JP2018096865A - 気体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲に且つ複雑に変化する温度環境下において、経時変化を高精度に検出し長期間測定精度を維持することができる気体センサ装置を提供する。
【解決手段】基板上２に形成された熱絶縁膜８ａ，８ｂと、熱絶縁膜８ａ，８ｂ上に設けられ気体の物理量を計測する第１ヒータ３と、熱絶縁膜８ａ，８ｂ上に第１ヒータと同一抵抗層で形成される参照抵抗４と、を備えた気体センサ装置において、第１ヒータ３と参照抵抗４とを同時に加熱する校正用の第２ヒータ５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体の物理量を検出する検出ヒータを備えた気体センサ装置に関する。

物理量を検出して電気信号に変換するセンサ装置として、熱を利用したセンサ装置が知られている。たとえば、気体の流量、濃度などの物理量を測定するセンサ装置は、センサ素子に形成された発熱体から気体への放熱量の変化を検出している。また、可燃性の気体濃度センサでは、可燃性気体との接触により発熱する触媒層を設け、この触媒層を可燃性ガスと反応させるために加熱する発熱体を設けている。このような、センサ装置は、気体の物理量変化に対する検出感度を長期間一定に保つことが必要であり、発熱体を常に所定の温度に保持することが重要である。発熱体の温度制御の方法としては、例えば発熱体の温度による抵抗値変化を用いて、発熱体が目標温度における抵抗値となるようにフィードバック制御する方法がある。

しかしながら、発熱体は数百度の高温に加熱されるため、長期の使用により発熱体の抵抗値と温度の関係が変化し発熱体の温度制御にずれが生じてくる。その結果、気体の物理量変化に対する検出感度が変化しセンサ装置に誤差が生じる。

このような発熱体（発熱部を構成する部材）の経時変化を監視して高い信頼性を確保できるようにしたセンサ装置の従来技術として、特開２００７−３１５９２５号公報（特許文献１）の可燃性ガスセンサがある。特許文献１の可燃性ガスセンサでは、熱電変換手段に、被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けない位置に形成された第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立した二つの凹部により形成された二つの薄肉部に設けられ、被検ガスと接触して電気信号を発生する（要約参照）。具体的には、この可燃性ガスセンサは、第２の抵抗層の抵抗値から環境温度を測定し、測定した環境温度と、第１の抵抗層にかかる電流、電圧との関係から発熱体の劣化を検出する（段落００２９，００３０）。

特開２００７−３１５９２５公報

内燃機関の吸気通路の空気流量や湿度などの気体の物理量を測定するセンサ装置は、走行環境の変化やエンジンの発熱などにより、センサ装置が置かれる環境の温度範囲が広く、−４０℃〜＋１２５℃においてセンサ性能を満たす必要がある。したがって、センサ装置に設けられた発熱体の劣化を検出する場合においても、広範囲で温度が変動する環境下において高精度に劣化具合を検出することが求められる。

また、環境温度の急激な変化、気流の変動、更には装置内に設けられた駆動回路の発熱などの局所的な温度変化によりセンサ装置は複雑な温度変化が生じる。このような温度環境下においても高精度に劣化を検出することが求められる。

特許文献１の可燃性ガスセンサにおいて、第１の抵抗層の劣化を検出するためには、第１の抵抗層の温度と第２の抵抗層の温度とが診断時に毎回一致していることが必要である。しかしながら、第１の抵抗層と第２の抵抗層とは互いに離れた位置に設けられている。また、第１の抵抗層と第２の抵抗層とが設置される周辺部材の構造や形状が異なるため、第１の抵抗層の設置部の熱容量と第２の抵抗層の設置部の熱容量とに違いがある。さらに、第１の抵抗層と第２の抵抗層とは異なる場所に配置されているため、可燃性ガスセンサに設けられた駆動回路で発生した熱の伝導経路に差が生じる。このため、環境温度が急変すると、第１の抵抗層と第２の抵抗層とに温度差が生じてしまう。特許文献１の可燃性ガスセンサでは、上述した原因により生じる温度差を解消するため、第１の抵抗層と第２の抵抗層とを一定温度環境下に長時間保持することが必要になる。

上記のように一定温度環境下に長時間保持することが必要な気体センサ装置を、例えば内燃機関のように、広範囲に且つ複雑に変化する温度環境下で用いる場合、発熱体の劣化の検出精度が十分に得られない可能性がある。

本発明の目的は、広範囲に且つ複雑に変化する温度環境下において、経時変化を高精度に検出し長期間測定精度を維持することができる気体センサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のセンサ装置は、
基板上に形成された熱絶縁膜と、前記熱絶縁膜上に設けられ気体の物理量を計測する第１ヒータと、前記熱絶縁膜上に前記第１ヒータと同一抵抗層で形成される参照抵抗と、を備えた気体センサ装置において、
前記第１ヒータと前記参照抵抗とを同時に加熱する第２ヒータを備える。

本発明によれば、様々な温度環境下において、経時変化を高精度に検出でき、長期間に亘って、高精度な検出を維持できる、信頼性の高い気体センサ装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明からにされる。

第１実施例におけるセンサ素子の平面図。 第１実施例におけるセンサ素子の断面図。 第１実施例におけるセンサ素子の温度分布を示す図。 第１実施例における気体センサ装置（駆動回路を含む）を示す回路図。 第２実施例におけるセンサ素子の温度分布を示す図。 第３実施例におけるセンサ素子の平面図。 第３実施例におけるセンサ素子の断面図。 第３実施例におけるセンサ素子の温度分布を示す図。

以下で説明する実施例は、気体センサ装置１００（図４参照）の一例として、自動車エンジンの吸気湿度を計測するセンサ装置に、本発明を適用したものである。本実施例の気体センサ装置１００が検出対象とする物理量（環境パラメータ）は気体の濃度変化であり、湿度の他に例えば水素濃度などの計測にも用いることができる。

本実施例の気体センサ装置１００が計測対象とする吸気湿度は、気体の濃度による気体の熱伝導率変化を検出することにより計測される。熱伝導率の変化はセンサ素子に形成したヒータ（発熱体）の放熱量変化から検出する。気体の濃度による気体の熱伝導率変化は微小であることから、ヒータの放熱量変化の検出およびヒータの経時的な抵抗変化を高精度に検出することが要求され、このようなセンサ装置においては本発明の構成による効果が高い。

図１に本実施例における気体センサ装置１００のセンサ素子１の平面図を示す。

センサ素子１は、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術やエッチング技術を用いて形成される。センサ素子１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部６が形成されており、空洞部６は薄膜支持体８ａ，８ｂによって覆われている。薄膜支持体８ａ，８ｂは電気的な絶縁材料で構成される膜状部材であり、絶縁膜（電気的絶縁膜）と呼ばれることもある。この薄膜支持体８ａ、８ｂには、検出ヒータ３と参照抵抗４と校正用ヒータ５とが敷設される。検出ヒータ３、参照抵抗４および校正用ヒータ５は、薄膜支持体８ａ，８ｂの平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。

検出ヒータ３は、湿度の検出時に用いられる。本実施例の場合、検出ヒータ３は例えば500℃程度の一定温度に制御される。湿度が変化すると検出ヒータ３から空気への熱伝達量が変化し、検出ヒータ３を500℃に保つために必要な電力が変化する。この電力変化を測定することで湿度検出が可能である。

検出ヒータ３の材料としては、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）として、例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）またはシリコン（Ｓｉ）等が選定される。

参照抵抗４は、検出ヒータ３が発生する熱の影響を受けるが、検出ヒータ３の温度より低い温度環境で、熱による抵抗劣化がほとんど生じない位置に配置する。また、参照抵抗４は、検出ヒータ３と同一材料で形成している。さらに参照抵抗４を検出ヒータ３と同一線幅、同一形状となるように敷設している。これにより、検出ヒータ３と参照抵抗４との熱的、機械的、電気的特性を一致させることができ、診断時の測定安定性を向上することができる。

校正用ヒータ５は、検出ヒータ３と参照抵抗４とを取り囲むように敷設される。校正用ヒータ５の材料としては、検出ヒータ３や参照抵抗４と同一の材料により形成することができる。好ましくは、金属材料で形成することにより、熱伝導度が向上し、温度の均一性を向上することができる。

検出ヒータ３は、駆動回路との接続のために基板２上に形成された電極パッド７ａ，７ｂに接続される。また、参照抵抗４は電極パッド７ｃ，７ｄに接続され、校正用ヒータ５は電極パッド７ｅ，７ｆに接続される。これらの電極パッド７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの材料は、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。

なお、検出ヒータ３および校正用ヒータ５は発熱するヒータとして構成されるため、検出ヒータ３を第１ヒータと呼び、校正用ヒータ５を第２ヒータと呼ぶ場合がる。また、検出ヒータ３、参照抵抗４および校正用ヒータ５は抵抗体で構成されるため、検出ヒータ３、参照抵抗および校正用ヒータ５をそれぞれ第１抵抗体、第２抵抗体および第３抵抗体と呼ぶ場合がる。

図２は、図１に示すII−II線上にそった断面構造を示す図である。

センサ素子１は単結晶シリコンで形成された基板２を備える。基板２をエッチングすることにより形成した空洞部６を備える。空洞部６は、単結晶シリコン基板２を異方性エッチングや等方性エッチングなどを用いて加工することにより形成される。

薄膜支持体８ａ，８ｂは基板２の上面に積層され空洞部６を覆う。薄膜支持体８ａ，８ｂは電気絶縁性と熱絶縁性を備える部材である。薄膜支持体８ａ，８ｂの材料としては酸化シリコン（ＳｉＯ２）と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の単層あるいは積層構成を用いる。また、薄膜支持体８ａ，８ｂとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミックまたはガラスなどの単層あるいは積層構成を選定できる。薄膜支持体８ａと薄膜支持体８ｂとの間に、検出ヒータ３と参照抵抗４と校正用ヒータ５とが介在するように設ける。

図３は、図１に示したセンサ素子１のII−II線上に沿った温度分布を示す。

湿度計測時は、図３の破線Ａに示すように、検出ヒータ３が形成された位置Ｘ３は計測温度Ｔｍに加熱される。計測温度Ｔｍとしては、湿度変化による空気の熱伝導率変化が大きい３００℃以上が好ましく、本実施例では５００℃に加熱した一例を示す。検出ヒータ３を計測温度Ｔｍに保持する電力は空気への熱伝達量によって変化する。熱伝達量は湿度の大小によって変化するため、検出ヒータ３の電力に、環境温度の補償を行うことで湿度を計測できる。

上記のような気体センサ装置１００において、検出ヒータ３を高温で長期間加熱すると検出ヒータ３の電気的特性が変化（劣化）する。つまり、検出ヒータ３の抵抗値と温度との関係が変化し、計測温度Ｔｍにずれが生じる。その結果、検出ヒータ３の加熱電力が変化し、湿度の計測値に誤差を生じる。

上記の、検出ヒータ３の抵抗値の経時変化を高精度に検出する診断動作を説明する。図３の実線Ｂに示すように、診断時において、検出ヒータ３の加熱を停止し、校正用ヒータ５を加熱する。これにより、図中の位置Ｘ３に配置した検出ヒータ３と図中の位置Ｘ４に配置した参照抵抗４とは、同一の診断温度Ｔｃに保持される。ここで、検出ヒータ３と参照抵抗４とは診断に許容される程度の温度差（誤差）を有する可能性も考えられるが、検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とが診断に影響しない誤差程度の温度差を有する場合は検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とが同一であるとみなしている。

校正ヒータ５は、検出ヒータ３と参照抵抗４とを同時に加熱する加熱手段（加熱部材）である。このときの、検出ヒータ３の電気的特性と参照抵抗４の電気的特性とを比較することで、検出ヒータ３の劣化を高精度に検出できる。環境温度Ｔａが変動した場合においても、校正用ヒータ５により、診断時の温度が同じ温度Ｔｃに制御されるため検出ヒータ３の劣化の進行具合を毎回おなじ温度環境下で高精度に検出できる。つまり、検出ヒータ３と参照抵抗４とにおける抵抗値の温度特性を排除することができる。

診断温度Ｔｃは、水滴等を除去可能な１００℃以上が好ましい。例えば、本センサ装置の起動時に、センサ素子１の空洞部６上の薄膜支持体に結露が発生し部分的に水滴が付着した場合、校正用ヒータ５を駆動しても水滴が付着した部分の温度上昇が妨げられる。その結果、検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とにばらつきが発生し、良好な診断ができない。そのため、水の沸点以上に校正用ヒータ５を加熱することにより、付着した水を早期に蒸発させることが可能になり、誤診断の防止や診断精度の向上、また診断時間の短縮も実現できる。

また、校正用ヒータ５の温度Ｔｃは気体センサ装置１００が使用される環境温度Ｔａの最大温度よりも高温であることが好ましい。校正用ヒータ５は抵抗体であり、加熱電流を制御することで温度制御される。したがって、環境温度Ｔａが診断温度Ｔｃを超えると、温度制御できず良好な診断ができない。例えば、気体センサ装置１００を自動車環境において使用する場合、使用環境温度の最大温度である１２５℃よりも高温とすれば好適である。これにより、どのような温度環境下においても、検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とを一定にし、高精度な診断を行うことができる。

さらに好ましくは、診断温度Ｔｃを２００℃以上として、水滴のほかにオイルなどの油分を除去する効果が得られるようにする。この場合、校正ヒータ５を起動することにより油分を除去でき、誤診断の防止や、比較および診断の精度を向上できる。

また、診断温度Ｔｃの上限は、検出ヒータ３の計測温度Ｔｍよりも低く、参照抵抗４の劣化の進行速度と検出ヒータ３の劣化の進行速度とに差が生じる温度に設定されれば良い。例えば、高融点の金属材料の場合３００℃以上では抵抗劣化の進行が顕著になることから、診断温度Ｔｃは３００℃以下（より好ましくは３００℃未満）とすれば参照抵抗４の劣化を防止し、検出ヒータ３の劣化を良好に検出できる。また、半導体材料であれば２００℃以上になると抵抗劣化が顕著になることから、診断温度Ｔｃを２００℃以下（より好ましくは２００℃未満）とすれば検出ヒータ３の劣化を良好に検出できる。

また、校正用ヒータ５は、検出ヒータ３の周囲と参照抵抗４の周囲とを囲む形状であることが好ましい。この場合、校正用ヒータ５は検出ヒータ３が配置された領域と参照抵抗４が配置された領域とを仕切るように配置することが好ましい。これにより、校正用ヒータ５の内側の温度分布がより均一になり、検出ヒータ３と参照抵抗４とを同じ温度に加熱することができる。

図４に、本実施例における気体センサ装置１００（駆動回路を含む）の一実施例を示す。

以下、湿度計測時の構成及び動作を説明する。

湿度計測時は、スイッチＳＷ１はＯＦＦ、スイッチＳＷ３はＯＮとなる。検出ヒータ３と抵抗９とスイッチＳＷ１の直列回路において、検出ヒータ３と抵抗９との間の中間電圧Ｖｍは制御回路１１に送られる。制御回路１１は、検出ヒータ３の温度Ｔｍを制御する回路であり、入力された中間電圧Ｖｍに応じた加熱電圧Ｖｈを出力する。この加熱電圧ＶｈはスイッチＳＷ３を介して検出ヒータ３へフィードバックされ、検出ヒータ３に加熱電流Ｉｈが流れる。検出ヒータ３は温度よって抵抗値が変化することから、中間電圧Ｖｍは検出ヒータの温度に依存した信号となる。中間電圧Ｖｍを所定の電圧となるように制御することによって、検出ヒータ３が一定温度に制御される。湿度変化によって検出ヒータ３の放熱量が増加または減少すると、加熱電圧Ｖｈが変動する。したがって、加熱電圧Ｖｈの変化を検出することによって湿度を計測することができる。

次に、検出ヒータ３の劣化診断時の動作について説明する。

劣化診断時は、ＳＷ１とＳＷ２はＯＮになる。ＳＷ３はＯＦＦになり、制御回路１１からの検出ヒータ３への加熱電流が停止する。そして、校正用ヒータ５の温度Ｔｃを制御する制御回路１３を駆動し、校正用ヒータ５は温度Ｔｃになるように定温度制御される。参照抵抗４には抵抗１０が直列接続され、ＳＷ１とＳＷ２とを導通状態にすれば検出ヒータ３と抵抗９と参照抵抗４と抵抗１０とからなるブリッジ回路（３，４，９，１０）が構成される。

このブリッジ回路（３，４，９，１０）には、基準電圧ＶＲＥＦが印加される。検出ヒータ３と参照抵抗４とはブリッジ回路（３，４，９，１０）においてＶＲＥＦ側に配置する。抵抗９と抵抗１０とはブリッジ回路（３，４，９，１０）においてＶＲＥＦとは逆の基準電圧（ＧＮＤ）側に配置する。

検出ヒータ３と抵抗９との間の中間電圧Ｖｍと、参照抵抗４と抵抗１０との間の中間電圧Ｖｒとは、比較回路１４に送られる。比較回路１４は中間電圧Ｖｍと中間電圧Ｖｒとの差を検出して増幅する差動増幅器１５と、増幅した信号をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器１６とを備える。このデジタル値は、検出ヒータ３の抵抗値と参照抵抗４の抵抗値との差によって変化する診断信号Ｅとなる。したがって、診断信号Ｅは、検出ヒータ３の劣化の程度に応じて変化する信号となる。

診断信号Ｅは、補正回路１７へ送られる。補正回路１７は、診断信号Ｅに応じたデジタル値を記憶し、湿度計測時に検出したＶｈに補正を加え、湿度計測信号Ｓｏｕｔとして出力する。

抵抗９と抵抗１０とは同一材料で形成した抵抗温度係数の小さい抵抗器であることが好ましい。さらに好ましくは、抵抗９と抵抗１０とは半導体プロセスで製造した同一の抵抗膜をパターニングして製造されたものとする。これにより、本実施例のようなブリッジ回路構成では、抵抗９と抵抗１０との抵抗温度変化は微小になると共に相殺され、検出ヒータ３の劣化の検出精度を向上することができる。

スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、ＭＯＳトランジスタなどを用いた半導体スイッチで形成することができる。この場合、電気的に高速に切り替えることが可能であるとともに、制御回路１１，１２や比較回路１４、補正回路１７と共にワンチップのＬＳＩとして形成することができ、小型化が可能である。

上記の湿度計測モードと診断モードの切り替えについては、気体センサ装置１００への電源投入時に、診断モードを起動させることができる。つまり、気体センサ装置１００の電源起動時から気体の物理量の計測開始までの間に、校正用ヒータ５を駆動して検出ヒータ３を診断する。校正用ヒータ５によって、センサ素子１上の水滴や汚損物が除去されると同時に、検出ヒータ３の劣化量を診断し、補正量を更新できる。そして、センサ素子１の汚損物が除去された状態で湿度計測が可能になり、より高精度な湿度計測が可能である。

また、電源投入後においても、所定の周期で診断モードに切り替えることができる。これにより、より劣化か進みやすい環境においても定期的に診断および補正が可能になる。また、計測ガスに応じて検出ヒータ３の温度を上げて感度を向上することができる。しかし、検出ヒータ３の温度を上げると、検出ヒータ３の劣化が顕著になる。そこで、定期的に検出ヒータ３を診断して補正量を更新することで、劣化に伴う計測誤差を低減することが好ましい。

また、気体センサ装置１００の外部からの指令により診断モードを動作させることもできる。例えば、気体センサ装置１００はエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）などの上位装置からの電気信号を受信し、検出ヒータ５の診断および補正を行う。こうすることで、エンジン停止中やアイドリング中など、気体センサ装置１００の診断および補正に適した安定した環境下で、検出ヒータ３の診断を行うことができ、さらに診断精度を向上することができる。

また、診断結果に応じた信号を気体センサ装置１００の外部に出力し、上位装置において気体センサ装置１００から得られた計測信号を補正するようにすることも可能である。

検出ヒータ３の劣化による誤差の補正方法としては、補正回路１７によりセンサ素子１からの検出信号（Ｖｈ）に診断信号Ｅに応じてオフセットを加える手法を用いることができる。また、制御回路１１の制御パラメータを診断信号Ｅに応じて変更する手法を用いることができる。

本発明に係る第２実施例を説明する。本実施例の説明は、第１実施例との違いについて説明し、説明のない構成については、第１実施例と同様である。なお第１実施例と同様の構成には同じ符号を付し、同様な部分についての説明を省略する。

本実施例は、第１実施例の気体センサ装置１００において、さらに汚損による影響を低減可能な構成を備える。

例えば、自動車エンジンの吸気湿度を計測する目的に、第１実施例に示した気体センサ装置１００を使用する場合、使用時にオイル蒸気などの飛来によりセンサ素子１が汚損する場合がある。また、センサ素子１上においては、検出ヒータ３は高温に加熱されているためオイルの付着が少ないが、参照抵抗４は低温度であるためオイルが付着しやすい。その結果、オイルの付着量の差によって、薄膜部の熱容量や熱伝導率が変化する。センサ素子１が不均一に汚損すると、校正用ヒータ５を駆動したときの検出ヒータ３と参照抵抗４とに温度差が生じる。この温度差によって生じる検出ヒータ３の抵抗値と参照抵抗４の抵抗値との差が診断時の誤差となり、診断精度を悪化させる。

本実施例は、上記の課題を解決するために校正用ヒータ５を診断時以外においても駆動させる構成とした。好ましくは、気体センサ装置１００に電源が投入されている間は常に校正用ヒータ５を駆動させることで、より効果を向上することができる。これにより、参照抵抗４は環境温度よりも高温に保たれるため汚損物の付着を低減できる。好ましくは、校正用ヒータ５を２００℃以上に加熱した状態とすれば、水滴のほかにオイルなどの油分の付着が抑制され、診断精度の向上や、汚損物が除去されるまでの待機時間が不要になり、診断時間を短縮できる。また、診断時に校正用ヒータ５の温度上昇を待つ必要がなくなり、診断を短時間で行うことができる。

図５に本実施例におけるセンサ素子１の温度分布を示す。

湿度計測時は、図５の破線Ａに示すように、検出ヒータ３が形成された位置Ｘ３は計測温度Ｔｍとなり、参照抵抗４が配置された位置Ｘ４を含む周辺は、校正用ヒータ５の温度Ｔｃとなる。計測温度Ｔｍは、３００℃以上が好ましく、本実施例では５００℃に加熱した一例を示す。校正用ヒータ５の温度Ｔｃとしては、検出ヒータ３よりも低く参照抵抗４の劣化が小さい範囲とし、例えば２００℃〜３００℃とすることができる。

上記のように検出ヒータ３の周辺を温度Ｔｃに加熱しても、湿度によって検出ヒータ３の放熱量に変化が生じるため、検出ヒータ３の電力を検出することで湿度を計測できる。検出ヒータ３の周辺温度が一定に保たれるため、環境温度Ｔａによる検出ヒータ３の放熱量変化を低減することができる。

次に、検出ヒータ３の抵抗値の劣化を高精度に検出する診断動作を説明する。図５の実線Ｂに示すように、診断時においては第１実施例と同様に、検出ヒータ３の加熱を停止することで、図中の位置Ｘ３に配置した検出ヒータ３と位置Ｘ４に配置した参照抵抗４とは、第１実施例と同様に同一の診断温度Ｔｃに保持される。このときの、検出ヒータ３の電気的特性と参照抵抗４の電気的特性とを比較することで、検出ヒータ３の劣化を高精度に検出できる。環境温度Ｔａが変動した場合においても、校正用ヒータ５により、診断時の温度が毎回同じ温度に制御されるため、検出ヒータ３の劣化の進行具合を高精度に検出できる。

本発明に係る第３実施例を説明する。本実施例の説明は、第１実施例および第２実施例との違いについて説明し、説明のない構成については、第１実施例と同様である。なお第１実施例および第２実施例と同様の構成には同じ符号を付し、同様な部分についての説明を省略する。

図６に本実施例におけるセンサ素子２０の平面図を示す。

センサ素子２０は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部６ａと空洞部６ｂとが形成されており、空洞部６ａ，６ｂは薄膜支持体８ａ，８ｂによって覆われている。空洞部６ａ上の薄膜支持体８ａ，８ｂには、検出ヒータ３と校正用ヒータ５とが敷設される。空洞部６ｂには、参照抵抗４と校正用ヒータ５とが敷設される。検出ヒータ３、参照抵抗４および校正用ヒータ５は、薄膜支持体８ａ，８ｂの平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。空洞部６ａ部に形成した校正用ヒータ５と空洞部６ｂ部に形成した校正用ヒータ５とは同一材料で形成し、ひとつの抵抗パターンとして形成する。

校正用ヒータ５は、二つの空洞部６ａ，６ｂに跨り、かつ空洞部６ａにおいて検出ヒータ３を取り囲むように敷設されると共に、空洞部６ｂにおいて参照抵抗４を取り囲むように敷設される。すなわち、校正用ヒータ５は検出ヒータ３が配置された領域と参照抵抗４が配置された領域とを仕切るように配置される。校正用ヒータ５の材料としては、検出ヒータ３や参照抵抗４と同一材料により形成することができる。

検出ヒータ３は、駆動回路との接続のために基板２上に形成された電極パッド７ａ，７ｂに接続される。また、参照抵抗４は電極パッド７ｃ，７ｄに接続され、校正用ヒータ５は電極パッド７ｅ，７ｆに接続される。なお、駆動回路は第１実施例で説明した図４と同様に構成される。

図７は、図６に示すVII−VII線上に沿った断面構造を示す図である。

センサ素子２０は単結晶シリコンで形成された基板２を備える。基板２は空洞部６ａと空洞部６ｂを備える。空洞部６ａ，６ｂは、基板２を異方性エッチングや等方性エッチングなどを用いて同時に加工することにより形成される。

薄膜支持体８ａ，８ｂは基板２の上面に積層され空洞部６ａ、６ｂを覆う。これらの薄膜支持体８ａと薄膜支持体８ｂとの間に、検出ヒータ３と参照抵抗４と校正用ヒータ５とを設ける。すなわち、検出ヒータ３と参照抵抗４と校正用ヒータ５とは薄膜支持体８ａと薄膜支持体８ｂとの間に挟み込まれる状態で設けられている。

図８は、図６におけるセンサ素子２０のＸ線上に沿った温度分布を示す。

湿度計測時は、図８の破線Ａに示すように、検出ヒータ３が形成された位置Ｘ３は計測温度Ｔｍとなる。計測温度Ｔｍは、３００℃以上が好ましく、本実施例では５００℃に加熱した一例を示す。検出ヒータ３を計測温度Ｔｍに保持する電力は空気への放熱量によって変化する。放熱量は湿度によって変化するため、検出ヒータ３の電力に、校正用ヒータ５を用いて環境温度の補償を行うことで湿度を計測できる。

検出ヒータ３の抵抗値の劣化を検出する診断動作を説明する。図８の実線Ｂに示すように、診断時において、検出ヒータ３の加熱電流を停止し、校正用ヒータ５を加熱すると、図中の位置Ｘ３に配置した検出ヒータ３と位置Ｘ４に配置した参照抵抗４とが同時に加熱され、第１実施例と同様に同一の診断温度Ｔｃに保持される。このときの、検出ヒータ３の電気的特性と参照抵抗４の電気的特性とを比較することで、検出ヒータ３の劣化を高精度に検出できる。環境温度Ｔａが変動した場合においても、校正用ヒータ５により、診断時の温度が毎回同じ温度に制御されるため、検出ヒータ３の劣化の進行具合を高精度に検出できる。すなわち、検出ヒータ３における電気的特性の温度依存性と参照抵抗４における電気的特性の温度依存性とを排除することができる。

本実施例で示したセンサ素子２０の、空洞部６ａと空洞部６ｂとは同一の大きさ、且つ同一の薄膜膜支持体の構成であることが望ましい。また、空洞部６ａ部と空洞部６ｂ部とに形成した校正用ヒータ５は同じ材料であることが望ましい。これにより、検出ヒータ３と参照抵抗４との熱容量や熱伝導が一致し、空洞部６ａに形成した校正用ヒータ５と空洞部６ｂに形成した校正用ヒータ５の発熱バランスとが一致するため、診断時の検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とを良好に一致させることができる。その結果、検出ヒータ３の劣化を高精度に診断することが可能である。

本実施例においても第２実施例と同様に、診断時以外においても校正用ヒータ５を加熱し、好ましくは常時加熱する構成とすることができる。これにより、参照抵抗４の汚損が低減され、診断時における検出ヒータ３の温度と参照抵抗４の温度とをより一致させることができ、検出ヒータ３の劣化を高精度に診断することが可能である。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…センサ素子、２…基板、３…検出ヒータ、４…参照抵抗、５…校正用ヒータ、６…空洞部、７ａ〜７ｆ…電極パッド、８ａ、８ｂ…薄膜支持体、９…抵抗、１０…抵抗、１１…制御回路、１２…抵抗、１３…制御回路、１４…比較回路、１５…差動増幅器、１６…アナログ／デジタル変換器、１７…補正回路、２０…センサ素子、１００…気体センサ装置。

Claims (11)

1. 基板上に形成された熱絶縁膜と、前記熱絶縁膜上に設けられ気体の物理量を計測する第１ヒータと、前記熱絶縁膜上に前記第１ヒータと同一抵抗層で形成される参照抵抗と、を備えた気体センサ装置において、
   前記第１ヒータと前記参照抵抗とを同時に加熱する第２ヒータを備えたことを特徴とする気体センサ装置。
2. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
   前記第２ヒータは、前記第１ヒータの診断時に用いられることを特徴とする気体センサ装置。
3. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
   前記第２ヒータの動作時に、前記第１ヒータの駆動を停止させることを特徴とする気体センサ装置。
4. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
   前記第１ヒータと前記参照抵抗とを含むブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の差電圧信号に基づいて前記第１ヒータの診断を行うことを特徴とする気体センサ装置。
5. 請求項４に記載の気体センサ装置において、
   前記差電圧信号に基づき、前記第１ヒータを用いて計測した気体の物理量に応じた信号の補正を行うことを特徴とする気体センサ装置。
6. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
   電源起動時から気体の物理量の計測開始までの間に前記第２ヒータを駆動して、前記第１ヒータの診断を行うことを特徴とする気体センサ装置。
7. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
   前記第１ヒータを用いた気体の物理量を計測する計測動作と、前記第２ヒータを用いた診断動作とを切り替えて、所定の周期で前記第１ヒータの診断を行うことを特徴とする気体センサ装置。
8. 請求項２に記載の気体センサ装置において、
   前記第１ヒータの診断結果に応じた信号を気体センサ装置の外部に出力することを特徴とする気体センサ装置。
9. 請求項２に記載の気体センサ装置において、
   気体センサ装置の外部からの信号に応じて前記第２ヒータを用いて前記第１ヒータの診断を行うことを特徴とする気体センサ装置。
10. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
    前記第２ヒータの温度は125℃以上であることを特徴とする気体センサ装置。
11. 請求項１に記載の気体センサ装置において、
    前記第１ヒータと前記参照抵抗とは金属材料で形成され、前記第１ヒータおよび前記参照抵抗を加熱する前記第２ヒータの温度は300℃以下であることを特徴とする気体センサ装置。

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