JP2021089155A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、サーミスタなどの測温体を加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects gas contained in an atmosphere, and more particularly to a gas sensor having a heater resistance that heats a temperature measuring body such as a thermistor.
ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであり、中でも、ヒータ抵抗によってサーミスタなどの測温体を加熱するタイプのガスセンサは小型化に優れている。例えば、特許文献1に記載されたガスセンサは、ヒータ抵抗によって加熱されるサーミスタと基準抵抗を直列に接続し、その接続点の電位に基づいて測定対象ガスの濃度を検出している。
The gas sensor detects the concentration of the gas to be measured contained in the atmosphere. Among them, the gas sensor of the type that heats a temperature measuring body such as a thermistor by a heater resistance is excellent in miniaturization. For example, the gas sensor described in
特許文献1に記載されたガスセンサは、環境温度測定素子をさらに備えている。そして、環境温度測定素子によって得られた環境温度に応じて、ヒータ抵抗に流す電流量を微調整することにより、環境温度によらずサーミスタを一定の温度で加熱している。特許文献1に記載されたガスセンサにおいては、環境温度測定素子から出力される電圧値をA/D変換し、得られたデジタル値に基づいてヒータ抵抗に流す電流量を示す指示値を算出し、さらに指示値をD/A変換することによってヒータ抵抗に流す電流を生成している。
The gas sensor described in
しかしながら、特許文献1に記載された方式では、ヒータ抵抗に流す電流を高精度に制御するためにはA/DコンバータやD/Aコンバータのビット数を増やす必要があり、回路規模が大きくなるという問題があった。また、指示値の演算においても誤差が生じるため、ヒータ抵抗に流す電流を高精度に制御することは必ずしも容易ではなかった。しかも、A/D変換、演算、D/A変換には所定の時間が必要であることから、環境温度の変化に対する応答速度を高めることも容易ではなかった。
However, in the method described in
したがって、本発明は、ヒータ抵抗によってサーミスタなどの測温体を加熱するタイプのガスセンサにおいて、デジタル処理を行うことなく、ヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to automatically change the amount of current flowing through the heater resistor according to the environmental temperature in a gas sensor of a type that heats a resistance temperature detector such as a thermistor by a heater resistor without performing digital processing. And.
本発明によるガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第1の測温体及び第1の測温体を加熱する第1のヒータ抵抗を含む第1のガスセンサ部と、環境温度に応じて抵抗値が変化する第2の測温体を含む温度センサ部と、第1のヒータ抵抗に第1の制御電圧を印加する第1の電圧印加部とを備え、第1の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第1の制御電圧を変化させる第1のバッファ回路を含むことを特徴とする。 The gas sensor according to the present invention includes a first gas sensor unit including a first thermometer whose resistance value changes according to the concentration of the gas to be measured and a first heater resistance for heating the first thermometer, and an environment. A temperature sensor unit including a second thermometer whose resistance value changes according to temperature, and a first voltage application unit that applies a first control voltage to the first heater resistance are provided, and a first voltage is provided. The application unit includes a first buffer circuit that changes the first control voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit.
本発明によれば、温度センサ部の出力電圧に基づき、第1のバッファ回路を用いて第1の制御電圧をリニアに変化させていることから、デジタル処理などを行うことなく、第1のヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることができる。これにより、環境温度に関わらず、第1の測温体を一定の温度に加熱することが可能となる。 According to the present invention, since the first control voltage is linearly changed by using the first buffer circuit based on the output voltage of the temperature sensor unit, the first heater is not subjected to digital processing or the like. The amount of current flowing through the resistor can be automatically changed according to the ambient temperature. This makes it possible to heat the first resistance temperature detector to a constant temperature regardless of the environmental temperature.
本発明において、第1の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第1の調整電圧を生成する第1の分圧回路と、第1の基準電圧を生成する第1の基準電圧源とをさらに含み、第1のバッファ回路は、第1の基準電圧に対して第1の調整電圧を加算又は減算することによって第1の制御電圧を生成しても構わない。これによれば、環境温度に応じた第1の調整電圧の変化量を第1の分圧回路の分圧比によって調整することが可能となる。 In the present invention, the first voltage application unit includes a first voltage dividing circuit that generates a first adjustment voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit, and a first reference voltage that generates a first reference voltage. The first buffer circuit, further including a source, may generate a first control voltage by adding or subtracting a first adjustment voltage with respect to a first reference voltage. According to this, it is possible to adjust the amount of change of the first adjustment voltage according to the environmental temperature by the voltage division ratio of the first voltage divider circuit.
本発明によるガスセンサは、第1のバッファ回路と温度センサ部の間に接続された第1のスイッチ回路と、第1のバッファ回路と第1の基準電圧源の間に接続された第2のスイッチ回路とをさらに備えていても構わない。これによれば、第1のヒータ抵抗に対して第1の制御電圧を間欠的に印加できることから、消費電力を低減することが可能となる。 The gas sensor according to the present invention includes a first switch circuit connected between the first buffer circuit and the temperature sensor unit, and a second switch connected between the first buffer circuit and the first reference voltage source. It may be further provided with a circuit. According to this, since the first control voltage can be intermittently applied to the first heater resistor, it is possible to reduce the power consumption.
本発明によるガスセンサは、第3の測温体及び第3の測温体を加熱する第2のヒータ抵抗を含む第2のガスセンサ部と、第2のヒータ抵抗に第2の制御電圧を印加する第2の電圧印加部とをさらに備え、第1の測温体と第3の測温体は直列に接続され、第2の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第2の制御電圧をリニアに変化させる第2のバッファ回路を含み、第1の制御電圧と第2の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより第1の測温体と第3の測温体が互いに異なる温度に加熱されるものであっっても構わない。これによれば、測定対象ガスの濃度に応じた検出信号を第1の測温体と第3の測温体の接続点から得ることが可能となる。 In the gas sensor according to the present invention, a second control voltage is applied to the second gas sensor unit including the third thermometer and the second heater resistor for heating the third thermometer, and the second heater resistor. A second voltage application unit is further provided, the first temperature measuring body and the third temperature measuring body are connected in series, and the second voltage application unit is a second based on the output voltage of the temperature sensor unit. A second buffer circuit that linearly changes the control voltage is included, and the first control voltage and the second control voltage have different values from each other, whereby the first temperature measuring body and the third temperature measuring body are mutually different. It may be heated to a different temperature. According to this, it is possible to obtain a detection signal according to the concentration of the gas to be measured from the connection point between the first temperature measuring body and the third temperature measuring body.
本発明において、第2の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第2の調整電圧を生成する第2の分圧回路と、第2の基準電圧を生成する第2の基準電圧源とをさらに含み、第2のバッファ回路は、第2の基準電圧に対して第2の調整電圧を加算又は減算することによって第2の制御電圧を生成しても構わない。これによれば、環境温度に応じた第2の調整電圧の変化量を第2の分圧回路の分圧比によって調整することが可能となる。 In the present invention, the second voltage application unit includes a second voltage dividing circuit that generates a second adjustment voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit, and a second reference voltage that generates a second reference voltage. The second buffer circuit, further including the source, may generate a second control voltage by adding or subtracting a second adjustment voltage with respect to the second reference voltage. According to this, it is possible to adjust the amount of change of the second adjustment voltage according to the environmental temperature by the voltage division ratio of the second voltage divider circuit.
本発明において、第1の分圧回路と第2の分圧回路の分圧比が互いに異なっていても構わない。これによれば、環境温度に応じた第1及び第2の調整電圧の変化量をそれぞれ個別に設計することが可能となる。 In the present invention, the voltage dividing ratios of the first voltage dividing circuit and the second voltage dividing circuit may be different from each other. According to this, it is possible to individually design the amount of change of the first and second adjustment voltages according to the environmental temperature.
本発明によるガスセンサは、第2のバッファ回路と第2の基準電圧源の間に接続された第3のスイッチ回路をさらに備え、第1のスイッチ回路は、第1及び第2のバッファ回路と温度センサ部の間に接続されていても構わない。これによれば、第1及び第2のヒータ抵抗に対してそれぞれ第1及び第2の制御電圧を間欠的に印加できることから、消費電力を低減することが可能となる。 The gas sensor according to the present invention further includes a third switch circuit connected between the second buffer circuit and the second reference voltage source, and the first switch circuit includes the first and second buffer circuits and the temperature. It may be connected between the sensor units. According to this, since the first and second control voltages can be intermittently applied to the first and second heater resistors, respectively, it is possible to reduce the power consumption.
本発明によるガスセンサは、第1のバッファ回路と第1のヒータ抵抗の間に接続され、第1の制御電圧を保持するサンプルホールド回路をさらに備えていても構わない。これによれば、第1のヒータ抵抗を用いた加熱中において第1の制御電圧を固定することが可能となる。 The gas sensor according to the present invention may further include a sample hold circuit connected between the first buffer circuit and the first heater resistor to hold the first control voltage. According to this, it is possible to fix the first control voltage during heating using the first heater resistor.
本発明において、温度センサ部は、第2の測温体に対して直列に接続された第1の抵抗と、第2の測温体に対して並列に接続された第2の抵抗をさらに含み、出力電圧は、第2の測温体と第1の抵抗の接続点の電圧であっても構わない。これによれば、環境温度に応じた出力電圧の変化量を第1及び第2の抵抗の抵抗値によって調整することが可能となる。 In the present invention, the temperature sensor unit further includes a first resistor connected in series to the second resistance temperature detector and a second resistor connected in parallel to the second resistance temperature detector. The output voltage may be the voltage at the connection point between the second resistance temperature detector and the first resistor. According to this, the amount of change in the output voltage according to the environmental temperature can be adjusted by the resistance values of the first and second resistors.
このように、本発明によるガスセンサによれば、デジタル処理を行うことなく、ヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることが可能となる。このため、回路規模を縮小しつつ、環境温度の変化に応じてヒータ抵抗に流す電流を高精度且つ高速に制御することが可能となる。 As described above, according to the gas sensor according to the present invention, it is possible to automatically change the amount of current flowing through the heater resistor according to the ambient temperature without performing digital processing. Therefore, it is possible to control the current flowing through the heater resistor with high accuracy and high speed in response to a change in the environmental temperature while reducing the circuit scale.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態によるガスセンサ10Aの構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a
図1に示すように、第1の実施形態によるガスセンサ10Aは、センサ部Sと信号処理回路20を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ10Aは、雰囲気中におけるCO2ガスの濃度を検出するものである。
As shown in FIG. 1, the
センサ部Sは、検出対象ガスであるCO2ガスの濃度を検出するための熱伝導式のガスセンサであり、第1のガスセンサ部S1、第2のガスセンサ部S2及び温度センサ部S3を有している。第1のガスセンサ部S1は、第1の測温体であるサーミスタRd1及びこれを加熱するヒータ抵抗MH1からなる。同様に、第2のガスセンサ部S2は、第3の測温体であるサーミスタRd2及びこれを加熱するヒータ抵抗MH2からなる。一方、温度センサ部S3は、第2の測温体であるサーミスタRd3からなる。 The sensor unit S is a heat conduction type gas sensor for detecting the concentration of CO 2 gas, which is a gas to be detected, and has a first gas sensor unit S1, a second gas sensor unit S2, and a temperature sensor unit S3. There is. The first gas sensor unit S1 includes a thermistor Rd1 which is a first temperature measuring body and a heater resistor MH1 for heating the thermistor Rd1. Similarly, the second gas sensor unit S2 includes a thermistor Rd2 which is a third temperature measuring body and a heater resistor MH2 which heats the thermistor Rd2. On the other hand, the temperature sensor unit S3 includes a thermistor Rd3 which is a second temperature measuring body.
図1に示すように、サーミスタRd1,Rd2は、電源電位Vccが供給される配線と接地電位GNDが供給される配線との間に直列に接続されている。一方、サーミスタRd3と抵抗R1は、電源電位Vccが供給される配線と接地電位GNDが供給される配線との間に直列に接続されるとともに、サーミスタRd3に対して並列に抵抗R2が接続されている。サーミスタRd1〜Rd3は、例えば、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からなる。このうち、サーミスタRd1,Rd2はいずれもCO2ガスの濃度を検出するものであるが、後述するように動作温度が互いに異なっている。 As shown in FIG. 1, the thermistors Rd1 and Rd2 are connected in series between the wiring to which the power supply potential Vcc is supplied and the wiring to which the ground potential GND is supplied. On the other hand, the thermistor Rd3 and the resistor R1 are connected in series between the wiring to which the power supply potential Vcc is supplied and the wiring to which the ground potential GND is supplied, and the resistor R2 is connected in parallel with the thermistor Rd3. There is. Thermistors Rd1 to Rd3 are made of materials having a negative temperature coefficient of resistance, such as composite metal oxides, amorphous silicon, polysilicon, and germanium. Of these, the thermistors Rd1 and Rd2 both detect the concentration of CO 2 gas, but their operating temperatures are different from each other as described later.
サーミスタRd1は、ヒータ抵抗MH1によって加熱される。ヒータ抵抗MH1によるサーミスタRd1の加熱温度は例えば150℃である。サーミスタRd1を加熱した状態で測定雰囲気中にCO2ガスが存在すると、その濃度に応じてサーミスタRd1の放熱特性が変化する。かかる変化は、サーミスタRd1の抵抗値の変化となって現れる。サーミスタRd1の加熱温度が150℃である場合、サーミスタRd1の抵抗値は、CO2ガスの濃度に応じて第1の感度で変化する。第1の感度は、サーミスタRd1とサーミスタRd2の接続点に現れる検出電圧VCO2を十分に変化させることが可能な感度を有している。また、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタRd1の放熱特性が変化する。 The thermistor Rd1 is heated by the heater resistor MH1. The heating temperature of the thermistor Rd1 by the heater resistor MH1 is, for example, 150 ° C. If CO 2 gas is present in the measurement atmosphere while the thermistor Rd1 is heated, the heat dissipation characteristics of the thermistor Rd1 change according to its concentration. Such a change appears as a change in the resistance value of the thermistor Rd1. When the heating temperature of the thermistor Rd1 is 150 ° C., the resistance value of the thermistor Rd1 changes with the first sensitivity according to the concentration of CO 2 gas. The first sensitivity has a sensitivity capable of sufficiently changing the detection voltage V CO2 appearing at the connection point between the thermistor Rd1 and the thermistor Rd2. Further, when water vapor is present in the measurement atmosphere, the heat dissipation characteristics of the thermistor Rd1 change according to the concentration thereof.
サーミスタRd2は、ヒータ抵抗MH2によって加熱される。ヒータ抵抗MH2によるサーミスタRd2の加熱温度は例えば300℃である。サーミスタRd2を加熱した状態で測定雰囲気中にCO2ガスが存在しても、サーミスタRd2の抵抗値はほとんど変化しない。これは、サーミスタRd2の加熱温度が300℃である場合、サーミスタRd2の抵抗値は、CO2ガスの濃度に応じて第2の感度で変化するものの、第2の感度は第1の感度よりも大幅に低く、好ましくは第1の感度の1/10以下、より好ましくはほぼゼロだからである。このため、CO2ガスの濃度が変化しても、サーミスタRd2の抵抗値はほとんど変化しない。一方、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタRd2の放熱特性が変化する。 The thermistor Rd2 is heated by the heater resistor MH2. The heating temperature of the thermistor Rd2 by the heater resistor MH2 is, for example, 300 ° C. Even if CO 2 gas is present in the measurement atmosphere while the thermistor Rd2 is heated, the resistance value of the thermistor Rd2 hardly changes. This is because when the heating temperature of the thermistor Rd2 is 300 ° C., the resistance value of the thermistor Rd2 changes with the second sensitivity according to the concentration of CO 2 gas, but the second sensitivity is higher than the first sensitivity. This is because it is significantly lower, preferably 1/10 or less of the first sensitivity, and more preferably almost zero. Therefore, even if the concentration of CO 2 gas changes, the resistance value of the thermistor Rd2 hardly changes. On the other hand, when water vapor is present in the measurement atmosphere, the heat dissipation characteristics of the thermistor Rd2 change according to its concentration.
上述の通り、サーミスタRd1とサーミスタRd2は直列に接続されており、その接続点から検出電圧VCO2が出力される。一方、サーミスタRd3と抵抗R1の接続点からは、温度センサ部S3の出力電圧Vaが出力される。尚、温度センサ部S3に抵抗R2を設けることは必須でないが、サーミスタRd3に対して抵抗R2を並列に接続することにより、温度変化に対する出力電圧Vaの直線性を高めることが可能となる。検出電圧VCO2及び出力電圧Vaは、信号処理回路20に入力される。
As described above, the thermistor Rd1 and the thermistor Rd2 are connected in series, and the detection voltage V CO2 is output from the connection point. On the other hand, the output voltage Va of the temperature sensor unit S3 is output from the connection point between the thermistor Rd3 and the resistor R1. Although it is not essential to provide the resistor R2 in the temperature sensor unit S3, by connecting the resistor R2 in parallel to the thermistor Rd3, it is possible to improve the linearity of the output voltage Va with respect to the temperature change. The detection voltage V CO2 and the output voltage Va are input to the
信号処理回路20は、電圧印加部V1,V2、バッファ25、差動アンプ26、ADコンバータ(ADC)27、DAコンバータ(DAC)28、制御部29及びスイッチ回路SW1〜SW3を備えている。バッファ25は、出力電圧Vaをバッファリングすることによって温度信号Vtempを生成する。また、差動アンプ26は、検出電圧VCO2とリファレンス電圧Vrefを比較し、その差を増幅する。バッファ25から出力される温度信号Vtemp及び差動アンプ26から出力されるガス検出信号Vampは、ADコンバータ27に入力される。
The
ADコンバータ27は温度信号Vtemp及びガス検出信号Vampをデジタル変換し、その値を制御部29に供給する。一方、DAコンバータ28は、制御部29から供給されるリファレンス信号をアナログ変換することによってリファレンス電圧Vrefを生成する。制御部29は、デジタル変換されたガス検出信号Vampに基づいて、現在のCO2ガスの濃度を示す出力信号Voutを生成する。また、制御部29は、スイッチ回路SW1〜SW3の制御も行う。
The
電圧印加部V1は、ヒータ抵抗MH1に印加する制御電圧Vmh1を生成するための回路であり、分圧回路21、基準電圧源23及びアナログバッファA1を含んでいる。同様に、電圧印加部V2は、ヒータ抵抗MH2に印加する制御電圧Vmh2を生成するための回路であり、分圧回路22、基準電圧源24及びアナログバッファA2を含んでいる。
The voltage application unit V1 is a circuit for generating a control voltage Vmh1 applied to the heater resistor MH1, and includes a
電圧印加部V1に含まれる分圧回路21は、スイッチ回路SW3がオン状態である場合に調整電圧Vbを生成する。分圧回路21は抵抗R3,R4が直列に接続された構成を有しており、抵抗R3,R4の接続点から調整電圧Vbが得られる。調整電圧VbはアナログバッファA1に供給される。また、基準電圧源23は、基準電圧Vdを生成する。基準電圧Vdは、スイッチ回路SW1がオン状態である場合にアナログバッファA1に供給される。アナログバッファA1は、基準電圧Vdから調整電圧Vbを減算することによって制御電圧Vmh1を生成する(Vmh1=Vd−Vb)。制御電圧Vmh1はヒータ抵抗MH1に印加される。
The
電圧印加部V2に含まれる分圧回路22は、スイッチ回路SW3がオン状態である場合に調整電圧Vcを生成する。分圧回路22は抵抗R5,R6が直列に接続された構成を有しており、抵抗R5,R6の接続点から調整電圧Vcが得られる。調整電圧VcはアナログバッファA2に供給される。また、基準電圧源24は、基準電圧Veを生成する。基準電圧Veは、スイッチ回路SW2がオン状態である場合にアナログバッファA2に供給される。アナログバッファA2は、基準電圧Veから調整電圧Vcを減算することによって制御電圧Vmh2を生成する(Vmh2=Ve−Vc)。制御電圧Vmh2はヒータ抵抗MH2に印加される。
The
図2は、センサ部Sの構成を説明するための上面図である。また、図3は、図2に示すA−A線に沿った断面図である。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、デバイス相互間の厚みの比率などは、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構わない。 FIG. 2 is a top view for explaining the configuration of the sensor unit S. Further, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. The drawings are schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness between the devices, and the like are different from the actual structure within the range where the effect of the present embodiment can be obtained. It doesn't matter if you do.
センサ部Sは、CO2ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図2及び図3に示すように、2つのガスセンサ部S1,S2と、ガスセンサ部S1とガスセンサ部S2の間に配置された温度センサ部S3と、これらセンサ部S1〜S3を収容するセラミックパッケージ51を備えている。
The sensor unit S is a heat conduction type gas sensor that detects the gas concentration based on the change in heat dissipation characteristics according to the concentration of CO 2 gas, and as shown in FIGS. 2 and 3, the two gas sensor units S1 and S2 A temperature sensor unit S3 arranged between the gas sensor unit S1 and the gas sensor unit S2, and a
セラミックパッケージ51は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド52が設けられている。リッド52は複数の通気口53を有しており、これにより、雰囲気中のCO2ガスがセラミックパッケージ51内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図2においてはリッド52が省略されている。
The
特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板61上に3つのセンサ部S1〜S3が集積されている。基板61には、3つのセンサ部S1〜S3にそれぞれ対応する3つのキャビティ61a〜61cが形成されている。
Although not particularly limited, in the present embodiment, three sensor units S1 to S3 are integrated on a
基板61は、絶縁膜62,63と、絶縁膜63上に設けられたヒータ抵抗MH1,MH2と、ヒータ抵抗MH1,MH2を覆うヒータ保護膜64と、キャビティ61a〜61cと重なる位置においてそれぞれヒータ保護膜64上に設けられたサーミスタRd1〜Rd3及びサーミスタ電極35,45,65と、サーミスタRd1〜Rd3及びサーミスタ電極35,45,65を覆うサーミスタ保護膜66とを備える。
The
基板61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く、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、ガラス基板などを用いることができる。絶縁膜62,63は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。ヒータ抵抗MH1,MH2は、比較的高融点の材料からなる金属材料、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。サーミスタRd1〜Rd3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からなる。ここで、測温体としてサーミスタを用いているのは、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。ヒータ保護膜64の材料としては、絶縁膜63と同じ材料を用いることができる。
The
サーミスタ電極35,45,65は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極35間にサーミスタRd1が設けられ、一対のサーミスタ電極45間にサーミスタRd2が設けられ、一対のサーミスタ電極65間にサーミスタRd3が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極35,45,65間における抵抗値は、それぞれサーミスタRd1〜Rd3の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極35,45,65の材料としては、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2に示すように、ヒータ抵抗MH1の両端は電極パッド37a,37bにそれぞれ接続され、ヒータ抵抗MH2の両端は電極パッド47a,47bにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極35の両端は電極パッド37c,37dにそれぞれ接続され、サーミスタ電極45の両端は電極パッド47c,47dにそれぞれ接続され、サーミスタ電極65の両端は電極パッド67a,67bにそれぞれ接続される。これらの電極パッドは、ボンディングワイヤ55を介して、セラミックパッケージ51に設けられたパッケージ電極54に接続される。パッケージ電極54は、セラミックパッケージ51の裏面に設けられた外部端子56を介して、図1に示す信号処理回路20に接続される。
As shown in FIG. 2, both ends of the heater resistor MH1 are connected to the
以上が本実施形態によるガスセンサ10Aの構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ10Aの動作について説明する。
The above is the configuration of the
本実施形態によるガスセンサ10Aは、CO2ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、CO2ガスの濃度によるサーミスタRd1,Rd2の放熱特性の変化をガス検出電圧VCO2として取り出す。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、CO2ガスの濃度だけでなく、湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、湿度の影響が測定誤差となってしまう。そこで、本実施形態によるガスセンサ10Aは、ヒータ抵抗MH1を用いてサーミスタRd1を例えば150℃に加熱し、ヒータ抵抗MH2を用いてサーミスタRd2を例えば300℃に加熱している。加熱温度が150℃である場合、CO2ガスの濃度に応じてサーミスタRd1の放熱特性が大きく変化するのに対し、加熱温度が300℃である場合、CO2ガスの濃度に応じたサーミスタRd2の放熱特性はほとんど変化しない。一方、加熱温度が150℃である場合も300℃である場合も、湿度によってサーミスタRd1,Rd2の放熱特性が変化することから、サーミスタRd1,Rd2を直列に接続することによって、湿度の影響をキャンセルすることができる。ここで、湿度に対するサーミスタRd1,Rd2の感度に差がある場合には、サーミスタRd1又はサーミスタRd2に対して並列に補正抵抗を接続することによって、感度差を低減することが可能である。
The
さらに、本実施形態によるガスセンサ10Aは、環境温度が変化しても、ヒータ抵抗MH1,MH2にそれぞれ印加する制御電圧Vmh1,Vmh2のレベルが電圧印加部V1,V2によって自動調整される。
Further, in the
図4は環境温度と電圧Va,Vb,Vd,Vmh1の関係を示すグラフであり、図5は環境温度と電圧Va,Vc,Ve,Vmh2の関係を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the environmental temperature and the voltages Va, Vb, Vd, and Vmh1, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between the environmental temperature and the voltages Va, Vc, Ve, and Vmh2.
図4に示すように、環境温度が高くなると、サーミスタRd3の抵抗値が低くなるため、温度センサ部S3の出力電圧Vaが上昇する。出力電圧Vaは、分圧回路21によって所定の分圧比で分圧され、調整電圧Vbが生成される。調整電圧Vbも環境温度に応じて高くなるが、分圧回路21によって分圧されているため、調整電圧Vbのレベル及び環境温度に応じた変化は、出力電圧Vaよりも小さくなる。そして、アナログバッファA1によって基準電圧Vdから調整電圧Vbが減算され(Vd−Vb)、制御電圧Vmh1が生成される。これにより、制御電圧Vmh1のレベルは環境温度が高くなるほど低くなるため、環境温度に関わらず、サーミスタRd1を一定の温度(例えば150℃)で加熱することが可能となる。
As shown in FIG. 4, when the environmental temperature rises, the resistance value of the thermistor Rd3 decreases, so that the output voltage Va of the temperature sensor unit S3 rises. The output voltage Va is divided by the
同様に、出力電圧Vaは分圧回路22によって所定の分圧比で分圧され、調整電圧Vcが生成される。図5に示すように、調整電圧Vcも環境温度に応じて高くなるが、分圧回路22によって分圧されているため、調整電圧Vcのレベル及び環境温度に応じた変化は、出力電圧Vaよりも小さくなる。そして、アナログバッファA2によって基準電圧Veから調整電圧Vcが減算され(Ve−Vc)、制御電圧Vmh2が生成される。これにより、制御電圧Vmh2のレベルは環境温度が高くなるほど低くなるため、環境温度に関わらず、サーミスタRd2を一定の温度(例えば300℃)で加熱することが可能となる。
Similarly, the output voltage Va is divided by the
図6は、環境温度と電圧Vmh1,Vmh2,VCO2の関係を示すグラフである。 Figure 6 is a graph showing the relationship between the environmental temperature and voltage Vmh1, Vmh2, V CO2.
図6に示す制御電圧Vmh1,Vmh2の変化は図4及び図5と同じであり、環境温度が高くなるほど低くなる。これにより、環境温度に関わらず、サーミスタRd1,Rd2がそれぞれ所望の一定温度で加熱されることから、測定雰囲気中に含まれるCO2ガスの濃度が一定であれば、環境温度に関わらずガス検出電圧VCO2のレベルは一定となる。 The changes in the control voltages Vmh1 and Vmh2 shown in FIG. 6 are the same as those in FIGS. 4 and 5, and become lower as the environmental temperature increases. As a result, the thermistors Rd1 and Rd2 are heated at a desired constant temperature regardless of the environmental temperature. Therefore, if the concentration of CO 2 gas contained in the measurement atmosphere is constant, gas detection is performed regardless of the environmental temperature. The level of voltage V CO2 is constant.
このように、本実施形態によれば、環境温度に関わらず、サーミスタRd1,Rd2をそれぞれ所望の一定温度で加熱することが可能となる。しかも、温度変化に応じた制御電圧Vmh1,Vmh2の調整をデジタル処理によって行うのではなく、分圧回路及びアナログバッファを用いてリニアに行っていることから、DAコンバータやADコンバータの分解能に起因する制御電圧Vmh1,Vmh2の誤差が生じないだけでなく、制御電圧Vmh1,Vmh2の調整を極めて高速に行うことが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the thermistors Rd1 and Rd2 can be heated at a desired constant temperature regardless of the environmental temperature. Moreover, since the control voltages Vmh1 and Vmh2 according to the temperature change are not adjusted by digital processing but linearly by using a voltage dividing circuit and an analog buffer, it is caused by the resolution of the DA converter or AD converter. Not only does the error of the control voltages Vmh1 and Vmh2 not occur, but also the control voltages Vmh1 and Vmh2 can be adjusted at an extremely high speed.
図7は、スイッチ回路SW1〜SW3の制御タイミングの一例を示すタイミング図である。図7に示す例では、スイッチ回路SW1〜SW3を同時且つ間欠的にオンさせることにより、調整電圧Vb,Vcを間欠的に生成するとともに、基準電圧Vd,VeをアナログバッファA1,A2に間欠的に入力している。これにより、調整電圧Vb,Vc及び基準電圧Vd,Veが発生している期間にのみ制御電圧Vmh1,Vmh2が生成されることから、消費電力を低減することが可能となる。 FIG. 7 is a timing diagram showing an example of control timing of the switch circuits SW1 to SW3. In the example shown in FIG. 7, by turning on the switch circuits SW1 to SW3 simultaneously and intermittently, the adjustment voltages Vb and Vc are intermittently generated, and the reference voltages Vd and Ve are intermittently generated in the analog buffers A1 and A2. You are typing in. As a result, the control voltages Vmh1 and Vmh2 are generated only during the period when the adjustment voltages Vb and Vc and the reference voltages Vd and Ve are generated, so that the power consumption can be reduced.
図8は、本発明の第2の実施形態によるガスセンサ10Bの構成を示す回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the
図8に示すように、第2の実施形態によるガスセンサ10Bは、サンプルホールド回路SH1,SH2が追加されている点において、図1に示した第1の実施形態によるガスセンサ10Aと相違している。その他の基本的な構成は、第1の実施形態によるガスセンサ10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIG. 8, the
サンプルホールド回路SH1は、アナログバッファA1とヒータ抵抗MH1の間に接続されており、制御部29による制御によって、制御電圧Vmh1のサンプリング動作及びホールド動作を行う。同様に、サンプルホールド回路SH2は、アナログバッファA2とヒータ抵抗MH2の間に接続されており、制御部29による制御によって、制御電圧Vmh2のサンプリング動作及びホールド動作を行う。
The sample hold circuit SH1 is connected between the analog buffer A1 and the heater resistor MH1, and performs a sampling operation and a hold operation of the control voltage Vmh1 under the control of the
図9は、第2の実施形態におけるスイッチ回路SW1〜SW3の制御タイミングの一例を示すタイミング図である。図9に示す例では、図7に示した例と比べてスイッチ回路SW1〜SW3のオン時間が短縮されているとともに、スイッチ回路SW1〜SW3がオンしている期間にサンプルホールド回路SH1,SH2によるサンプリング動作が行われている。そして、サンプリング動作を行った後、一定期間ホールド動作を行うことによって、サンプリングした制御電圧Vmh1,Vmh2を出力する。これによれば、ヒータ抵抗MH1,MH2による加熱動作によって温度センサ部S3の出力電圧Vaが変化(上昇)しても、制御電圧Vmh1,Vmh2をそれぞれ一定に保つことが可能となる。また、ホールド期間中に環境温度が変化した場合であっても、制御電圧Vmh1,Vmh2がそれぞれ一定に保たれることから、安定した制御を行うことが可能となる。 FIG. 9 is a timing diagram showing an example of the control timing of the switch circuits SW1 to SW3 in the second embodiment. In the example shown in FIG. 9, the on-time of the switch circuits SW1 to SW3 is shortened as compared with the example shown in FIG. 7, and the sample hold circuits SH1 and SH2 are used during the period when the switch circuits SW1 to SW3 are on. Sampling operation is being performed. Then, after performing the sampling operation, the sampled control voltages Vmh1 and Vmh2 are output by performing the hold operation for a certain period of time. According to this, even if the output voltage Va of the temperature sensor unit S3 changes (rises) due to the heating operation by the heater resistors MH1 and MH2, the control voltages Vmh1 and Vmh2 can be kept constant, respectively. Further, even if the environmental temperature changes during the hold period, the control voltages Vmh1 and Vmh2 are kept constant, so that stable control can be performed.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention, and these are also the present invention. Needless to say, it is included in the range.
例えば、上記実施形態では、測定対象ガスがCO2ガスである場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。 For example, in the above embodiment , the case where the measurement target gas is CO 2 gas has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. Further, it is not essential that the sensor unit used in the present invention is a heat conduction type sensor, and another type of sensor such as a contact combustion type sensor may be used.
また、上記実施形態では、アナログバッファによって基準電圧から調整電圧を減算しているが、基準電圧と調整電圧を加算しても構わない。例えば、温度センサ部S3に白金測温体など正の抵抗温度係数を持つ材料を用いたり、或いは、サーミスタRd3と抵抗R1の位置を入れ替えたりする場合のように、環境温度が高くなるほど出力電圧Vaが低くなるよう設計した場合には、アナログバッファによって基準電圧と調整電圧を加算することにより、ヒータ抵抗を一定の温度で加熱することが可能となる。 Further, in the above embodiment, the adjustment voltage is subtracted from the reference voltage by the analog buffer, but the reference voltage and the adjustment voltage may be added. For example, when a material having a positive temperature coefficient of resistance such as a platinum temperature detector is used for the temperature sensor unit S3, or when the positions of the thermistor Rd3 and the resistor R1 are exchanged, the output voltage Va increases as the environmental temperature increases. When designed to be low, the heater resistance can be heated at a constant temperature by adding the reference voltage and the adjustment voltage with the analog buffer.
10A,10B ガスセンサ
20 信号処理回路
21,22 分圧回路
23,24 基準電圧源
25 バッファ
26 差動アンプ
27 ADコンバータ
28 DAコンバータ
29 制御部
35,45,65 サーミスタ電極
37a〜37d,47a〜47d,67a,67b 電極パッド
51 セラミックパッケージ
52 リッド
53 通気口
54 パッケージ電極
55 ボンディングワイヤ
56 外部端子
61 基板
61a〜61c キャビティ
62,63 絶縁膜
64 ヒータ保護膜
65 サーミスタ電極
66 サーミスタ保護膜
A1,A2 アナログバッファ(バッファ回路)
MH1,MH2 ヒータ抵抗
R1〜R6 抵抗
Rd1〜Rd3 サーミスタ
S センサ部
S1 第1のガスセンサ部
S2 第2のガスセンサ部
S3 温度センサ部
SH1,SH2 サンプルホールド回路
SW1〜SW3 スイッチ回路
V1,V2 電圧印加部
10A,
MH1, MH2 Heater resistance R1 to R6 Resistance Rd1 to Rd3 Thermistor S Sensor unit S1 First gas sensor unit S2 Second gas sensor unit S3 Temperature sensor unit SH1, SH2 Sample hold circuit SW1 to SW3 Switch circuit V1, V2 Voltage application unit
Claims (9)
環境温度に応じて抵抗値が変化する第2の測温体を含む温度センサ部と、
前記第1のヒータ抵抗に第1の制御電圧を印加する第1の電圧印加部と、を備え、
前記第1の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて前記第1の制御電圧を変化させる第1のバッファ回路を含むことを特徴とするガスセンサ。 A first resistance temperature detector whose resistance value changes according to the concentration of the gas to be measured, a first gas sensor unit including a first heater resistance for heating the first resistance temperature detector, and a first gas sensor unit.
A temperature sensor unit that includes a second resistance temperature detector whose resistance value changes according to the environmental temperature,
A first voltage application unit for applying a first control voltage to the first heater resistor is provided.
The first voltage application unit is a gas sensor including a first buffer circuit that changes the first control voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit.
前記第1のバッファ回路は、前記第1の基準電圧に対して前記第1の調整電圧を加算又は減算することによって前記第1の制御電圧を生成することを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The first voltage application unit includes a first voltage dividing circuit that generates a first adjustment voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit, and a first reference voltage source that generates a first reference voltage. Including
The first buffer circuit according to claim 1, wherein the first buffer circuit generates the first control voltage by adding or subtracting the first adjustment voltage with respect to the first reference voltage. Gas sensor.
前記第1のバッファ回路と前記第1の基準電圧源の間に接続された第2のスイッチ回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ。 A first switch circuit connected between the first buffer circuit and the temperature sensor unit,
The gas sensor according to claim 2, further comprising a second switch circuit connected between the first buffer circuit and the first reference voltage source.
前記第2のヒータ抵抗に第2の制御電圧を印加する第2の電圧印加部と、をさらに備え、
前記第1の測温体と前記第3の測温体は直列に接続され、
前記第2の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて前記第2の制御電圧をリニアに変化させる第2のバッファ回路を含み、
前記第1の制御電圧と前記第2の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより前記第1の測温体と前記第3の測温体が互いに異なる温度に加熱されることを特徴とする請求項3に記載のガスセンサ。 A third temperature measuring body, a second gas sensor unit including a second heater resistor for heating the third temperature measuring body, and
A second voltage application unit for applying a second control voltage to the second heater resistor is further provided.
The first resistance thermometer and the third resistance temperature detector are connected in series and
The second voltage application unit includes a second buffer circuit that linearly changes the second control voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit.
The first control voltage and the second control voltage have different values, whereby the first temperature measuring body and the third temperature measuring body are heated to different temperatures. The gas sensor according to claim 3.
前記第2のバッファ回路は、前記第2の基準電圧に対して前記第2の調整電圧を加算又は減算することによって前記第2の制御電圧を生成することを特徴とする請求項4に記載のガスセンサ。 The second voltage application unit includes a second voltage dividing circuit that generates a second adjusted voltage based on the output voltage of the temperature sensor unit, and a second reference voltage source that generates a second reference voltage. Including
The second buffer circuit according to claim 4, wherein the second buffer circuit generates the second control voltage by adding or subtracting the second adjustment voltage with respect to the second reference voltage. Gas sensor.
前記第1のスイッチ回路は、前記第1及び第2のバッファ回路と前記温度センサ部の間に接続されていることを特徴とする請求項5又は6に記載のガスセンサ。 Further comprising a third switch circuit connected between the second buffer circuit and the second reference voltage source.
The gas sensor according to claim 5 or 6, wherein the first switch circuit is connected between the first and second buffer circuits and the temperature sensor unit.
前記出力電圧は、前記第2の測温体と前記第1の抵抗の接続点の電圧であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載のガスセンサ。 The temperature sensor unit further includes a first resistor connected in series to the second resistance temperature detector and a second resistor connected in parallel to the second resistance temperature detector.
The gas sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the output voltage is a voltage at a connection point between the second temperature measuring body and the first resistor.
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