、基板５７、薄膜サーミスタ電極６１、薄膜サーミスタ膜６２、薄膜サーミスタ保護膜６３とで構成されている。また、発熱体５４は、発熱体保護膜６０を挟んで第１の感温抵抗素子５２の背面に配置されている。発熱体５４は、薄膜サーミスタ膜６２を加熱するためのものである。

第２の感温抵抗素子５３は、第１の感温抵抗素子５２を加熱するための発熱体５４を備えていない以外は第１の感温抵抗素子５２と同じ構成である。

図１１は、従来に於けるガス検出装置７１の回路構成である。第１の感温抵抗素子５２と第２の感温抵抗素子５３に対して、基準抵抗７２、７３とをそれぞれ直列に接続することにより、ブリッジ回路を構成しており、第１の感温抵抗素子５２の抵抗値が大気中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出している。

特開２０１０−９１２９９号公報

図１２は、第１の感温抵抗素子５２の薄膜サーミスタ膜６２の加熱温度に対する環境温度変化への影響度を示したグラフであり、Ｘ軸にガスセンサが配置されている環境の温度を、Ｙ軸に薄膜サーミスタ膜６２の加熱温度及び、第１の感温抵抗素子５２を加熱する発熱体５４に加える電力による加熱温度の換算値を発熱体加熱温度として取ったものである。このグラフでは、環境温度が２５℃の時に薄膜サーミスタ膜６２が１５５℃で加熱されるように発熱体５４に対する加熱温度を、発熱体５４に印加するヒータ電圧の振幅で調整したものである。尚、図中の発熱体温度のグラフは、１．４Ｖのヒータ電圧を発熱体６２に印加したときのグラフである。

しかし、環境温度が変化すると、その温度変化を受けて発熱体の抵抗値が変化する（白金測温体の場合は、環境温度の上昇とともに抵抗値も大きくなる）ため、薄膜サーミスタ膜６２を加熱する発熱体５４を加熱するために加えられる電力量が変化することにより、発熱体５４を加熱する温度が変動することとなる。また、薄膜サーミスタ膜６２は、発熱体５４を加熱するヒータ電圧による加熱分が、環境温度に上乗せされた温度で加熱されているために、環境温度の変化の影響も直接受けることとなる。図１２のグラフでは、環境温度が６０℃になると、薄膜サーミスタ膜６２は、１８０℃で加熱されるようになり、環境温度が２５℃の時に比べて、２５℃も高温で加熱されることになる。

図１３は、薄膜サーミスタ膜６２の加熱温度に対する、第１の感温抵抗素子５２の水素ガスに対する検出感度への影響度を示したグラフであり、Ｘ軸に薄膜サーミスタ膜６２の温度を、Ｙ軸に第１の感温抵抗素子５２の水素ガスに対する検出感度を取ったものである。
図１３のグラフでは、薄膜サーミスタ膜６２の温度が１５５℃で加熱された時の水素ガスに対する第１の感温抵抗素子５２の検出感度は、２．９ｕＶ／ｐｐｍであるが、薄膜サーミスタ膜６２が加熱される温度が上昇するにつれて、第１の感温抵抗素子５２の水素ガスの検出感度も上がっており、薄膜サーミスタ膜６２の温度が１８０℃の時には、第１の感温抵抗素子５２の水素ガスの検出感度は、３．０ｕＶ／ｐｐｍに変化している。

第１の感温抵抗素子５２の水素ガスの検出感度に精度を求めるには、薄膜サーミスタ膜６２の加熱温度を環境温度に左右されることなく常に安定に加熱する必要があるが、例えば、水素ガス検出器に於いて、１００ｐｐｍの水素ガス濃度を検出対象とした時、その水素ガスの検出誤差を５％（５ｐｐｍ）以下とすると、第１の感温抵抗素子５２の水素ガスの検出感度の誤差を５ｐｐｍ以下に抑えるためには、発熱体６２に印加するヒータ電圧を環境温度変化を含めて１０ｕＶ以下の精度で制御しなければならず、非常に高精度の通電制御が必要となる。

特許文献１では、可燃性ガスへの熱伝導によって自身の温度が変化すると共に自身の抵抗値が変化する発熱抵抗体が特定の目標温度になるように通電を行い、発熱抵抗体の抵抗値に対応した出力値に基いて、ガス濃度を演算により求めると共に、演算によって求められたガス濃度値に対して、環境温度を検出する温度検出手段により検出された環境温度値を用いて、補正を行うことが提案されている。

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の構成では、発熱抵抗体の発熱温度のずれが、発熱抵抗体からの出力値の誤差となるため、環境温度変化の影響に対して発熱抵抗体を目標温度に保つために、非常に精密な通電制御が必要となる。

また、発熱温度に変化が生じると、その温度変化分だけ発熱抵抗体の検出ガスに対する感度変動が生じる。

さらに、水素ガス濃度、環境温度及び湿度について演算により求め、さらに演算により求めた環境温度・湿度を用いて、水素ガス濃度の補正を行うとの記載があるが、具体的な手法についての開示がなされていない。

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、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第１の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置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検出装置は、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧を印加するＤ／Ａ変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、演算処理を行うＭＰＵと、を有するガス検出装置であって、前記ＭＰＵは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記Ａ／Ｄ変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する演算手段と、を有することを特徴とするガス検出装置である。

本発明の請求項２に係わる発明は、前記ガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じた温度を検出する第１の感温抵抗素子と、雰囲気温度を検出する第２の感温抵抗素子と、前記第１の感温抵抗素子を加熱するための発熱体と、前記第１及び第２の感温抵抗素子とブリッジ回路を構成するための固定抵抗とで構成されており、前記第１の感温抵抗素子を加熱するために、前記ヒータ電圧設定手段に於いて設定される電圧は、一定の振幅を有する電圧であることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項３に係わる発明は、前記演算手段は、前記Ａ／Ｄ変換器からの値を、予め保存されたメモリから読み出した特定環境温度に於ける感温抵抗素子の検出感度を基準検出感度として用いた近似式で除算すると共に、前記除算された値に前記ガスセンサの検出感度補正値を乗算することにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項４に係わる発明は、前記検出感度補正値は、前記基準検出感度と、環境温度より求めたガスセンサの有する検出感度との比率により求めることを特徴とする請求項３に記載のガス検出装置である。

本発明によれば、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第１の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となる。

実施形態に於けるガスセンサの構造断面図である。 実施形態に於けるガス検出装置の回路構成図である。 実施形態に於けるガス検出装置の演算手順を示すフローチャートである。 実施形態に於けるガス検出電圧と水素ガス濃度との関係を示す。 実施形態に於けるガス検出装置による水素ガス検出結果を示すグラフである。 実施形態に於けるガス検出装置を用いた水素ガス濃度演算結果を示すグラフである。 実施形態に於けるガス検出装置を用いた水素ガス濃度演算結果を示す図である。 実施形態に於ける環境温度に対する感温抵抗素子の感度への影響度を示す。 実施形態に於ける感温抵抗素子の補正係数を格納するデータテーブル構成を示す説明図である。 従来に於けるガスセンサの構造断面図である。 従来に於けるガスセンサの回路構成図である。 環境温度変化に対する感温抵抗素子の加熱温度への影響度を示す。 薄膜サーミスタ膜の温度変化に対する感温抵抗素子の感度への影響度を示す。

以下、各図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。雰囲気中のガス検出として、雰囲気中の水素、二酸化炭素や可燃性ガス等のガス濃度及び、雰囲気中に含まれる水蒸気量を測定するための検出方法は、同一の検出方法で行うことが出来る。本実施形態に於いては、雰囲気中の特定のガス濃度検出として、水素ガスを検出する形態について説明しているが、特定のガス濃度とは、雰囲気中の水素、二酸化炭素等だけでなく空気と異なる熱伝導率を有する可燃性ガス全般及び、雰囲気中に含まれる水蒸気量としての湿度値も含まれる。

実施例に於いては、同一符号は同一部材を示すものとする。尚、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。

図１は、本実施形態のガスセンサ１を説明する構造断面図である。本実施形態によるガスセンサは、測定対象のガス濃度を検出する第１の感温抵抗素子２及び発熱体４と、環境温度を検出する第２の感温抵抗素子３とを有し、測定環境に暴露された空間に配置される。本実施例では、セラミックパッケージ８に第１の感温抵抗素子２及び発熱体４と、第２の感温抵抗素子３とを配置し、測定環境に暴露させるために通気孔６を備えたリッド５によりガスセンサ１を形成している。第１の感温抵抗素子２及び第２の感温抵抗素子３は、ダイペースト（図示せず）等でセラミックパッケージ８に固定され、その後、ボンディングワイヤ１６により第１の感温抵抗素子２及び第２の感温抵抗素子３の電極パッド１５と、セラミックパッケージ８に固定されたセラミックパッケージ電極１７とを接続する。次にリッド５をセラミックパッケージ８に接着剤（又は溶接等）により固定している。尚、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構造とは異なっていてもよい。また、本説明はセラミックパケージを用いて行っているが、パッケージとしてはセラミックに限定されるものではなく、樹脂を用いたものでもよい。

第１の感温抵抗素子２は、基板７、薄膜サーミスタ電極１１、薄膜サーミスタ膜１２、薄膜サーミスタ保護膜１３とで構成されている。また、発熱体４は、発熱体保護膜１０を挟んで第１の感温抵抗素子２の背面に配置されている。発熱体４は、薄膜サーミスタ膜１２を加熱するためのものである。

第２の感温抵抗素子３は、第１の感温抵抗素子２の薄膜サーミスタ膜１２を加熱するための発熱体４を備えていない以外は第１の感温抵抗素子２と同じ構成である。このような構成にすることで、第１の感温抵抗素子２と第２の感温抵抗素子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。

基板７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７には、発熱体４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発熱体４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。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発熱体４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、効率よく発熱体４を高温にすることができる。

発熱体４の材質としては、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。

図１に於いて、空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに測定対象ガスの濃度を検出する感熱体として、薄膜サーミスタ膜１２が発熱体４を覆うように形成されている。これにより薄膜サーミスタ膜１２は、発熱体４の発熱による温度を直接検出することができる。

薄膜サーミスタ膜１２を形成するサーミスタの材質は、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、薄膜プロセスを用いて形成されている。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。

薄膜サーミスタ膜１２の熱を電気信号に変換して取り出す為に薄膜サーミスタ電極１１が形成されている。薄膜サーミスタ電極１１の材質としては、薄膜サーミスタ膜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。

薄膜サーミスタ電極１１、発熱体４は、電極パッド１５と接続される。電極パッド１５は、ボンディングワイヤ１６でセラミックパッケージ電極１７を通して外部の回路と電気的接続される。電極パッド１５は、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）等を用いてセラミックパッケージ８に固定した後、電極パッド１５と、セラミックパッケージ電極１７を、ワイヤボンディング装置を用いて、ボンディングワイヤ１６で接続する。ボンディングワイヤ１６はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなど、抵抗の低い金属ワイヤが好適である。

セラミックパッケージ８と外気との通気孔６を設けたリッド５を、接着剤（又は溶接等（図示せず））を用いて固定する。この際、接着剤（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、通気孔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。以上よりガスセンサ１を得ることができる。

第１の感温抵抗素子２の表面温度は、発熱体４に一定時間毎にパルス電圧Ｖｐを印加することにより、特定の温度に加熱されるが、この温度は常に一定ではなく、検出対象とするガス及び、雰囲気温度によって変更される。例えば、雰囲気中の水素ガスを検出するのであれば、第１の感温抵抗素子２の表面温度は、１００℃以上に加熱されるのが望ましい。

第２の感温抵抗素子３は、ガスセンサ１が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する。第１の感温抵抗素子２は、発熱体４にヒータ電圧Ｖｐが印加されていない時は、第２の感温抵抗素子３と同様に、ガスセンサ１が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する動作を行い、発熱体４にヒータ電圧Ｖｐが印加されている時は、第１の感温抵抗素子２の薄膜サーミスタ膜１２が、発熱体４に印加されるヒータ電圧Ｖｐによる熱エネルギー（例えば１５０℃）によって熱せられることにより、第１の感温抵抗素子２の周囲の空気に含まれているガスの熱伝導が作用して熱放散が大きくなるため、第１の感温抵抗素子２の温度が低下する。この温度低下により第１の感温抵抗素子２の抵抗値は増大する。第１の感温抵抗素子２の発熱体４にヒータ電圧Ｖｐを印加した時の第１の感温抵抗素子２の抵抗値と、発熱体４にヒータ電圧Ｖｐを印加していない時の第１の感温抵抗素子２の抵抗値との差分により雰囲気中の水素ガスを検出することが可能となっている。

測定対象として、雰囲気中の水素ガスを挙げて説明しているが、第１の感温抵抗素子２を用いて発熱体４の加熱による熱伝導を利用した第１の感温抵抗素子２の温度変化を電気抵抗に変換するものであれば、測定対象が水素ガスに限られるものではなく、例えば、流速などを検出するために使用されても良い。

第１の感温抵抗素子２及び、第２の感温抵抗素子３は、温度の上昇に応じて抵抗値が減少するＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を使用する場合に於いては、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）で表わすことが出来る。

式中のＲ_ＴＨはＴに於けるＮＴＣサーミスタの抵抗値、Ｒ_０はＴ_０に於ける基準抵抗、Ｔ_０は基準温度、Ｔはサーミスタ温度、Ｂは感温抵抗素子の温度に対する感度である。

図２は、ガス検出装置２１の回路構成を示す図である。ガス検出装置２１は、ガスセンサ１、基準抵抗２２、２３、ボルテージフォロワ２４、増幅器２５、Ａ／Ｄ変換器２６、Ｄ／Ａ変換器２７、ＭＰＵ２８とで構成される。

図９は、水素ガス濃度等を演算により求めるための感温抵抗素子の補正係数を格納するためのデータテーブルを示すものである。図９のデータテーブルは、ＭＰＵ２８のメモリ（図示せず）に内蔵されているものである。第１の感温抵抗素子２及び、第２の感温抵抗素子３を用いた補正係数を格納するデータテーブルの構成を示しており、水素ガス濃度、第１の感温抵抗素子２の素子感度及び、第２の感温抵抗素子３による環境温度とを、算出するための計算式の係数を保存している。

図４は、実施形態に於ける第１の感温抵抗素子２により検出された出力電圧Ｖｄ２と水素ガス濃度との関係を示すグラフであり、Ｘ軸に出力電圧Ｖｄ２を、Ｙ軸にガスセンサ１が配置されている空間に流す水素ガスの濃度を取ったものであり、環境温度は２５℃の時のものである。このグラフより、第１の感温抵抗素子２により検出された出力電圧Ｖｄ２の値と、水素ガス濃度との関係は、ほぼ２次の近似線上に乗っている。この２次の近似式のパラメータは、図９に示すデータテーブルに水素ガス濃度Ｖｏｕｔ´を算出する時に使用するパラメータ（ａａ、ｂａ、ｃａ）として、保存される。

図８は、実施形態に於ける環境温度に対する第１の感温抵抗素子２の水素ガスへの感度への影響度を示すグラフであり、Ｘ軸にガスセンサ１が配置されている環境温度を、Ｙ軸に第１の感温抵抗素子２の環境温度に対する感度変化を取ったものである。このグラフより、環境温度と第１の感温抵抗素子２の環境温度に対する感度変化との関係は、ほぼ１次の近似線上に乗っている。この１次の近似式のパラメータは、図９に示すデータテーブルに水素ガス濃度Ｖｄｓ２を算出する時に使用するパラメータ（ａｂ、ｂｂ）として、保存される。

尚、出力電圧Ｖｄ２と水素ガス濃度との関係を表わすパラメータの作成には、環境温度が２５℃の時の第１の感温抵抗素子２の素子感度を基準値Ｖｄｓ１（基準検出感度）として用いており、この基準値Ｖｄｓ１は、感度補正の比率を算出する際に用いるパラメータとしてデータテーブルに保存される。

図９に示すデータテーブルには、他に第２の感温抵抗素子３の温度に対する感度を示す値“Ｂ”及び、環境温度２５℃に於ける抵抗値“Ｒｒｅｆ＠２５”等が保存されている。

図２を用いて、ガス検出装置２１の回路の動作について説明する。発熱体４による加熱対象は薄膜サーミスタ膜１２であるが、便宜上、第１の感温抵抗素子２と置き換えて説明する。第１の感温抵抗素子２と基準抵抗２２、第２の感温抵抗素子３と基準抵抗２３とは直列に接続されてブリッジ回路を構成しており、その中間電圧として、出力電圧Ｖｄ１及びＶｃ１を出力する。ＭＰＵ２８は、Ａ／Ｄ変換器２６、Ｄ／Ａ変換器２７の動作について制御しており、発熱体４に対してＤ／Ａ変換器２７よりヒータ電圧Ｖｐを印加する。Ｄ／Ａ変換器２７がヒータ電圧Ｖｐを発熱体４に印加することにより、第１の感温抵抗素子２が特定の温度に加熱される。この時、第１の感温抵抗素子２は、発熱体４と環境温度とによって加熱されることになる。第１の感温抵抗素子２の加熱温度が安定してから一定時間経過後に、第１の感温抵抗素子２の抵抗変化を電圧Ｖｄ１に変換し、増幅器２５を経由してＡ／Ｄ変換器２６に入力された値を出力電圧Ｖｄ２として、発熱体４による加熱終了後に、第２の感温抵抗素子３の抵抗変化を電圧Ｖｃ１に変換し、ボルテージフォロワ２４を経由してＡ／Ｄ変換器２６に入力された値を出力電圧Ｖｃ２として、ＭＰＵ２８に読み込む。

Ｄ／Ａ変換器２７が発熱体４に印加するヒータ電圧Ｖｐは、環境温度の変化に関係なく、常に一定の振幅を有する電圧である。

本実施例に於いては、発熱体４に印加するヒータ電圧として、一定の振幅を有する電圧を用いて説明しているが、発熱体４に印加する電圧は、一定の電圧値であれば、振幅を有するものであっても又は、ＤＣ電圧であってもよい。

ＭＰＵ２８は、図３に示す演算手順に従って、Ａ／Ｄ変換器２６を経由して読み込まれたＶｄ２及びＶｃ２の処理を適切に行い、演算結果であるガス濃度値をＶｏｕｔ端子２９より外部に出力する。

図３は、ガス検出装置２１に於いて、ガスセンサ１からの信号をＭＰＵ２８に取り込み、ＭＰＵ２８内の演算部（図示せず）で演算処理を行い、算出したガス濃度をＶｏｕｔ端子２９より出力する手順についての測定・演算のフローチャートを示したものである。以下、第１の感温抵抗素子２によるガス検出から演算処理後のＶｏｕｔ端子２９よりガス濃度値出力までを、各ステップの処理手順について示す。

ステップ３１で、ＭＰＵ２８よりＤ／Ａ変換器２７に指令を出し発熱体４にヒータ電圧Ｖｐを印加する。このヒータ電圧Ｖｐは、一定の振幅を有する電圧である。発熱体４に印加するヒータ電圧ＶｐのＯＮ／ＯＦＦ期間は、ＭＰＵ２８により制御されている。ヒータ電圧ＶｐのＯＮ期間は、第１の感温抵抗素子２の加熱温度が安定してから一定時間経過の後に、第１の感温抵抗素子２の抵抗変化を電圧Ｖｄ１に変換完了するまでの期間、第１の感温抵抗素子２の加熱温度を一定に保持する必要があるため、最低限この期間は、ヒータ電圧ＶｐをＯＮに保持するように、発熱体４に印加するヒータ電圧ＶｐのＯＮ／ＯＦＦ期間を決定する。ヒータ電圧ＶｐのＯＮ期間について、ＯＮ期間が長くなる分には特性的には問題ないが、消費電力が増加するために、１ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃの範囲で、測定対象ガスの種類・濃度等に応じて適切に選択している。

ステップ３２で、第１の感温抵抗素子２が発熱体４による加熱温度が安定してから一定時間経過後に、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を第１の感温抵抗素子２の抵抗値変化を電気信号に変換して、出力電圧Ｖｄ１を出力する。出力電圧Ｖｄ１は、増幅器２５で信号を増幅した後にＡ／Ｄ変換器２６でデジタル信号に変換された後に出力電圧Ｖｄ２として、ＭＰＵ２８に読み込まれる。

ステップ３３で、ＭＰＵ２８に読み込んだ出力電圧Ｖｄ２と、ＭＰＵ２８のメモリ（図
示せず）内のデータエリアに保存してある出力電圧Ｖｄ２と水素ガス濃度との関係を表わ
すパラメータ（ａａ、ｂａ、ｃａ）とを、数式２の近似式に代入し、水素ガス濃度Ｖｏｕ
ｔ´を算出する。

この演算により、第１の感温抵抗素子２の水素ガスに対する素子感度として、基準値Ｖ
ｄｓ１を用いて演算した水素ガス濃度が算出される。

ステップ３４で、第２の感温抵抗素子３の抵抗変化を電圧Ｖｃ１に変換し、ボルテージ
フォロワ２４を経由してＡ／Ｄ変換器２６に入力された値を出力電圧Ｖｃ２として、ＭＰ
Ｕ２８に読み込む。ＭＰＵ２８のメモリ（図示せず）内のデータエリアに保存してある第
２の感温抵抗素子３の温度特性を表わすパラメータ（Ｂ、Ｒｒｅｆ＠２５）と、ＭＰＵ２８に読
み込んだ出力電圧Ｖｃ２を、サーミスタの温度特性を求める数式３に代入して環境温度Ｔ
ｃを算出する。

数式３のＶｃｃはガス検出装置２１の電源電圧であり、Ｂは感温抵抗素子の温度に対する感度である。

ステップ３５で、ＭＰＵ２８で算出した環境温度Ｔｃと、ＭＰＵ２８のメモリ（図示
せず）内のデータエリアに保存してある環境温度と水素ガスに対する第１の感温抵抗素
子２の素子感度との関係を表わすパラメータ（ａｂ、ｂｂ）とを、数式４の近似式に代入
現在の環境温度Ｔｃに於ける水素ガスに対する素子感度Ｖｄｓ２を算出する。

数式４のｘは、環境温度Ｔｃである。

ステップ３６で、現在の環境温度Ｔｃに於ける水素ガスに対する素子感度Ｖｄｓ２と、
基準素子感度Ｖｄｓ１との値を数式５に代入し、比率Ｓｒａｔを算出する。この演算結果
より、基準値の素子感度ＶｄＳ１を使って算出したガス濃度値Ｖｏｕｔ´を真の値にする
ための補正値を求めている。

水素ガス濃度Ｖｏｕｔ´と素子感度の比率Ｓｒａｔとを乗算することにより、本来の
素子感度による水素ガス濃度検出値に補正された値が算出される。

発熱体４へのヒータ電圧を制御することにより、薄膜サーミスタ膜１２の加熱温度を安定化する場合、例えば、薄膜サーミスタ膜１２の加熱温度バラツキによる水素ガスの検出誤差を水素ガス１００ｐｐｍ検出の時に５％（５ｐｐｍ）以下に抑えるためには、発熱体４に印加するヒータ電圧を１０ｕＶ以下の精度で制御しなければならず、非常に高精度の制御が要求されるものである。

しかし、発熱体４へのヒータ電圧を、環境温度に関係なく常に一定の振幅を有する電圧を印加するようにし、環境温度変化による薄膜サーミスタ膜１２への加熱温度の影響は、素子感度を補正することにより、簡易な構成を取ることが出来る。例えば、薄膜サーミスタ膜１２の加熱温度バラツキによる水素ガスの検出誤差を水素ガス１００ｐｐｍ検出の時に５％（５ｐｐｍ）以下に抑えるには、第１の感温抵抗素子２の素子感度を約４．７％以下の誤差精度で制御を行えば良い。これは、発熱体４へのヒータ電圧を環境温度変化に対応しながら薄膜サーミスタ膜１２の加熱温度を一定の温度で加熱するために、ヒータ電圧を常に１０ｕＶ以下の精度で制御することに比べて、非常に簡易な制御構成で済む。

図５は、ガスセンサ１が配置された雰囲気中の特定の水素濃度値に対する出力電圧Ｖｄ２の出力結果をあらわしたグラフであり、Ｘ軸にガスセンサ１が配置されている雰囲気中に流す水素ガス濃度を、Ｙ軸に出力電圧Ｖｄ２（水素ガス検出値）を取ったものである。出力電圧Ｖｄ２は、第１の感温抵抗素子２が空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスを検出し電気抵抗に変換した出力値Ｖｄ１をＡ／Ｄ変換器２６を通してＭＰＵ２８に取り込んだ値である。この出力電圧Ｖｄ２から演算により測定対象ガスである水素ガスの濃度を算出している。

図６は、ＭＰＵ２８に取り込んだ出力電圧Ｖｄ２を演算により求めた水素ガス濃度値の結果を示したグラフであり、Ｘ軸にガスセンサ１が配置されている雰囲気中に流す水素ガス濃度を、Ｙ軸にＭＰＵ２８で演算により求めた水素ガス濃度値Ｖｏｕｔを取ったものである。図６グラフ中の実線は、本実施例による水素ガス濃度の演算結果を、破線は、比較例として従来による水素ガス濃度の演算結果を示したものである。図６に記載のグラフ中の従来例では、雰囲気中の水素ガスフロー濃度に対する水素ガス濃度の演算結果では、水素ガスフロー濃度１０００ｐｐｍに対して水素ガス濃度演算結果が約１５００ｐｐｍと大きな誤差が生じているが、実施例に於いては、ほぼ誤差が生じていないことがわかる。

図７に、図６のグラフを表にした演算結果を示す。図７−ａは、ガスセンサ１が配置された雰囲気中の水素濃度５００ｐｐｍから１００００ｐｐｍに対し、実施例及び比較例での演算結果を表にしたものであり、図７−ｂは、図７−ａの演算結果の誤差を表にしたものである。比較例の値では、検出対象の水素ガス濃度が１０００ｐｐｍの時に、４２．３％の検出誤差が生じている。一方、本実施の値では、２．８％の検出誤差に抑えられている。検出誤差の差は、水素ガスの濃度が低いほど顕著である。

図６、図７より、従来のガス検出装置では、検出対象のガスが特に低濃度の場合又、環境温度変化が生じる場合に於いては、高精度の測定が困難であり、本実施形態に於けるガス検出装置を用いることにより、検出対象のガスが低濃度から高濃度の範囲に於いて、高精度の検出を可能にするものである。

以上により、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第１の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となる。これにより、ガス検出装置の測定精度の低下を抑制し、ガス濃度の変化を精度よく測定を行うガス検出装置を提供することを示したものである。

本発明は、ガスの熱伝導の変化からガス濃度を検出するガスセンサに好適であり、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検出する用途に用いられる。

１ ガスセンサ
２ 第１の感温抵抗素子
３ 第２の感温抵抗素子
４ 発熱体
５ リッド
６ 通気孔
７ 基板
８ セラミックパッケージ
９ 絶縁膜
１０ 発熱体保護膜
１１ 薄膜サーミスタ電極
１２ 薄膜サーミスタ膜
１３ 薄膜サーミスタ保護膜
１４ キャビティ
１５ 電極パッド
１６ ボンディングワイヤ
１７ セラミックパッケージ電極
２１ ガス検出装置
２２、２３ 基準抵抗
２４ ボルテージフォロワ
２５ 増幅器
２６ Ａ／Ｄ変換器
２７ Ｄ／Ａ変換器
２８ ＭＰＵ

Claims (4)

1. 空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、
   前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧を印加するＤ／Ａ変換器と、
   前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   演算処理を行うＭＰＵと、を有するガス検出装置であって、
   前記ＭＰＵは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する演算手段と、を有することを特徴とするガス検出装置。
2. 前記ガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じた温度を検出する第１の感温抵抗素子と、
   雰囲気温度を検出する第２の感温抵抗素子と、前記第１の感温抵抗素子を加熱するための発熱体と、前記第１及び第２の感温抵抗素子とブリッジ回路を構成するための固定抵抗とで構成されており、前記第１の感温抵抗素子を加熱するための前記ヒータ電圧は、一定の振幅を有する電圧であることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記演算手段は、前記Ａ／Ｄ変換器からの値を、メモリから読み出した特定環境温度に於ける感温抵抗素子の検出感度を基準検出感度として用いた近似式で除算すると共に、前記除算された値に前記ガスセンサの検出感度補正値を乗算することにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検出装置。
4. 前記検出感度補正値は、前記基準検出感度と、環境温度より求めたガスセンサの有する検出感度との比率により求めることを特徴とする請求項３に記載のガス検出装置。

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