JP2021099220A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】ガスセンサ１は、フィードバック回路部１０とセンサ回路部２０を備える。フィードバック回路部１０は、直列に接続された第１の定電流源ＣＣ１及び第１のサーミスタＲｄ１と、第１のサーミスタＲｄ１を加熱する第１のヒータ抵抗ＭＨ１と、内部電位Ｖ０に基づいて第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流す電流量を制御する第１のアンプ回路Ａ１とを含む。センサ回路部２０は、第２のサーミスタＲｄ２と、第２のサーミスタＲｄ２を加熱する第２のヒータ抵抗ＭＨ２と含み、第２のヒータ抵抗ＭＨ２には、第１のアンプ回路Ａ１の出力に応じた電流が流れる。これにより、デジタル処理などを行うことなく、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させ、第２のサーミスタＲｄ２を一定の温度に加熱することが可能となる。【選択図】図１

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、サーミスタを加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサに関する。

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。

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。

特開２０１７−９４７２号公報

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。

さらに、特許文献１に記載されたガスセンサは、検出対象ガスの濃度に応じてサーミスタの温度が上昇し抵抗値が低下すると、サーミスタに流れる電流が増加するため、自己発熱によってサーミスタの温度がさらに上昇する。このようなサーミスタの温度上昇により、測定誤差が生じるだけでなく、経年変化が加速するという問題があった。

したがって、本発明は、ヒータ抵抗によってサーミスタ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とともに、自己発熱による測定誤差や経年変化を抑えることを目的とする。

本発明の一側面によるガスセンサは、直列に接続された第１の定電流源及び第１のサーミスタと、第１のサーミスタを加熱する第１のヒータ抵抗と、第１の定電流源と第１のサーミスタの接続点の電位に基づいて、第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第１のアンプ回路とを含むフィードバック回路部と、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第２のサーミスタと、第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗とを含むセンサ回路部と、を備え、第２のヒータ抵抗には、第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることを特徴とする。

本発明によれば、第１のアンプ回路の出力が第１のヒータ抵抗にフィードバックされることから、環境温度にかかわらず、第１のサーミスタを一定の温度に加熱することができる。そして、第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗には、第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることから、第２のサーミスタについても、環境温度にかかわらず一定の温度に加熱される。これにより、デジタル処理などを行うことなく、第２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、第２のサーミスタを一定の温度に加熱することが可能となる。しかも、第１のサーミスタと第１の定電流源が直列に接続されていることから、仮に、測定対象ガスの濃度に応じて第１のサーミスタの抵抗値が変化しても、第１のサーミスタに流れる電流は変化しない。つまり、第１のサーミスタの自己発熱はほぼ一定であり、測定対象ガスの濃度に応じた自己発熱量の変化は極めて少なくなる。このため、測定対象ガスの濃度に応じた測定誤差が最小限に抑えられるとともに、経年変化が抑えられる。

本発明において、センサ回路部は、第２のサーミスタに直列に接続された第２の定電流源をさらに含んでいても構わない。これによれば、測定対象ガスの濃度に応じて第２のサーミスタの抵抗値が変化しても、第２のサーミスタに流れる電流はほとんど変化しないことから、第２のサーミスタの自己発熱に起因する測定誤差や経年変化を抑えることが可能となる。

本発明の他の側面によるガスセンサは、第１のサーミスタと、第１のサーミスタを加熱する第１のヒータ抵抗と、第１のサーミスタの抵抗値に基づいて、第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第１のアンプ回路とを含むフィードバック回路部と、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第２のサーミスタと、第２のサーミスタに直列に接続された定電流源と、第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗と含むセンサ回路部とを備え、第２のヒータ抵抗には、第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることを特徴とする。

本発明においても、第１のアンプ回路の出力が第１のヒータ抵抗にフィードバックされることから、環境温度にかかわらず、第１のサーミスタを一定の温度に加熱することができる。そして、第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗には、第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることから、第２のサーミスタについても、環境温度にかかわらず一定の温度に加熱される。これにより、デジタル処理などを行うことなく、第２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、第２のサーミスタを一定の温度に加熱することが可能となる。しかも、測定対象ガスの濃度に応じて第２のサーミスタの抵抗値が変化しても、第２のサーミスタに流れる電流はほとんど変化しないことから、第２のサーミスタの自己発熱に起因する測定誤差や経年変化を抑えることが可能となる。

本発明において、センサ回路部は、第１のアンプ回路の出力電圧に応じて、第２のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第２のアンプ回路をさらに含むものであっても構わない。これによれば、第１及び第２のアンプ回路がそれぞれ第１及び第２のヒータ抵抗を駆動することが可能となる。この場合、第１のヒータ抵抗に流れる電流量と第２のヒータ抵抗に流れる電流量は、互いに異なっていても構わない。このような構成は、第１のアンプ回路と第２のアンプ回路を互いに異なるゲインとすることによって実現可能である。

本発明において、センサ回路部は、第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗と、第１のアンプ回路の出力電圧に応じて、第３のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第３のアンプ回路とをさらに含むものであっても構わない。これによれば、電源電位の変動に起因する測定誤差を低減することが可能となる。この場合、第２のヒータ抵抗に流れる電流量と第３のヒータ抵抗に流れる電流量は、互いに異なっていても構わない。このような構成は、第２のアンプ回路と第３のアンプ回路を互いに異なるゲインとすることによって実現可能である。

本発明において、第１のヒータ抵抗と第２のヒータ抵抗が直列に接続されていても構わない。これによれば、第１のアンプ回路とは別のアンプ回路を用いることなく、第２のヒータ抵抗に電流を流すことが可能となる。この場合、センサ回路部は、第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗とをさらに含み、第１、第２及び第３のヒータ抵抗が直列に接続されていても構わない。これによれば、第１のアンプ回路とは別のアンプ回路を用いることなく、第２及び第３のヒータ抵抗に電流を流すことが可能となる。

本発明によるガスセンサは、第１及び第２のヒータ抵抗に所定の比率で電流を流すカレントミラー回路をさらに備えていても構わない。これによれば、第１及び第２のヒータ抵抗に任意の比率で電流を流すことが可能となる。この場合、センサ回路部は、第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗とをさらに含み、カレントミラー回路は、第１、第２及び第３のヒータ抵抗に所定の比率で電流を流すものであっても構わない。これによれば、第１、第２及び第３のヒータ抵抗に任意の比率で電流を流すことが可能となる。

本発明において、センサ回路部は、第２のヒータ抵抗に並列に接続された分流抵抗をさらに含んでいても構わない。これによれば、第２のヒータ抵抗に流れる電流を分流抵抗によって調整することが可能となる。

本発明において、センサ回路部は、第２のサーミスタの一端の電位と基準電位を比較することによって出力信号を生成する出力アンプをさらに含み、第１のアンプ回路は、接続点の電位と基準電位を比較することによって、第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御するものであっても構わない。これによれば、第１のサーミスタ、第１のヒータ抵抗及び第１のアンプ回路からなる回路構成と、第２のサーミスタ、第２のヒータ抵抗及び出力アンプからなる回路構成をほぼ一致させることが可能となる。

本発明において、第１のサーミスタ及び第１のヒータ抵抗を含む第１のセンサ素子と、第２のサーミスタ及び第２のヒータ抵抗を含む第２のセンサ素子は、同じパッケージ内に収容されていても構わない。これによれば、第１及び第２のセンサ素子の環境温度をほぼ一致させることが可能となる。

本発明において、第１のサーミスタ及び第１のヒータ抵抗を含む第１のセンサ素子と、第２のサーミスタ及び第２のヒータ抵抗を含む第２のセンサ素子は、同じ基板上に集積されていても構わない。これによれば、部品点数が削減されるとともに、第１及び第２のセンサ素子の環境温度をほぼ完全に一致させることが可能となる。

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。しかも、測定対象ガスの濃度に応じた自己発熱量の変化がほとんど生じないことから、測定誤差や経年変化を最小限に抑えることが可能となる。

図１は、本発明の基本構成によるガスセンサ１の回路図である。 図２は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１Ａの回路図である。 図３は、第１の実施形態の変形例によるガスセンサ１Ｂの回路図である。 図４は、第１例による第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２のデバイス構造を説明するための上面図である。 図５は、図４に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図６は、第２例による第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２のデバイス構造を説明するための上面図である。 図７は、図６に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２Ａの回路図である。 図９は、第２の実施形態の変形例によるガスセンサ２Ｂの回路図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３Ａの回路図である。 図１１は、第３の実施形態の変形例によるガスセンサ３Ｂの回路図である。 図１２は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ４Ａの回路図である。 図１３は、第４の実施形態の変形例によるガスセンサ４Ｂの回路図である。 図１４は、本発明の第５の実施形態によるガスセンサ５Ａの回路図である。 図１５は、第５の実施形態の変形例によるガスセンサ５Ｂの回路図である。 図１６は、本発明の第６の実施形態によるガスセンサ６Ａの回路図である。 図１７は、第６の実施形態の変形例によるガスセンサ６Ｂの回路図である。

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。

＜基本構成＞
図１は、本発明の基本構成によるガスセンサ１の回路図である。

図１に示す基本構成によるガスセンサ１は、フィードバック回路部１０と、センサ回路部２０と、電流調整回路Ｃとを有している。

フィードバック回路部１０は、環境温度に応じてフィードバック出力Ｆを生成する回路であり、直列に接続された第１の定電流源ＣＣ１及び第１のサーミスタＲｄ１と、第１のサーミスタＲｄ１を加熱する第１のヒータ抵抗ＭＨ１と、第１の定電流源ＣＣ１と第１のサーミスタＲｄ１の接続点Ｎ０に現れる内部電位Ｖ０に基づいて、フィードバック出力Ｆを生成する第１のアンプ回路Ａ１とを含んでいる。第１の定電流源ＣＣ１と接続点Ｎ０の間には、固定抵抗を接続しても構わない。第１のアンプ回路Ａ１は、定電圧源ＣＶからの基準電位Ｖｒｅｆと内部電位Ｖ０を比較し、これに基づいてフィードバック出力Ｆを生成する。フィードバック出力Ｆは、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に供給されるとともに、電流調整回路Ｃにも供給される。

第１のサーミスタＲｄ１は、温度によって抵抗値が変化する素子であれば特に限定されず、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サーミスタものであっても構わない。但し、第１のサーミスタＲｄ１は、測定対象ガスの濃度に応じた抵抗値の変化が小さいことが好ましく、少なくとも、センサ回路部２０に含まれる第２のサーミスタＲｄ２よりも、測定対象ガスの濃度に応じた抵抗値の変化が小さいことが求められる。図１に示す第１のサーミスタＲｄ１と第１のアンプ回路Ａ１の接続関係は、第１のサーミスタＲｄ１が負の抵抗温度係数を持つ材料からなる場合を示しており、この場合、図１に示すように、第１のアンプ回路Ａ１の非反転入力端子（＋）に内部電位Ｖ０が入力され、反転入力端子（−）に基準電位Ｖｒｅｆが入力される。

第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、第１のサーミスタＲｄ１をあらかじめ定められた第１の設定温度（例えば３００℃）で加熱する。これにより、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値は、第１の設定温度に対応する所定の値となる。そして、定電圧源ＣＶからの基準電位Ｖｒｅｆは、第１のサーミスタＲｄ１が第１の設定温度に正しく加熱された場合における内部電位Ｖ０と同じ値に設定される。ここで、第１のサーミスタＲｄ１には第１の定電流源ＣＣ１からの定電流Ｉ_１が流れるため、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値をＲ１とした場合、内部電位Ｖ０のレベルは、Ｒ１×Ｉ_１によって決まる。したがって、基準電位Ｖｒｅｆは、第１のサーミスタＲｄ１が第１の設定温度に正しく加熱された場合における抵抗値Ｒ１と定電流Ｉ_１の積によって決まるレベルに設定される。

そして、環境温度の変化などに起因して、第１のサーミスタＲｄ１の実際の加熱温度が第１の設定温度からずれた場合、基準電位Ｖｒｅｆと内部電位Ｖ０の間に差が生じ、これが第１のアンプ回路Ａ１によって増幅されることによりフィードバック出力Ｆが変化する。例えば、第１のサーミスタＲｄ１の実際の加熱温度が第１の設定温度よりも低い場合には、第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が第１の設定温度と一致するよう、フィードバック出力Ｆが上昇する。逆に、第１のサーミスタＲｄ１の実際の加熱温度が第１の設定温度よりも高い場合には、第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が第１の設定温度と一致するよう、フィードバック出力Ｆが低下する。このようなフィードバック制御により、第１のサーミスタＲｄ１の実際の加熱温度は、環境温度にかかわらず、第１の設定温度と一致する。

上述の通り、第１のサーミスタＲｄ１は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化しないことが理想であるが、実際には、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が僅かに変化することがある。また、測定対象ガス以外のガスによっても、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値は変化し得る。このような抵抗値の変化は、フィードバック出力Ｆの変化となって現れるため、測定誤差の原因となる。しかしながら、本発明の基本構成によるガスセンサ１においては、第１のサーミスタＲｄ１と第１の定電流源ＣＣ１が直列に接続されていることから、測定対象ガスの濃度に応じて第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値が変化しても、第１のサーミスタＲｄ１に流れる電流はほとんど変化しない。つまり、第１のサーミスタＲｄ１の自己発熱はほぼ一定であり、測定対象ガスの濃度に応じた自己発熱量の変化は極めて少ない。このため、測定対象ガスの濃度に応じた測定誤差は、最小限に抑えられる。

フィードバック出力Ｆは、第１のヒータ抵抗ＭＨ１だけでなく、電流調整回路Ｃにも供給される。電流調整回路Ｃは、フィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０とは別の回路要素であっても構わないし、フィードバック回路部１０又はセンサ回路部２０の一部であっても構わない。

センサ回路部２０は、測定対象ガスの濃度に応じて出力信号Ｖ１を生成する回路であり、直列に接続された第２の定電流源ＣＣ２及び第２のサーミスタＲｄ２と、第２のサーミスタＲｄ２を加熱する第２のヒータ抵抗ＭＨ２とを含んでいる。第２の定電流源ＣＣ２と接続点Ｎ１の間には、固定抵抗を接続しても構わない。第２の定電流源ＣＣ２の電流値は、第１の定電流源ＣＣ１の電流値と同じであっても構わない。第２のサーミスタＲｄ２は、第１のサーミスタＲｄ１と同様、温度によって抵抗値が変化する素子であれば特に限定されないが、第１のサーミスタＲｄ１と同じ構成を有する素子であることが好ましい。また、第２のサーミスタＲｄ２は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する素子である必要がある。測定対象ガスの種類については特に限定されず、ＣＯ_２ガスやＣＯガスなどを測定対象とすることができる。

第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流は、電流調整回路Ｃによって制御される。電流調整回路Ｃは、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に第１のヒータ抵抗ＭＨ１と同じ電流、或いは、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に比例した電流を流す回路である。これにより、第２のサーミスタＲｄ２は、第２のヒータ抵抗ＭＨ２によってあらかじめ定められた第２の設定温度に加熱される。第２の設定温度は、第１の設定温度と同じであっても構わない。

そして、環境温度の変化などに起因してフィードバック出力Ｆが変化すると、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流量も変化する。つまり、環境温度の低下によって第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れる電流が増加すると、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流量も自動的に増加し、環境温度の上昇によって第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れる電流が減少すると、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流量も自動的に減少する。これにより、環境温度にかかわらず、第２のサーミスタＲｄ２を第２の設定温度に正しく加熱することが可能となる。

また、第２のサーミスタＲｄ２は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化するものの、本発明の基本構成によるガスセンサ１においては、第２のサーミスタＲｄ２と第２の定電流源ＣＣ２が直列に接続されていることから、測定対象ガスの濃度に応じて第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値が変化しても、第２のサーミスタＲｄ２に流れる電流はほとんど変化しない。つまり、第２のサーミスタＲｄ２の自己発熱はほぼ一定であり、測定対象ガスの濃度に応じた自己発熱量の変化は極めて少ない。このため、第２のサーミスタＲｄ２の自己発熱に起因する測定誤差はほとんど生じない。

このように、本発明の基本構成によるガスセンサ１は、第１のサーミスタＲｄ１が常に第１の設定温度に加熱されるようフィードバック制御を行うフィードバック回路部１０を備えるとともに、フィードバック回路部１０によって生成されるフィードバック出力Ｆに基づき、電流調整回路Ｃによって第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流を調整していることから、環境温度にかかわらず、第２のサーミスタＲｄ２を常に第２の設定温度に加熱することが可能となる。しかも、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流は、アナログ的にリアルタイムに自動調整されることから、Ａ／ＤコンバータやＤ／Ａコンバータを用いてデジタル処理する場合と比べ、回路規模を縮小しつつ、第２のヒータ抵抗ＭＨ２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。

さらに、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に流れる電流は常に一定であることから、自己発熱量もほぼ一定となる。このため、自己発熱量の変化に起因する測定誤差を最小限に抑えることが可能となる。また、自己発熱の増大によって第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２が想定以上に高温となることもないため、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の経年変化を抑制することも可能となる。

但し、本発明において、第１及び第２の定電流源ＣＣ１，ＣＣ２の両方を用いることは必須でなく、一方を固定抵抗に置き換えても構わない。例えば、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値が検出対象ガスの濃度によってほとんど変化しない場合には、第１の定電流源ＣＣ１を固定抵抗に置き換えることが可能である。この場合であっても、第２のサーミスタＲｄ２の自己発熱に起因する測定誤差を抑制することが可能となる。一方、第２のサーミスタＲｄ２の自己発熱に起因する測定誤差よりも、第１のサーミスタＲｄ１の自己発熱による測定誤差が支配的である場合には、第２の定電流源ＣＣ２を固定抵抗に置き換えることが可能である。しかしながら、第１及び第２の定電流源ＣＣ１，ＣＣ２の両方を用いることにより、フィードバック回路部１０とセンサ回路部２０の主要部の回路構成が互いに一致することから、回路構成の違いに起因する測定誤差の発生を防止することができる。

以下、本発明のいくつかの実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
図２は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１Ａの回路図である。

図２に示すように、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１Ａは、フィードバック回路部１１とセンサ回路部２１Ａによって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２１Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。フィードバック回路部１１に含まれる第１のサーミスタＲｄ１と第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、第１のセンサ素子Ｓ１を構成する。同様に、センサ回路部２１Ａに含まれる第２のサーミスタＲｄ２と第２のヒータ抵抗ＭＨ２は、第２のセンサ素子Ｓ２を構成する。

本実施形態においては、第１のアンプ回路Ａ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２の間に、第２のアンプ回路Ａ２が接続されている。第２のアンプ回路Ａ２はボルテージフォロアである。このため、第１のアンプ回路Ａ１の出力電圧と同じ電圧が第２のヒータ抵抗ＭＨ２に印加される。本実施形態においては、ボルテージフォロアを構成する第２のアンプ回路Ａ２が電流調整回路Ｃに相当する。

これにより、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２の抵抗値が同じであり、且つ、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が同じ構成を有していれば、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２には全く同じ量の電流が流れ、その結果、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２は全く同じ温度に加熱される。そして、基本構成に関連して説明したとおり、第１のサーミスタＲｄ１は、フィードバック制御により環境温度にかかわらず一定の温度（第１の設定温度）に加熱されることから、第２のサーミスタＲｄ２も環境温度にかかわらず一定の温度（第２の設定温度）に加熱されることになる。

第２の定電流源ＣＣ２と第２のサーミスタＲｄ２の接続点Ｎ１に現れる内部電位Ｖ１は、出力アンプＡｏｕｔに供給される。出力アンプＡｏｕｔは、内部電位Ｖ１と基準電位Ｖｒｅｆを比較し、その結果に基づいて出力信号Ｖｏｕｔを生成する。出力信号Ｖｏｕｔのレベルは、測定対象ガスの濃度に比例する。

このように、図２に示すガスセンサ１Ａは、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２を同じ温度に加熱することができるため、接触燃焼式のガスセンサに応用することが好適である。この場合、第２のサーミスタＲｄ２にはＣＯガスなど測定対象ガスの燃焼を促進させる触媒を付加する一方、第１のサーミスタＲｄ１にはこのような触媒を付加しなければよい。或いは、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の両方に触媒を付加するとともに、第１のサーミスタＲｄ１に付加された触媒にはＣＯガスなど測定対象ガスが到達しないよう、シールドしても構わない。

また、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２には、それぞれ第１及び第２の定電流源ＣＣ１，ＣＣ２が直列に接続されており、これにより第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に流れる電流は常に一定である。このため、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の自己発熱量もほぼ一定であり、自己発熱量の変化に起因する測定誤差や経年変化を抑えることが可能となる。

尚、図２に示すガスセンサ１Ａにおいては、ボルテージフォロアである第２のアンプ回路Ａ２を用いているが、第１のアンプ回路Ａ１の駆動能力が十分に高ければ、第２のアンプ回路Ａ２を用いることなく、第１のアンプ回路Ａ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を直接接続しても構わない。

また、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２の抵抗値が同じである必要はなく、両者が互いに異なっていても構わない。例えば、第２のヒータ抵抗ＭＨ２の抵抗値を第１のヒータ抵抗ＭＨ１の抵抗値の２倍に設定しても構わない。この場合、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れる電流の半分となる。このように、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が互いに異なる温度で加熱されるよう構成すれば、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。例えば、第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度（第１の設定温度）を３００℃とし、第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度（第２の設定温度）を１５０℃とすれば、ＣＯ_２ガスを測定対象ガスとすることが可能となる。これは、１５０℃の環境下ではＣＯ_２ガスの熱伝導率は空気の熱伝導率と大きく異なる一方、３００℃の環境下ではＣＯ_２ガスの熱伝導率は空気の熱伝導率とほとんど差がないからである。

図３は、第１の実施形態の変形例によるガスセンサ１Ｂの回路図である。

図３に示す変形例によるガスセンサ１Ｂは、センサ回路部２１Ｂに含まれる第２のアンプ回路Ａ２がボルテージフォロアではなく、ゲインが０．５倍に設定されている点において、図２に示すガスセンサ１Ａと相違している。その他の基本的な構成は図２に示すガスセンサ１Ａ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。

図３に示す変形例によるガスセンサ１Ｂは、第２のアンプ回路Ａ２のゲインが０．５倍であることから、第２のヒータ抵抗ＭＨ２にかかる電圧が第１のヒータ抵抗ＭＨ１にかかる電圧の半分となる。このため、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２が同じ抵抗値を有している場合であっても、第２のヒータ抵抗ＭＨ２の発熱量は半分となる。したがって、変形例によるガスセンサ１Ｂは、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適である。

次に、第１のセンサ素子Ｓ１及び第２のセンサ素子Ｓ２の具体的なデバイス構造について説明する。

（第１例）
図４は、第１例による第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２のデバイス構造を説明するための上面図である。また、図５は、図４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。

図４及び図５に示すように、第１例による第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２は、セラミックパッケージ５１に収容されている。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、雰囲気中の測定対象ガス（例えばＣＯ_２ガスやＣＯ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４においてはリッド５２が省略されている。

ここで、実際に測定対象ガスの検出を行うのは第２のセンサ素子Ｓ２であり、第１のセンサ素子Ｓ１はリファレンス素子である。このため、本実施形態によるガスセンサ１Ａ又は１Ｂが熱伝導式のセンサであれば、第２のセンサ素子Ｓ２に含まれる第２のサーミスタＲｄ２は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する温度に加熱される一方、第１のセンサ素子Ｓ１に含まれる第１のサーミスタＲｄ１は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化しない、或いは、変化が僅かである温度に加熱される。また、本実施形態によるガスセンサ１Ａ又は１Ｂが接触燃焼式のセンサであれば、第２のセンサ素子Ｓ２には測定対象ガスの燃焼を促進させる触媒が設けられる一方、第１のセンサ素子Ｓ１にはこのような触媒が設けられない。

第１のセンサ素子Ｓ１は、基板３１と、基板３１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜３２，３３と、絶縁膜３３上に設けられた第１のヒータ抵抗ＭＨ１と、第１のヒータ抵抗ＭＨ１を覆うヒータ保護膜３４と、ヒータ保護膜３４上に設けられた第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５と、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５を覆うサーミスタ保護膜３６とを備える。

基板３１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。基板３１には、第１のヒータ抵抗ＭＨ１による熱が基板３１へ伝導するのを抑制するため、平面視で第１のヒータ抵抗ＭＨ１と重なる位置にキャビティ３１ａが設けられている。キャビティ３１ａにより基板３１が取り除かれた部分は、メンブレンと呼ばれる。メンブレンを構成すれば、基板３１を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。

絶縁膜３２，３３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。絶縁膜３２，３３として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。絶縁膜３２，３３の膜厚は、絶縁性が確保される限り特に限定されず、例えば０．１〜１．０μｍ程度とすればよい。特に、絶縁膜３３は、基板３１にキャビティ３１ａを形成する際のエッチング停止層としても用いられるため、当該機能を果たすのに適した膜厚とすればよい。

第１のヒータ抵抗ＭＨ１は導電性物質からなり、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。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、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、絶縁膜３３との密着性を向上させるために、Ｐｔの下地にチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成することが好ましい。

第１のヒータ抵抗ＭＨ１の上部には、ヒータ保護膜３４が形成される。ヒータ保護膜３４の材料としては、絶縁膜３３と同じ材料を用いることが望ましい。第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、常温から例えば１５０℃或いは３００℃にまで上昇し、再び常温へ下がるという激しい熱変化を繰り返し生じるため、絶縁膜３３及びヒータ保護膜３４にも強い熱ストレスがかかり、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。しかしながら、絶縁膜３３とヒータ保護膜３４を同じ材料によって構成すれば、両者の材料特性が同じであり、且つ、密着性が強固であることから、異種材料を用いた場合と比べて、層間剥離やクラックといった破壊が生じにくくなる。ヒータ保護膜３４の材料として酸化シリコンを用いる場合、熱酸化法やＣＶＤ法などの方法により成膜すればよい。ヒータ保護膜３４の膜厚は、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５との絶縁が確保される膜厚であれば特に限定されず、例えば０．１〜３．０μｍ程度とすればよい。

第１のサーミスタＲｄ１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り、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。第１のサーミスタＲｄ１の膜厚は、目標とする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２ＭΩ程度に設定するのであれば、一対のサーミスタ電極３５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。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタを用いているのは、また、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。また、薄膜構造であることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１の発熱を効率よく検出することも可能となる。但し、上述の通り、第１のセンサ素子Ｓ１はリファレンス素子であり、測定対象ガスに応じた抵抗値の変化が生じない、或いは、ほとんど変化しないよう構成される。

サーミスタ電極３５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間に第１のサーミスタＲｄ１が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５間における抵抗値は、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５の材料としては、第１のサーミスタＲｄ１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あって、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。

第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５は、サーミスタ保護膜３６で覆われる。尚、第１のサーミスタＲｄ１と還元性を持つ材料を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。これを防止するためには、サーミスタ保護膜３６の材料としては、シリコン酸化膜等の還元性を持たない絶縁性酸化膜であることが望ましい。

図４に示すように、第１のヒータ抵抗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る。これらの電極パッド３７ａ〜３７ｄ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２に示す第１のアンプ回路Ａ１などに接続される。

このように、第１のセンサ素子Ｓ１は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第１のサーミスタＲｄ１が基板３１上に積層された構成を有していることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって生じる熱が第１のサーミスタＲｄ１に効率よく伝わる。

同様に、第２のセンサ素子Ｓ２は、基板４１と、基板４１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜４２，４３と、絶縁膜４３上に設けられた第２のヒータ抵抗ＭＨ２と、第２のヒータ抵抗ＭＨ２を覆うヒータ保護膜４４と、ヒータ保護膜４４上に設けられた第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５と、第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５を覆うサーミスタ保護膜４６とを備える。

基板４１は、第１のセンサ素子Ｓ１に用いられる基板３１と同様の材料からなるとともに、同様の構成を有している。つまり、平面視で第２のヒータ抵抗ＭＨ２と重なる位置にキャビティ４１ａが設けられ、これにより、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による熱が基板４１へ伝導するのを抑制している。絶縁膜４２，４３の材料についても絶縁膜３２，３３と同様であり、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられる。絶縁膜４２，４３の厚みも絶縁膜３２，３３と同様である。

また、第２のヒータ抵抗ＭＨ２、ヒータ保護膜４４、第２のサーミスタＲｄ２、サーミスタ電極４５及びサーミスタ保護膜４６についても、第１のセンサ素子Ｓ１に用いられる第１のヒータ抵抗ＭＨ１、ヒータ保護膜３４、第１のサーミスタＲｄ１、サーミスタ電極３５及びサーミスタ保護膜３６とそれぞれ同じ構成を有している。

但し、第１のセンサ素子Ｓ１がリファレンス素子であるのに対し、第２のセンサ素子Ｓ２は、測定対象ガスの濃度に応じて第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値が変化する必要がある。つまり、本実施形態によるガスセンサ１Ａ又は１Ｂが熱伝導式のセンサであれば、第２のセンサ素子Ｓ２に含まれる第２のサーミスタＲｄ２は、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する温度に加熱される。また、本実施形態によるガスセンサ１Ａ又は１Ｂが接触燃焼式のセンサであれば、第２のセンサ素子Ｓ２には測定対象ガスの燃焼を促進させる触媒が設けられる。

第２のヒータ抵抗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４５の両端は、電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続される。これらの電極パッド４７ａ〜４７ｄ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２に示す第２のアンプ回路Ａ２や出力アンプＡｏｕｔなどに接続される。

以上の構成を有するセンサ素子Ｓ１，Ｓ２は、いずれもウェハ状態で多数個同時に作製され、ダイシングによって個片化された後、ダイペースト（図示せず）を用いてセラミックパッケージ５１に固定される。その後、電極パッド３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄと、対応するパッケージ電極５４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５５で接続する。ボンディングワイヤ５５の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなど、抵抗の低い金属が好適である。

最後に、接着性樹脂（図示せず）などを用いて、外気との通気口５３を有するリッド５２をセラミックパッケージ５１に固定する。この際、接着性樹脂（図示せず）の硬化加熱時に、接着性樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気口５３により容易にパッケージ外へ放出されるため、センサ素子Ｓ１，Ｓ２に影響を与えることはない。

（第２例）
図６は、第２例による第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２のデバイス構造を説明するための上面図である。また、図７は、図６に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図６及び図７に示すように、第２例においては、第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２が同じ基板３１上に集積されている。また、平面視で第２のヒータ抵抗ＭＨ２と重なる位置にキャビティ３１ｂが設けられている。その他の基本的な構成は、図４及び図５に示す第１例と同じであることから、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。このように、第１及び第２のセンサ素子Ｓ１，Ｓ２を同じ基板３１上に集積すれば、部品点数が削減されるとともに、両者の温度条件をほぼ一致させることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２Ａの回路図である。

図８に示すように、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２Ａは、フィードバック回路部１１とセンサ回路部２２Ａによって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２２Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。

本実施形態においては、第２の定電流源ＣＣ２と接続点Ｎ１の間に第３のサーミスタＲｄ３が設けられているとともに、第３のサーミスタＲｄ３を加熱する第３のヒータ抵抗ＭＨ３と、第１のアンプ回路Ａ１と第３のヒータ抵抗ＭＨ３の間に接続された第３のアンプ回路Ａ３が設けられている。第３のアンプ回路Ａ３はボルテージフォロアである。このため、第１のアンプ回路Ａ１の出力電圧と同じ電圧が第３のヒータ抵抗ＭＨ３に印加される。センサ回路部２２Ａに含まれる第３のサーミスタＲｄ３と第３のヒータ抵抗ＭＨ３は、第３のセンサ素子Ｓ３を構成する。また、第３のサーミスタＲｄ３の代わりに白金測温体など別の材料からなる測温体を用いても構わない。

第３のセンサ素子Ｓ３は、第１のセンサ素子Ｓ１と同様にリファレンス素子であり、測定対象ガスに応じて抵抗値が変化しない、或いは、ほとんど変化しないよう構成される。例えば、ガスセンサ２Ａが接触燃焼式のガスセンサである場合、第２のサーミスタＲｄ２にはＣＯガスなど測定対象ガスの燃焼を促進させる触媒を付加する一方、第１及び第３のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３にはこのような触媒を付加しなければよい。

そして、第１〜第３のヒータ抵抗ＭＨ１〜ＭＨ３の抵抗値が同じであり、且つ、第１〜第３のサーミスタＲｄ１〜Ｒｄ３が同じ構成を有していれば、第１〜第３のヒータ抵抗ＭＨ１〜ＭＨ３には全く同じ量の電流が流れ、その結果、第１〜第３のサーミスタＲｄ１〜Ｒｄ３は全く同じ温度に加熱される。

本実施形態においては、電源電位Ｖｃｃの変動によって第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度が変動すると、これに連動して第３のサーミスタＲｄ３の加熱温度も変動することから、電源電位Ｖｃｃの変動に起因する測定誤差を低減することが可能となる。図示しないが、本実施形態においては、第１〜第３のセンサ素子Ｓ１〜Ｓ３を同じパッケージ内に収容することが好ましく、第１〜第３のセンサ素子Ｓ１〜Ｓ３を同じ基板上に集積することがより好ましい。

また、第２及び第３のサーミスタＲｄ２，Ｒｄ３には、第２の定電流源ＣＣ２が直列に接続されており、これにより第２及び第３のサーミスタＲｄ２，Ｒｄ３に流れる電流は常に一定である。このため、第２及び第３のサーミスタＲｄ２，Ｒｄ３の自己発熱量もほぼ一定であり、自己発熱量の変化に起因する測定誤差や経年変化を抑えることが可能となる。

図９は、第２の実施形態の変形例によるガスセンサ２Ｂの回路図である。

図９に示す変形例によるガスセンサ２Ｂは、センサ回路部２２Ｂに含まれる第２のアンプ回路Ａ２がボルテージフォロアではなく、ゲインが０．５倍に設定されている点において、図８に示すガスセンサ２Ａと相違している。その他の基本的な構成は図８に示すガスセンサ２Ａ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。

図９に示す変形例によるガスセンサ２Ｂは、図３に示したガスセンサ１Ｂと同様、第２のアンプ回路Ａ２のゲインが０．５倍であることから、第２のヒータ抵抗ＭＨ２にかかる電圧が第１のヒータ抵抗ＭＨ１にかかる電圧の半分となる。このため、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流は、第１及び第３のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ３に流れる電流の半分となり、発熱量も半分となる。その結果、第１及び第３のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３と第２のサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱できることから、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。

＜第３の実施形態＞
図１０は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３Ａの回路図である。

図１０に示すように、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３Ａは、フィードバック回路部１１とセンサ回路部２３Ａによって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２３Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。

本実施形態においては、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２が直列に接続されている。具体的には、第１のアンプ回路Ａ１の出力端子とグランドの間に第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２が直列に接続されるとともに、電流が分岐する経路などが設けられていない。このため、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２には、必ず同じ電流が流れることになり、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２は必ず同じ温度に加熱される。本実施形態においては、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を接続する配線が電流調整回路Ｃに相当する。

本実施形態は、第２のアンプ回路Ａ２などを用いて電圧制御を行うのではなく、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れる電流をそのまま第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流すことによって、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２を同じ温度に加熱している。これにより、センサ回路部２３Ａの回路構成を単純化することが可能となる。

図１１は、第３の実施形態の変形例によるガスセンサ３Ｂの回路図である。

図１１に示す変形例によるガスセンサ３Ｂは、センサ回路部２３Ｂに分流抵抗Ｒが追加されている点において、図１０に示すガスセンサ３Ａと相違している。その他の基本的な構成は図１０に示すガスセンサ３Ａ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。

分流抵抗Ｒは、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に対して並列に接続されている。これにより、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れた電流は、並列接続された第２のヒータ抵抗ＭＨ２及び分流抵抗Ｒに流れるため、第２のヒータ抵抗ＭＨ２と分流抵抗Ｒの抵抗比に応じて、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流が減少する。例えば、第２のヒータ抵抗ＭＨ２と分流抵抗Ｒの抵抗値が同じである場合、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流は半分に減少し、第２のヒータ抵抗ＭＨ２の発熱量は第１のヒータ抵抗ＭＨ１の発熱量の半分となる。その結果、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱できることから、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。

＜第４の実施形態＞
図１２は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ４Ａの回路図である。

図１２に示すように、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ４Ａは、フィードバック回路部１１とセンサ回路部２４Ａによって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２４Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。

本実施形態においては、第２の定電流源ＣＣ２と接続点Ｎ１の間に第３のサーミスタＲｄ３が設けられているとともに、第１のアンプ回路Ａ１の出力端子とグランドの間に第１のヒータ抵抗ＭＨ１、第３のヒータ抵抗ＭＨ３、第２のヒータ抵抗ＭＨ２がこの順に直列に接続されている。このため、第１〜第３のヒータ抵抗ＭＨ１〜ＭＨ３には、必ず同じ電流が流れることになり、第１〜第３のサーミスタＲｄ１〜Ｒｄ３は必ず同じ温度に加熱される。本実施形態においては、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第３のヒータ抵抗ＭＨ３を接続する配線が電流調整回路Ｃに相当する。

第３のセンサ素子Ｓ３は、第１のセンサ素子Ｓ１と同様にリファレンス素子であり、測定対象ガスに応じて抵抗値が変化しない、或いは、ほとんど変化しないよう構成される。例えば、ガスセンサ２Ａが接触燃焼式のガスセンサである場合、第２のサーミスタＲｄ２にはＣＯガスなど測定対象ガスの燃焼を促進させる触媒を付加する一方、第１及び第３のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３にはこのような触媒を付加しなければよい。

本実施形態は、第２及び第３のアンプ回路Ａ２，Ａ３などを用いて電圧制御を行うのではなく、第１のヒータ抵抗ＭＨ１に流れる電流をそのまま第２及び第３のヒータ抵抗ＭＨ２，ＭＨ３に流すことによって、第１〜第３のサーミスタＲｄ１〜Ｒｄ３を同じ温度に加熱していることから、回路構成をより単純化することが可能となる。

図１３は、第４の実施形態の変形例によるガスセンサ４Ｂの回路図である。

図１３に示す変形例によるガスセンサ４Ｂは、センサ回路部２４Ｂに分流抵抗Ｒが追加されている点において、図１２に示すガスセンサ４Ａと相違している。その他の基本的な構成は図１２に示すガスセンサ４Ａ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。

図１３に示す変形例によるガスセンサ４Ｂは、図１１に示したガスセンサ３Ｂと同様、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に対して分流抵抗Ｒが並列に接続されていることから、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流が減少する。これにより、第１及び第３のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３と第２のサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱できることから、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。

＜第５の実施形態＞
図１４は、本発明の第５の実施形態によるガスセンサ５Ａの回路図である。

図１４に示すように、本発明の第５の実施形態によるガスセンサ５Ａは、フィードバック回路部１１、センサ回路部２５Ａ及びカレントミラー回路ＣＭ１によって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２５Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。センサ回路部２５Ａは、図１０に示したセンサ回路部２３Ａと同じ回路構成を有している。また、本実施形態においては、第１のアンプ回路Ａ１の反転入力端子（−）に内部電位Ｖ０が入力され、非反転入力端子（＋）に基準電位Ｖｒｅｆが入力される。

カレントミラー回路ＣＭ１は、電流調整回路Ｃに相当する部分であり、Ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２を有している。トランジスタＱ１は第１のヒータ抵抗ＭＨ１に対して直列に接続されており、トランジスタＱ２は第２のヒータ抵抗ＭＨ２に対して直列に接続されている。そして、トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート電極には、第１のアンプ回路Ａ１の出力が共通に供給される。これにより、トランジスタＱ１，Ｑ２のサイズ比が１：１であれば、トランジスタＱ１，Ｑ２には同じ電流が流れることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２にも同じ電流が流れることになる。

本実施形態が例示するように、カレントミラー回路ＣＭ１を用いて、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２に同じ電流を流すことも可能である。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のサイズ比を任意の比率とすれば、トランジスタＱ１，Ｑ２に流れる電流を任意の比率とすることが可能となる。

図１５は、第５の実施形態の変形例によるガスセンサ５Ｂの回路図である。

図１５に示す変形例によるガスセンサ５Ｂは、センサ回路部２５Ｂに分流抵抗Ｒが追加されている点において、図１４に示すガスセンサ５Ａと相違している。その他の基本的な構成は図１４に示すガスセンサ５Ａ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。

図１５に示す変形例によるガスセンサ４Ｂは、図１１に示したガスセンサ３Ｂと同様、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に対して分流抵抗Ｒが並列に接続されていることから、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流が減少する。これにより、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱できることから、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。したがって、トランジスタＱ１，Ｑ２のサイズ比が１：１であっても、分流抵抗Ｒを付加することにより、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流を任意の比率とすることが可能となる。

＜第６の実施形態＞
図１６は、本発明の第６の実施形態によるガスセンサ６Ａの回路図である。

図１６に示すように、本発明の第６の実施形態によるガスセンサ６Ａは、フィードバック回路部１１、センサ回路部２６Ａ及びカレントミラー回路ＣＭ２によって構成されている。フィードバック回路部１１及びセンサ回路部２６Ａは、それぞれ図１に示したフィードバック回路部１０及びセンサ回路部２０に対応しているため、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。センサ回路部２６Ａは、図１２に示したセンサ回路部２４Ａと同じ回路構成を有している。

カレントミラー回路ＣＭ２は、電流調整回路Ｃに相当する部分であり、図１４に示したカレントミラー回路ＣＭ１に対して、Ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタＱ３が追加された構成を有している。トランジスタＱ３は、第３のヒータ抵抗ＭＨ３に対して直列に接続されている。そして、トランジスタＱ１〜Ｑ３のゲート電極には、第１のアンプ回路Ａ１の出力が共通に供給される。これにより、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のサイズ比が１：１：１であれば、トランジスタＱ１〜Ｑ３には同じ電流が流れることから、第１〜第３のヒータ抵抗ＭＨ１〜ＭＨ３にも同じ電流が流れることになる。

このように、カレントミラー回路ＣＭ２を用いて、第１〜第３のヒータ抵抗ＭＨ１〜ＭＨ３に同じ電流を流すことも可能である。また、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のサイズ比を任意の比率とすれば、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３に流れる電流を任意の比率とすることが可能となる。

図１７は、第６の実施形態の変形例によるガスセンサ６Ｂの回路図である。

図１７に示す変形例によるガスセンサ６Ｂは、センサ回路部２６Ｂに分流抵抗Ｒが追加されている点において、図１６に示すガスセンサ６Ａと相違している。その他の基本的な構成は図１６に示すガスセンサ６Ａ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。

図１７に示す変形例によるガスセンサ６Ｂは、図１１に示したガスセンサ３Ｂと同様、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に対して分流抵抗Ｒが並列に接続されていることから、第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流が減少する。これにより、第１及び第３のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３と第２のサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱できることから、熱伝導式のガスセンサに応用することが好適となる。したがって、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のサイズ比が１：１：１であっても、分流抵抗Ｒを付加することにより、第１及び第３のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ３と第２のヒータ抵抗ＭＨ２に流れる電流を任意の比率とすることが可能となる。

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。

１，１Ａ〜６Ａ，１Ｂ〜６Ｂ ガスセンサ
１０，１１ フィードバック回路部
２０，２１Ａ〜２６Ａ，２１Ｂ〜２６Ｂ センサ回路部
３１，４１ 基板
３１ａ，４１ａ キャビティ
３２，３３，４２，４３ 絶縁膜
３４，４４ ヒータ保護膜
３５，４５ サーミスタ電極
３６，４６ サーミスタ保護膜
３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄ 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
Ａ１ 第１のアンプ回路
Ａ２ 第２のアンプ回路
Ａ３ 第３のアンプ回路
Ａｏｕｔ 出力アンプ
Ｃ 電流調整回路
ＣＣ１，ＣＣ２ 定電流源
ＣＭ１，ＣＭ２ カレントミラー回路
ＣＶ 定電圧源
ＭＨ１ 第１のヒータ抵抗
ＭＨ２ 第２のヒータ抵抗
ＭＨ３ 第３のヒータ抵抗
Ｎ０，Ｎ１ 接続点
Ｑ１〜Ｑ３ トランジスタ
Ｒ 分流抵抗
Ｒｄ１ 第１のサーミスタ
Ｒｄ２ 第２のサーミスタ
Ｒｄ３ 第３のサーミスタ
Ｓ１ 第１のセンサ素子
Ｓ２ 第２のセンサ素子
Ｓ３ 第３のセンサ素子

Claims (15)

1. 直列に接続された第１の定電流源及び第１のサーミスタと、前記第１のサーミスタを加熱する第１のヒータ抵抗と、前記第１の定電流源と前記第１のサーミスタの接続点の電位に基づいて、前記第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第１のアンプ回路とを含むフィードバック回路部と、
   測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第２のサーミスタと、前記第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗とを含むセンサ回路部と、を備え、
   前記第２のヒータ抵抗には、前記第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記センサ回路部は、前記第２のサーミスタに直列に接続された第２の定電流源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 第１のサーミスタと、前記第１のサーミスタを加熱する第１のヒータ抵抗と、前記第１のサーミスタの抵抗値に基づいて、前記第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第１のアンプ回路とを含むフィードバック回路部と、
   測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第２のサーミスタと、前記第２のサーミスタに直列に接続された定電流源と、前記第２のサーミスタを加熱する第２のヒータ抵抗と含むセンサ回路部と、を備え、
   前記第２のヒータ抵抗には、前記第１のアンプ回路の出力に応じた電流が流れることを特徴とするガスセンサ。
4. 前記センサ回路部は、前記第１のアンプ回路の出力電圧に応じて、前記第２のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第２のアンプ回路をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記第１のヒータ抵抗に流れる電流量と前記第２のヒータ抵抗に流れる電流量が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記センサ回路部は、前記第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、前記第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗と、前記第１のアンプ回路の出力電圧に応じて、前記第３のヒータ抵抗に流す電流量を制御する第３のアンプ回路とをさらに含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のガスセンサ。
7. 前記第２のヒータ抵抗に流れる電流量と前記第３のヒータ抵抗に流れる電流量が互いに異なることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記第１のヒータ抵抗と前記第２のヒータ抵抗が直列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
9. 前記センサ回路部は、前記第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、前記第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗とをさらに含み、
   前記第１、第２及び第３のヒータ抵抗が直列に接続されていることを特徴とする請求項８に記載のガスセンサ。
10. 前記第１及び第２のヒータ抵抗に所定の比率で電流を流すカレントミラー回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
11. 前記センサ回路部は、前記第２のサーミスタに直列に接続された第３のサーミスタと、前記第３のサーミスタを加熱する第３のヒータ抵抗とをさらに含み、
    前記カレントミラー回路は、前記第１、第２及び第３のヒータ抵抗に所定の比率で電流を流すことを特徴とする請求項１０に記載のガスセンサ。
12. 前記センサ回路部は、前記第２のヒータ抵抗に並列に接続された分流抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のガスセンサ。
13. 前記センサ回路部は、前記第２のサーミスタの一端の電位と基準電位を比較することによって出力信号を生成する出力アンプをさらに含み、
    前記第１のアンプ回路は、前記接続点の電位と前記基準電位を比較することによって、前記第１のヒータ抵抗に流す電流量を制御することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のガスセンサ。
14. 前記第１のサーミスタ及び前記第１のヒータ抵抗を含む第１のセンサ素子と、前記第２のサーミスタ及び前記第２のヒータ抵抗を含む第２のセンサ素子が、同じパッケージ内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
15. 前記第１のサーミスタ及び前記第１のヒータ抵抗を含む第１のセンサ素子と、前記第２のサーミスタ及び前記第２のヒータ抵抗を含む第２のセンサ素子が、同じ基板上に集積されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のガスセンサ。

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