JP2017036935A - 熱伝導式湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力が大きく変動するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測できるようにする。【解決手段】被測定雰囲気に晒される第１の空間１７ａに計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）１８を配置し、乾燥状態に保たれた第２の空間１７ｂに参照の感熱抵抗素子（参照用センサ）１９を配置する。第２の空間１７ｂを囲む壁面の一部をなすキャビティ１６ａの底部（ダイアフラム部）１６ｂ１にピエゾ抵抗式の圧力センサ２０を形成する。このピエゾ抵抗式の圧力センサ２０のゲージ抵抗の変化に基づいて被測定雰囲気の現在の圧力を求め、計測用センサ１８と参照用センサ１９とから求められる被測定雰囲気中の水分量を補正する。【選択図】 図１

Description

この発明は、空気中の水蒸気により熱を奪われることによる抵抗変化を利用して被測定雰囲気中の水分量を計測する熱伝導式湿度センサに関するものである。

従来より、この種の熱伝導式湿度センサとして、２つの感熱抵抗素子と２つの外部抵抗とでブリッジ回路を構成し、一方の感熱抵抗素子を計測用の感熱抵抗素子として被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置し、他方の感熱抵抗素子を参照用の感熱抵抗素子として乾燥状態に保たれた第２の空間に配置するようにした熱伝導式湿度センサが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図４に計測用の感熱抵抗素子と参照用の感熱抵抗素子とを用いた従来の熱伝導式湿度センサの一例を示す。同図において、１は計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）、２は参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）、３は金属シールドケース、４は支持ピン、５は導線、６はステムである。計測用センサ１および参照用センサ２としてはサーミスタ（バルクサーミスタ）が用いられている。

この熱伝導式湿度センサ１００において、計測用センサ１は金属シールドケース３とステム６との間に形成された第１の空間３−１に配置されており、参照用センサ２は金属シールドケース３とステム６との間に形成された第２の空間３−２に配置されている。計測用センサ１は、第１の空間３−１内において、ステム６に固定された支持ピン４に導線５を介して接続されている。参照用センサ２は、 第２の空間３−２内において、ステム６に固定された支持ピン４に導線５を介して接続されている。

また、この熱伝導式湿度センサ１００において、第１の空間３−１に対しては通気孔３ａが形成されており、この通気孔３ａを介して計測用センサ１が被測定雰囲気に晒される。また、第２の空間３−２にはドライＮ₂が封入されており、第２の空間３−２内において参照用センサ２は乾燥状態に保たれる。

この熱伝導式湿度センサ１００は、計測用センサ１（抵抗値ＲＨＴ）と参照用センサ２（抵抗値ＲＨ）と外部抵抗Ｒ１，Ｒ２（抵抗値Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２））とにより、図５に示すようなブリッジ回路を組んで使用される。

このブリッジ回路において、Ａ−Ｃ間に定電圧Ｖｃｃを印加すると、計測用センサ１および参照用センサ２は自己発熱し、周囲温度よりも高くなる。計測用センサ１および参照用センサ２の温度は、計測用センサ１および参照用センサ２に加わる電力と計測用センサ１および参照用センサ２の熱放散により決定されるが、被測定雰囲気中に水蒸気が含まれていると、水蒸気が含まれていない場合に対して熱伝導が大きくなり、熱放散が大きくなる。

このため、計測用センサ１の温度が参照用センサ２の温度よりも低くなり、計測用センサ１でのみ抵抗値ＲＨＴの変化が発生し、ＢＤ間の出力電圧Ｖ_OUTが変化する。この出力電圧Ｖ_OUTの変化（計測用センサ１と参照用センサ２との間に発生する抵抗値の差）から、被測定雰囲気中の水分量を計測することができる。すなわち、被測定雰囲気中の絶対湿度を計測することができ、この絶対湿度から相対湿度を求めることができる。但し、ＲＨとＲＨＴの温度−抵抗特性は等しく、絶対湿度０ｇ／ｍ³時にＶ_OUT＝０とする。

特開平８−２９３７０号公報

しかしながら、上述した熱伝導式湿度センサ１００によると、計測用センサ１での熱の奪われ方が被測定雰囲気の圧力の影響を受ける。このため、圧力による誤差が生じ、例えば、送風ファンからの空気が流れるダクト内など圧力が大きく変化する環境では、正確な水分量の計測ができない。

図６に気圧の変化前と変化後の水分量の計測例を示す。この例では、カタログ値で、１０００ｍの高さ変化で、絶対湿度が−２．５ｇ／ｍ³変化するものとする。この場合、気圧変動は、１０ｈＰａ／１００ｍであるので、１０００ｍで１００ｈＰａ相当となる。変化前の気温が２０℃、気圧が１０１３ｈＰａ、絶対湿度が８．６ｇ／ｍ³、相対湿度が５０％ＲＨであったとする。ここで、気圧が１０１３ｈＰａから９１３ｈＰａに変化（−１００ｈＰａ）したと仮定すると、絶対湿度は６．１ｇ／ｍ³（−２．５ｇ／ｍ³）となり、相対湿度は３５％ＲＨ（−１５％ＲＨ）となる。

ここで、気圧の変化をダクト内の圧力の変化に置き換え、ダクト内の圧力の変化が１０ｈＰａであったとすると、絶対湿度は０．３ｇ／ｍ³変化することになり、相対湿度は２％ＲＨ変化することになる。センサの仕様を±３％とすると、ダクト内の圧力の変化による２％ＲＨが上乗せされて、相対湿度は５％ＲＨ変化することになる。例えば、外気を取り入れて室内の空調を行うようなシステムでは、ダンパの開閉などによって、ダクト内の圧力が１０ｈＰａ程度変動することがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、圧力が大きく変動するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することができる熱伝導式湿度センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置された計測用の感熱抵抗素子と、乾燥状態に保たれた第２の空間に配置された参照用の感熱抵抗素子と、計測用の感熱抵抗素子と参照用の感熱抵抗素子との間に発生する抵抗値の差に基づいて被測定雰囲気中の水分量を求める水分量演算部とを備えた熱伝導式湿度センサにおいて、第２の空間を囲む壁面の一部をなし被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むダイアフラム部と、ダイアフラム部の所定領域に形成されたゲージ式圧力センサと、ゲージ式圧力センサのゲージ抵抗の変化に基づいて被測定雰囲気の現在の圧力を求める圧力演算部と、水分量演算部で求められた被測定雰囲気中の水分量を圧力演算部で求められた被測定雰囲気の現在の圧力によって補正する水分量補正部とを備えることを特徴とする。

本発明において、参照用の感熱抵抗素子が配置される乾燥状態に保たれた第２の空間を囲む壁面の一部は、被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むダイアフラム部とされており、このダイアフラム部の所定領域にゲージ式圧力センサが形成されている。本発明では、このダイアフラム部に形成されたゲージ式圧力センサのゲージ抵抗の変化に基づいて被測定雰囲気の現在の圧力が求められ、この求められた被測定雰囲気の現在の圧力によって水分量演算部で求められた被測定雰囲気中の水分量が補正される。すなわち、計測用の感熱抵抗素子と参照用の感熱抵抗素子との間に発生する抵抗値の差に基づいて求められた被測定雰囲気中の水分量が被測定雰囲気の現在の圧力によって補正される。

本発明において、ゲージ式圧力センサとしては、例えば、ピエゾ抵抗効果を有する複数のゲージ抵抗からなるピエゾ抵抗式の圧力センサが挙げられる。本発明において、ゲージ式圧力センサは、ピエゾ抵抗式の圧力センサに限られるものではなく、歪ゲージ式の圧力センサなどとしてもよい。

本発明によれば、参照用の感熱抵抗素子が配置される乾燥状態に保たれた第２の空間を囲む壁面の一部を被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むダイアフラム部とし、このダイアフラム部の所定領域にゲージ式圧力センサを形成し、このゲージ式圧力センサのゲージ抵抗の変化に基づいて被測定雰囲気の現在の圧力を求め、この求めた被測定雰囲気の現在の圧力によって水分量演算部で求められた被測定雰囲気中の水分量を補正するようにしたので、圧力が大きく変動するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することが可能となる。

本発明に係る熱伝導式湿度センサの一実施の形態の要部を示す断面図である。 この熱伝導式湿度センサの回路構成を示す図である。 この熱伝導式湿度センサをプローブ型の湿度センサに搭載した事例を示す図である。 従来の熱伝導式湿度センサの一例を示す断面図である。 従来の熱伝導式湿度センサの回路構成を示す図である。 従来の熱伝導式湿度センサによる気圧の変化前と変化後の水分量の計測例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る熱伝導式湿度センサの一実施の形態の要部を示す断面図である。

本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１は、薄膜／ＭＥＭＳ型の絶対湿度センサとされ、シリコン基板１１上に低応力Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂などからなる薄膜１２が形成され、この薄膜１２上に温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３ａと１３ｂとが形成されている。ここで、抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂはＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ₂などからなる。

また、抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂに接触するように電極パッド１４が形成されており、抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂの全面を覆うように抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂ上に絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５は絶縁特性に優れたＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。

また、シリコン基板１１にはエッチングしてキャビティ１１ａ，１１ｂが形成されており、このキャビティ１１ａ，１１ｂに抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂが形成された領域の薄膜１２が面している。

また、抵抗体薄膜１３ａ，１３ｂの全面を覆うようにシリコンキャップ１６が被せられ、このシリコンキャップ１６の下端部が絶縁膜１５に接合されている。シリコンキャップ１６にはキャビティ１６ａ，１６ｂが形成されており、キャビティ１６ａと薄膜１２とで囲まれた空間を第１の空間１７ａとし、キャビティ１６ｂと薄膜１２とで囲まれた空間を第２の空間１７ｂとし、第１の空間１７ａに抵抗体薄膜１３ａをセンサ部とする計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）１９が配置され、第２の空間１７ｂに抵抗体薄膜１３ｂをセンサ部とする参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）１９が配置されている。なお、この場合、計測用センサ１８および参照用センサ１９は、薄膜１２と絶縁膜１５との間に挟まれた状態で、第１の空間１７ａおよび１７ｂに配置されているものと考えればよい。

シリコンキャップ１６には、キャビティ１７ａに面する位置に通気孔１６ｃが形成されており、この通気孔１６ｃを介して第１の空間１７ａに配置されている計測用センサ１８が被測定雰囲気に晒される。また、第２の空間１７ｂにはドライＮ₂が封入されており、第２の空間３−２内において参照用センサ１９は乾燥状態に保たれる。

また、シリコンキャップ１６のキャビティ１６ａの底部１６ｂ１は、被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むダイアフラム構造となっている。以下、キャビティ１６ａの底部１６ｂ１をダイアフラム部と呼ぶ。このダイアフラム部１６ｂ１は第２の空間１７ｂを囲む壁面の一部であり、第２の空間１７ｂが密閉構造とされていることから、ダイアフラム部１６ｂ１は被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むものとなる。

本実施の形態において、ダイアフラム部１６ｂ１の所定領域には、ゲージ式圧力センサとしてピエゾ抵抗式の圧力センサ２０が形成されている。ピエゾ抵抗式の圧力センサ２０は、ピエゾ抵抗効果を有する複数のゲージ抵抗からなり、加えられる圧力によってゲージ抵抗の抵抗値が変化する。

図２にこの熱伝導式湿度センサ１０１の回路構成を示す。この熱伝導式湿度センサ１０１は、計測用センサ１８（抵抗値ＲＨＴ）と参照用センサ１９（抵抗値ＲＨ）と外部抵抗Ｒ１，Ｒ２（抵抗値Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２））とにより第１のブリッジ回路を組んで、またピエゾ抵抗式の圧力センサ２０を構成するゲージ抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃ，ｒｄにより第２のブリッジ回路を組んで使用される。

図２において、計測用センサ１８は第１の外部抵抗Ｒ１と直列に接続され、参照用センサ１９は第２の外部抵抗Ｒ２と直列に接続されている。そして、この計測用センサ１８と第１の外部抵抗Ｒ１との直列接続回路と、参照用センサ１９と第２の外部抵抗Ｒ２との直列接続回路とが、定電圧電源に並列に接続されている。なお、ＲＨとＲＨＴの温度−抵抗特性は等しいものとされている。

また、図２において、ゲージ抵抗ｒａはゲージ抵抗ｒｂと直列に接続され、ゲージ抵抗ｒｃはゲージ抵抗ｒｄと直列に接続されている。そして、このゲージ抵抗ｒａとゲージ抵抗ｒｂとの直列接続回路と、ゲージ抵抗ｒｃとゲージ抵抗ｒｄとの直列接続回路とが、定電圧電源に並列に接続されている。なお、圧力が加えられていない状態において、ゲージ抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃ，ｒｄの抵抗値は等しく、圧力が加えられるとゲージ抵抗ｒａ，ｒｄの抵抗値はゲージ抵抗ｒｂ，ｒｃの抵抗値とは逆に変化する。

また、この第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路とから構成される回路に対して、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）２１が設けられている。マイコン２１は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として水分量演算部２１−１と、圧力演算部２１−２と、水分量補正部２１−３と、圧力補正値記憶部２１−４とを備えている。

水分量演算部２１−１は、計測用センサ１８と第１の外部抵抗Ｒ１との接続点Ｐ１に生じる第１の電圧値Ｖ１と、参照用センサ１９と第２の外部抵抗Ｒ２との接続点Ｐ２に生じる第２の電圧値Ｖ２とを入力とし、この入力される第１の電圧値Ｖ１と第２の電圧値Ｖ２との電圧差（計測用センサ１８と参照用センサ１９との間に発生する抵抗値の差）に基づいて被測定雰囲気中の水分量を絶対湿度や相対湿度として求め、その求めた湿度計測値を水分量補正部２１−３へ出力する。

圧力演算部２１−２は、ゲージ抵抗ｒａとゲージ抵抗ｒｂとの接続点Ｐ３に生じる第３の電圧値Ｖ３と、ゲージ抵抗ｒｃとゲージ抵抗ｒｄとの接続点Ｐ４に生じる第４の電圧値Ｖ４とを入力とし、この入力される第３の電圧値Ｖ３と第４の電圧値Ｖ４との電圧差に基づいて被測定雰囲気の現在の圧力を求め、その求めた被測定雰囲気の現在の圧力を水分量補正部２１−３へ出力する。

水分量補正部２１−３は、水分量演算部２１−１からの湿度計測値（被測定雰囲気中の水分量）と圧力演算部２１−２からの被測定雰囲気の現在の圧力とを入力とし、被測定雰囲気の現在の圧力に応ずる補正値を圧力補正値記憶部２１−４から取得し、この取得した補正値によって水分量演算部２１−１からの湿度計測値を補正して、被測定雰囲気の現在の圧力による誤差が除去された湿度計測値を求め、外部に出力する。また、求めた湿度計測値を表示器２２に表示する。

このようにして、本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１によれば、被測定雰囲気の現在の圧力によって水分量演算部２１−１で求められた被測定雰囲気中の水分量が補正されるので、圧力が大きく変動するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することが可能となり、空気中の水分量計測の精度を向上させることができる。

なお、熱伝導式湿度センサとは別に圧力センサを設け、この圧力センサによって検出される被測定雰囲気の現在の圧力によって被測定雰囲気中の計測湿度を補正するようにすることが考えられる。しかし、熱伝導式湿度センサとは別に圧力センサを設ける方法では、例えばダクト内の湿度をプローブ型の湿度センサで計測するような場合、センサ配置の制約から圧力センサを湿度センサ近傍に配置できず、湿度計測ポイント周辺の圧力変動を測定できないことがある。このような場合、湿度計測ポイントの圧力と圧力計測ポイントの圧力との違いから、被測定雰囲気中の計測湿度を正しく補正することができない。

これに対して、本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１によれば、図３にプローブ型の湿度センサに搭載した事例を示すように、プローブ２３の壁面から取り込まれる気流の圧力変化を湿度の計測部と略同じ位置で検出することができるので、被測定雰囲気中の計測湿度を正しく補正することができる。

なお、上述した実施の形態では、ダイアフラム部１６ｂ１の所定領域にゲージ式圧力センサとしてピエゾ抵抗式の圧力センサ２０を形成するようにしたが、必ずしもピエゾ抵抗式の圧力センサに限られるものではなく、歪ゲージ式の圧力センサなどとしてもよい。また、ゲージ式圧力センサを抵抗体薄膜１３ｂ側のダイアフラム部へ形成するようにしてもよい。

また、図２に示した回路構成はあくまでも一例であり、計測用センサ１８と参照用センサ１９との間に発生する抵抗値の差に基づいて求められる被測定雰囲気中の水分量を被測定雰囲気の現在の圧力で補正することができれば、どのような回路構成としても構わない。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１１…シリコン基板、１１ａ，１１ｂ…キャビティ、１２…薄膜、１３ａ，１３ｂ…抵抗体薄膜、１４…電極パッド、１５…絶縁膜、１６…シリコンキャップ、１６ａ，１６ｂ…キャビティ、１６ｂ１…底部（ダイアフラム部）、１６ｃ…通気孔、１７ａ…第１の空間、１７ｂ…第２の空間、１８…計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）、１９…参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）、２０…ピエゾ抵抗式の圧力センサ、２１…マイクロコンピュータ（マイコン）、２１−１…水分量演算部、２１−２…圧力演算部、２１−３…水分量補正部、２１−４…圧力補正値記憶部、１０１…熱伝導式湿度センサ。

Claims (2)

1. 被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置された計測用の感熱抵抗素子と、乾燥状態に保たれた第２の空間に配置された参照用の感熱抵抗素子と、前記計測用の感熱抵抗素子と前記参照用の感熱抵抗素子との間に発生する抵抗値の差に基づいて前記被測定雰囲気中の水分量を求める水分量演算部とを備えた熱伝導式湿度センサにおいて、
   前記第２の空間を囲む壁面の一部をなし前記被測定雰囲気の圧力の変動に応じて撓むダイアフラム部と、
   前記ダイアフラム部の所定領域に形成されたゲージ式圧力センサと、
   前記ゲージ式圧力センサのゲージ抵抗の変化に基づいて前記被測定雰囲気の現在の圧力を求める圧力演算部と、
   前記水分量演算部で求められた前記被測定雰囲気中の水分量を前記圧力演算部で求められた前記被測定雰囲気の現在の圧力によって補正する水分量補正部と
   を備えることを特徴とする熱伝導式湿度センサ。
2. 請求項１に記載された熱伝導式湿度センサにおいて、
   前記ゲージ式圧力センサは、
   ピエゾ抵抗効果を有する複数のゲージ抵抗からなるピエゾ抵抗式の圧力センサである
   ことを特徴とする熱伝導式湿度センサ。

Images