JP2022056487A - Gas sensor - Google Patents

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佳生 海田
Yoshio Kaida
裕 松尾
Yutaka Matsuo
浩 小林
Hiroshi Kobayashi
正洋 中野
Masahiro Nakano
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Abstract

To eliminate the influence of a gas that is different from the gas to be detected, and measure the concentration of the gas to be detected.SOLUTION: A gas sensor 10 acquires a detection signal Vout1 that appears on a node N0 while a thermistor Rd1 and a thermistor Rd2 are connected in series and a detection signal Vout2 that appears on a node N0 while a fixed resistor R0 and the thermistor Rd2 are connected in series, and cancels the signal component attributable to the concentration of gases that are not the gas to be detected and are included in the detection signal Vout1, on the basis of the detection signal Vout2, thereby calculating the concentration of the gas to be detected. Thus, it is possible to accurately calculate the concentration of the gas to be detected, irrespective of the concentration of gases that are not the gas to be detected.SELECTED DRAWING: Figure 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、検出対象ガスとは異なるガスの影響をキャンセル可能なガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects a gas contained in an atmosphere, and more particularly to a gas sensor that can cancel the influence of a gas different from the gas to be detected.

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るが、雰囲気中に含まれる検出対象ガスとは異なるガスによって測定値に誤差が生じることがある。特許文献1には、検出対象ガスの濃度によって抵抗値が変化する2つのサーミスタを直列に接続するとともに、一方のサーミスタに対して補正抵抗を並列に接続することによって、検出対象ガスとは異なるガスによる測定誤差をキャンセル可能なガスセンサが開示されている。 The gas sensor detects the concentration of the gas to be measured contained in the atmosphere, but an error may occur in the measured value due to a gas different from the gas to be detected contained in the atmosphere. In Patent Document 1, two thermistors whose resistance value changes depending on the concentration of the detection target gas are connected in series, and a correction resistance is connected in parallel to one of the thermistors, so that the gas is different from the detection target gas. A gas sensor capable of canceling the measurement error due to the above is disclosed.

特開2019-60848号公報JP-A-2019-60848

しかしながら、特許文献1に記載されたガスセンサは、検出対象ガスとは異なるガスの濃度が高い場合に測定誤差を正しくキャンセルできないことがあった。 However, the gas sensor described in Patent Document 1 may not be able to correctly cancel the measurement error when the concentration of the gas different from the detection target gas is high.

したがって、本発明の目的は、検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除可能なガスセンサを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of eliminating the influence of a gas different from the detection target gas with high accuracy.

本発明によるガスセンサは、第1のガスの濃度に応じて第1の感度で抵抗値が変化し、第2のガスの濃度に応じて第2の感度で抵抗値が変化する第1のサーミスタと、第1のガスの濃度に応じて第1の感度よりも低い第3の感度で抵抗値が変化し、第2のガスの濃度に応じて第4の感度で抵抗値が変化する第2のサーミスタと、固定抵抗と、第1のサーミスタと第2のサーミスタを直列に接続した状態で第1のサーミスタと第2のサーミスタの接続点に表れる第1の検出信号、並びに、固定抵抗と第2のサーミスタを直列に接続した状態で固定抵抗と第2のサーミスタの接続点に表れる第2の検出信号を取得する信号処理回路とを備え、信号処理回路は、第1の検出信号に含まれる第2のガスの濃度に起因する信号成分を第2の検出信号に基づいてキャンセルすることにより、第1のガスの濃度を算出することを特徴とする。 The gas sensor according to the present invention has a first thermistor in which the resistance value changes with the first sensitivity according to the concentration of the first gas and the resistance value changes with the second sensitivity according to the concentration of the second gas. , The resistance value changes at a third sensitivity lower than the first sensitivity according to the concentration of the first gas, and the resistance value changes at the fourth sensitivity according to the concentration of the second gas. The first detection signal that appears at the connection point between the first thermistor and the second thermistor, and the fixed resistance and the second, with the thermistor, fixed resistance, and the first thermistor and the second thermistor connected in series. The thermistor is provided with a fixed resistance and a signal processing circuit for acquiring a second detection signal appearing at the connection point of the second thermistor in a state where the thermistors are connected in series, and the signal processing circuit is included in the first detection signal. It is characterized in that the concentration of the first gas is calculated by canceling the signal component caused by the concentration of the gas of 2 based on the second detection signal.

本発明によれば、第2のガスの濃度によって抵抗値の変化しない固定抵抗と第2のサーミスタを直接に接続することによって第2の検出信号を取得していることから、第2のガスの濃度に関わらず、第1のガスの濃度を正確に算出することが可能となる。 According to the present invention, since the second detection signal is acquired by directly connecting the fixed resistance whose resistance value does not change depending on the concentration of the second gas and the second thermistor, the second gas can be obtained. Regardless of the concentration, it is possible to accurately calculate the concentration of the first gas.

本発明において、第1のサーミスタは第1のヒータによって第1の温度に加熱され、第2のサーミスタは第2のヒータによって第1の温度とは異なる第2の温度に加熱されるものであっても構わない。これによれば、例えば第1のサーミスタと第2のサーミスタを互いに同じ構成とすることができる。 In the present invention, the first thermistor is heated to the first temperature by the first heater, and the second thermistor is heated to the second temperature different from the first temperature by the second heater. It doesn't matter. According to this, for example, the first thermistor and the second thermistor can have the same configuration.

本発明によるガスセンサは、第1のサーミスタ及び固定抵抗のいずれか一方を第2のサーミスタに接続するスイッチ回路をさらに備え、信号処理回路は、第1及び第2のサーミスタがそれぞれ第1及び第2の温度に加熱されている状態でスイッチ回路を切り替えても構わない。これによれば、第1及び第2のサーミスタをそれぞれ一定の温度に保った状態で第1及び第2の検出信号を取得することができる。 The gas sensor according to the present invention further includes a switch circuit for connecting either one of the first thermistor and the fixed resistance to the second thermistor, and the signal processing circuit has the first and second thermistors as the first and second thermistors, respectively. The switch circuit may be switched while it is heated to the temperature of. According to this, the first and second detection signals can be acquired while the first and second thermistors are kept at a constant temperature, respectively.

本発明において、信号処理回路は、第2の感度と第4の感度の比を示す補正係数を保持し、第2の検出信号を補正係数で除算することによって補正値を算出するとともに、第1の検出信号から補正値を減算することによって、第2のガスの濃度に起因する信号成分をキャンセルしても構わない。これによれば、第2の感度と第4の感度が異なる場合であっても、第2のガスの濃度に起因する信号成分を正しくキャンセルすることができる。この場合、第4の感度は第2の感度よりも高くても構わない。これによれば、第2のガスの濃度に起因する信号成分をより正確にキャンセルすることができる。 In the present invention, the signal processing circuit holds a correction coefficient indicating the ratio of the second sensitivity to the fourth sensitivity, and the correction value is calculated by dividing the second detection signal by the correction coefficient, and the first The signal component due to the concentration of the second gas may be canceled by subtracting the correction value from the detection signal of. According to this, even when the second sensitivity and the fourth sensitivity are different, the signal component caused by the concentration of the second gas can be correctly canceled. In this case, the fourth sensitivity may be higher than the second sensitivity. According to this, the signal component caused by the concentration of the second gas can be canceled more accurately.

本発明によるガスセンサは、環境温度を検出する第3のサーミスタをさらに備え、信号処理回路は、環境温度ごとに割り当てられた複数の補正係数を有しており、第3のサーミスタから得られる温度信号に基づいて、複数の補正係数の中から使用する補正係数を決定しても構わない。これによれば、環境温度によって補正係数が変化する場合であっても、第2のガスの濃度に起因する信号成分を正確にキャンセルすることができる。この場合、複数の補正係数は、環境温度が第1の温度である場合に対応する第1の補正係数と、環境温度が第2の温度である場合に対応する第2の補正係数を有しており、温度信号が示す環境温度が第1の温度と第2の温度の間である場合、第1の補正係数によって得られる第1の補正値と第2の補正係数によって得られる第2の補正値を線形補間することによって、実際に使用する補正値を決定しても構わない。これによれば、信号処理回路に保持する補正係数の数を少なくすることができる。 The gas sensor according to the present invention further includes a third thermistor for detecting the ambient temperature, and the signal processing circuit has a plurality of correction coefficients assigned for each ambient temperature, and the temperature signal obtained from the third thermistor. The correction coefficient to be used may be determined from a plurality of correction coefficients based on the above. According to this, even when the correction coefficient changes depending on the environmental temperature, the signal component caused by the concentration of the second gas can be accurately canceled. In this case, the plurality of correction coefficients have a first correction coefficient corresponding to the case where the environmental temperature is the first temperature and a second correction coefficient corresponding to the case where the environmental temperature is the second temperature. When the ambient temperature indicated by the temperature signal is between the first temperature and the second temperature, the first correction value obtained by the first correction coefficient and the second correction coefficient obtained by the second correction coefficient are used. The correction value actually used may be determined by linearly interpolating the correction value. According to this, the number of correction coefficients held in the signal processing circuit can be reduced.

本発明において、信号処理回路は、第1のガスの濃度が一定である環境下において、第2のガスの濃度を種々に設定した場合に得られる第1及び第2の検出信号に基づいて補正係数を生成しても構わない。これによれば、正確な補正係数を得ることが可能となる。 In the present invention, the signal processing circuit corrects based on the first and second detection signals obtained when the concentration of the second gas is set variously in an environment where the concentration of the first gas is constant. You may generate a coefficient. According to this, it becomes possible to obtain an accurate correction coefficient.

本発明において、第1のガスはCOガスであり、第2のガスは水蒸気であっても構わない。これによれば、COガスの濃度検出において水蒸気濃度の影響を排除することが可能となる。 In the present invention, the first gas may be CO 2 gas and the second gas may be water vapor. This makes it possible to eliminate the influence of the water vapor concentration in detecting the concentration of CO 2 gas.

このように、本発明によれば、検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to eliminate the influence of a gas different from the detection target gas with high accuracy.

図1は、本発明の一実施形態によるガスセンサ10の構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a gas sensor 10 according to an embodiment of the present invention. 図2は、環境温度と制御電圧Vmh1,Vmh2の関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the environmental temperature and the control voltages Vmh1 and Vmh2. 図3は、センサ部Sの構成を説明するための上面図である。FIG. 3 is a top view for explaining the configuration of the sensor unit S. 図4は、図3に示すA-A線に沿った断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 図5は、制御部26の動作を説明するためのフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the control unit 26. 図6は、補正係数Hのいくつかの例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing some examples of the correction coefficient H. 図7は、線形補間によって補正値Vhcを算出する方法を説明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for explaining a method of calculating the correction value Vhc by linear interpolation. 図8は、制御電圧Vmh1,Vmh2及び切り替え信号SELの波形の一例を示すタイミング図である。FIG. 8 is a timing diagram showing an example of the waveforms of the control voltages Vmh1 and Vmh2 and the switching signal SEL.

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、本発明の一実施形態によるガスセンサ10の構成を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a gas sensor 10 according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態によるガスセンサ10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10は、雰囲気中におけるCOガスの濃度を検出するものであり、後述するように、水蒸気濃度(絶対湿度)に起因する測定誤差をキャンセルすることが可能である。本明細書においては、検出対象ガスを「第1のガス」、ノイズとなるガスを「第2のガス」と呼ぶことがある。本実施形態で言えば、第1のガスがCOガスであり、第2のガスが水蒸気である。 As shown in FIG. 1, the gas sensor 10 according to the present embodiment includes a sensor unit S and a signal processing circuit 20. Although not particularly limited, the gas sensor 10 according to the present embodiment detects the concentration of CO 2 gas in the atmosphere, and cancels the measurement error due to the water vapor concentration (absolute humidity) as described later. It is possible to do. In the present specification, the gas to be detected may be referred to as "first gas", and the gas causing noise may be referred to as "second gas". In the present embodiment, the first gas is CO 2 gas and the second gas is water vapor.

センサ部Sは、検出対象ガスであるCO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~第3のセンサ部S1~S3を有している。第1のセンサ部S1は、第1のサーミスタRd1及びこれを加熱する第1のヒータ抵抗MH1を含む。同様に、第2のセンサ部S2は、第2のサーミスタRd2及びこれを加熱する第2のヒータ抵抗MH2を含む。第3のセンサ部S3は、第3のサーミスタRd3を含む。第1~第3のサーミスタ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。第1及び第2のサーミスタRd1,Rd2は、いずれもCO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。また、第3のサーミスタRd3は、環境温度を検出するものである。 The sensor unit S is a heat conduction type gas sensor for detecting the concentration of CO 2 gas, which is a detection target gas, and has first to third sensor units S1 to S3. The first sensor unit S1 includes a first thermistor Rd1 and a first heater resistance MH1 for heating the thermistor Rd1. Similarly, the second sensor unit S2 includes a second thermistor Rd2 and a second heater resistance MH2 for heating the second thermistor Rd2. The third sensor unit S3 includes a third thermistor Rd3. The first to third 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. The first and second thermistors Rd1 and Rd2 both detect the concentration of CO 2 gas, but their operating temperatures are different from each other as described later. Further, the third thermistor Rd3 detects the environmental temperature.

図1に示すように、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2は、スイッチ回路SWを介して接続される。スイッチ回路SWはノードN0~N2を有しており、信号処理回路20から供給される切り替え信号SELに基づいて、ノードN0をノードN1又はN2に接続する。ノードN0~N2は、それぞれ第2のサーミスタRd2、第1のサーミスタRd1及び固定抵抗R0の一端に接続されている。第1のサーミスタRd1及び固定抵抗R0の他端は電源電位Vccが供給される配線に接続され、第2のサーミスタRd2の他端は接地電位GNDが供給される配線に接続されている。これにより、スイッチ回路SWのノードN1が選択されている場合には、第1及び第2のサーミスタRd1,Rd2がVcc-GND間に直列に接続され、ノードN0には第1の検出信号Vout1が現れる。一方、スイッチ回路SWのノードN2が選択されている場合には、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2がVcc-GND間に直列に接続され、ノードN0には第2の検出信号Vout2が現れる。 As shown in FIG. 1, the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2 are connected via a switch circuit SW. The switch circuit SW has nodes N0 to N2, and connects the node N0 to the node N1 or N2 based on the switching signal SEL supplied from the signal processing circuit 20. The nodes N0 to N2 are connected to one end of the second thermistor Rd2, the first thermistor Rd1, and the fixed resistance R0, respectively. The other ends of the first thermistor Rd1 and the fixed resistor R0 are connected to the wiring to which the power supply potential Vcc is supplied, and the other ends of the second thermistor Rd2 are connected to the wiring to which the ground potential GND is supplied. As a result, when the node N1 of the switch circuit SW is selected, the first and second thermistors Rd1 and Rd2 are connected in series between Vcc and GND, and the first detection signal Vout1 is connected to the node N0. appear. On the other hand, when the node N2 of the switch circuit SW is selected, the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 are connected in series between Vcc and GND, and the second detection signal Vout2 appears at the node N0.

第1のサーミスタRd1は、第1のヒータ抵抗MH1によって加熱される。第1のヒータ抵抗MH1による第1のサーミスタRd1の加熱温度は例えば150℃である。第1のサーミスタRd1を加熱した状態で測定雰囲気中にCOガスが存在すると、その濃度に応じて第1のサーミスタRd1の放熱特性が変化する。かかる変化は、第1のサーミスタRd1の抵抗値の変化となって現れる。第1のサーミスタRd1の加熱温度が150℃である場合、第1のサーミスタRd1の抵抗値は、COガスの濃度に応じて第1の感度で変化する。感度とは、当該ガスの濃度変化に対する抵抗変化である。第1の感度は、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2の接続点に現れる検出信号Vout1の電位を十分に変化させることが可能な感度を有している。 The first thermistor Rd1 is heated by the first heater resistance MH1. The heating temperature of the first thermistor Rd1 by the first heater resistance MH1 is, for example, 150 ° C. When CO 2 gas is present in the measurement atmosphere in a state where the first thermistor Rd1 is heated, the heat dissipation characteristics of the first thermistor Rd1 change according to the concentration thereof. Such a change appears as a change in the resistance value of the first thermistor Rd1. When the heating temperature of the first thermistor Rd1 is 150 ° C., the resistance value of the first thermistor Rd1 changes with the first sensitivity according to the concentration of the CO 2 gas. Sensitivity is a change in resistance to a change in the concentration of the gas. The first sensitivity has a sensitivity capable of sufficiently changing the potential of the detection signal Vout1 appearing at the connection point between the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2.

第1のサーミスタRd1を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じて第1のサーミスタRd1の放熱特性が変化する。第1のサーミスタRd1の加熱温度が150℃である場合、第1のサーミスタRd1の抵抗値は、絶対湿度に応じて第2の感度で変化する。 In the state where the first thermistor Rd1 is heated, if water vapor is present in the measurement atmosphere, the heat dissipation characteristics of the first thermistor Rd1 change according to the concentration thereof. When the heating temperature of the first thermistor Rd1 is 150 ° C., the resistance value of the first thermistor Rd1 changes with the second sensitivity according to the absolute humidity.

第2のサーミスタRd2は、第2のヒータ抵抗MH2によって加熱される。第2のヒータ抵抗MH2による第2のサーミスタRd2の加熱温度は例えば300℃である。第2のサーミスタRd2を加熱した状態で測定雰囲気中にCOガスが存在しても、第2のサーミスタRd2の抵抗値はほとんど変化しない。これは、第2のサーミスタRd2の加熱温度が300℃である場合、第2のサーミスタRd2の抵抗値は、COガスの濃度に応じて第3の感度で変化するものの、第3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、COガスの濃度が変化しても、第2のサーミスタRd2の抵抗値はほとんど変化しない。 The second thermistor Rd2 is heated by the second heater resistance MH2. The heating temperature of the second thermistor Rd2 by the second heater resistance MH2 is, for example, 300 ° C. Even if CO 2 gas is present in the measurement atmosphere with the second thermistor Rd2 heated, the resistance value of the second thermistor Rd2 hardly changes. This is because when the heating temperature of the second thermistor Rd2 is 300 ° C., the resistance value of the second thermistor Rd2 changes with the third sensitivity according to the concentration of the CO 2 gas, but the third sensitivity is This is because it is significantly lower than the first sensitivity, 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 second thermistor Rd2 hardly changes.

第2のサーミスタRd2を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じて第2のサーミスタRd2の放熱特性が変化する。第2のサーミスタRd2の加熱温度が300℃である場合、第2のサーミスタRd2の抵抗値は、絶対湿度に応じて第4の感度で変化する。第4の感度は、上述した第2の感度よりも大きい。 In the state where the second thermistor Rd2 is heated, if water vapor is present in the measurement atmosphere, the heat dissipation characteristics of the second thermistor Rd2 change according to the concentration thereof. When the heating temperature of the second thermistor Rd2 is 300 ° C., the resistance value of the second thermistor Rd2 changes with the fourth sensitivity according to the absolute humidity. The fourth sensitivity is higher than the second sensitivity described above.

上述の通り、スイッチ回路SWのノードN1が選択されている場合、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2が直列に接続され、その接続点から検出信号Vout1が出力される。一方、スイッチ回路SWのノードN2が選択されている場合、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2が直列に接続され、その接続点から検出信号Vout2が出力される。検出信号Vout1,Vout2は、信号処理回路20に入力される。固定抵抗R0の抵抗値は、COガスや水蒸気の濃度によって変化せず、実質的に一定である。 As described above, when the node N1 of the switch circuit SW is selected, the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2 are connected in series, and the detection signal Vout1 is output from the connection point. On the other hand, when the node N2 of the switch circuit SW is selected, the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 are connected in series, and the detection signal Vout2 is output from the connection point. The detection signals Vout1 and Vout2 are input to the signal processing circuit 20. The resistance value of the fixed resistance R0 does not change depending on the concentration of CO 2 gas or water vapor, and is substantially constant.

第3のセンサ部S3は第3のサーミスタRd3からなり、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、第3のサーミスタRd3と固定抵抗R1が直列に接続されている。第3のサーミスタRd3と抵抗R1の接続点からは、温度信号Vout3が出力される。温度信号Vout3は、信号処理回路20に入力される。 The third sensor unit S3 is composed of a third thermistor Rd3, and the third thermistor Rd3 and the fixed resistance 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. Has been done. A temperature signal Vout3 is output from the connection point between the third thermistor Rd3 and the resistance R1. The temperature signal Vout3 is input to the signal processing circuit 20.

信号処理回路20は、差動アンプ21~23、ADコンバータ(ADC)24、DAコンバータ(DAC)25、制御部26及び固定抵抗R2~R4を備えている。差動アンプ21は、検出信号Vout1,Vout2とリファレンス電圧Vrefを比較し、その差を増幅する回路である。差動アンプ21のゲインは、固定抵抗R2~R4によって任意に調整される。差動アンプ21から出力される増幅信号Vamp1,Vamp2は、ADコンバータ24に入力される。増幅信号Vamp1は検出信号Vout1に対応し、増幅信号Vamp2は検出信号Vout2に対応する。 The signal processing circuit 20 includes differential amplifiers 21 to 23, an AD converter (ADC) 24, a DA converter (DAC) 25, a control unit 26, and fixed resistors R2 to R4. The differential amplifier 21 is a circuit that compares the detection signals Vout1 and Vout2 with the reference voltage Vref and amplifies the difference. The gain of the differential amplifier 21 is arbitrarily adjusted by the fixed resistances R2 to R4. The amplification signals Vamp1 and Vamp2 output from the differential amplifier 21 are input to the AD converter 24. The amplified signal Vamp1 corresponds to the detection signal Vout1, and the amplified signal Vamp2 corresponds to the detection signal Vout2.

ADコンバータ24は増幅信号Vamp1,Vamp2をデジタル変換し、その値を制御部26に供給する。一方、DAコンバータ25は、制御部26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を生成するとともに、第1及び第2のヒータ抵抗MH1,MH2に供給する制御電圧Vmh1,Vmh2を生成する役割を果たす。制御電圧Vmh1は、ボルテージフォロアである差動アンプ22を介して第1のヒータ抵抗MH1に印加される。同様に、制御電圧Vmh2は、ボルテージフォロアである差動アンプ23を介して第2のヒータ抵抗MH2に印加される。 The AD converter 24 digitally converts the amplification signals Vamp1 and Vamp2, and supplies the values to the control unit 26. On the other hand, the DA converter 25 generates a reference voltage Vref by analog-converting the reference signal supplied from the control unit 26, and also supplies the control voltages Vmh1 and Vmh2 supplied to the first and second heater resistors MH1 and MH2. It plays a role in generating. The control voltage Vmh1 is applied to the first heater resistor MH1 via the differential amplifier 22 which is a voltage follower. Similarly, the control voltage Vmh2 is applied to the second heater resistor MH2 via the differential amplifier 23, which is a voltage follower.

温度信号Vout3は、ADコンバータ24によってデジタル変換され、制御部26に供給される。制御部26の内部には、環境温度と制御電圧Vmh1,Vmh2の関係を示す数式あるいはテーブルが格納されており、これによって制御電圧Vmh1,Vmh2が補正される。図2は、環境温度と制御電圧Vmh1,Vmh2の関係を示すグラフである。図2に示すように、制御部26は、環境温度が高くなるほど制御電圧Vmh1,Vmh2のレベルが下がるよう、制御電圧Vmh1,Vmh2を補正する。このように、温度信号Vout3によって得られた現在の環境温度に応じて、制御電圧Vmh1,Vmh2のレベルを変化させることにより、現在の環境温度にかかわらず第1及び第2のヒータ抵抗MH1,MH2による加熱温度を設計通りの温度とすることができる。 The temperature signal Vout3 is digitally converted by the AD converter 24 and supplied to the control unit 26. Inside the control unit 26, a mathematical formula or a table showing the relationship between the environmental temperature and the control voltages Vmh1 and Vmh2 is stored, and the control voltages Vmh1 and Vmh2 are corrected by this. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the environmental temperature and the control voltages Vmh1 and Vmh2. As shown in FIG. 2, the control unit 26 corrects the control voltages Vmh1 and Vmh2 so that the level of the control voltages Vmh1 and Vmh2 decreases as the environmental temperature rises. In this way, by changing the levels of the control voltages Vmh1 and Vmh2 according to the current environmental temperature obtained by the temperature signal Vout3, the first and second heater resistances MH1 and MH2 are irrespective of the current environmental temperature. The heating temperature can be set as designed.

さらに、制御部26の内部には、環境温度とリファレンス電圧Vrefの関係を示す数式あるいはテーブルも格納されており、これによって環境温度に基づいてリファレンス電圧Vrefが補正される。 Further, a mathematical formula or a table showing the relationship between the environmental temperature and the reference voltage Vref is also stored inside the control unit 26, whereby the reference voltage Vref is corrected based on the environmental temperature.

図3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4は、図3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. 3 is a top view for explaining the configuration of the sensor unit S. Further, FIG. 4 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 dimensions, 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、CO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3及び図4に示すように、2つのセンサ部S1,S2と、センサ部S1とセンサ部S2の間に配置されたセンサ部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-conducting 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. 3 and 4, the two sensor units S1 and S2 A sensor unit S3 arranged between the sensor unit S1 and the sensor unit S2, and a ceramic package 51 accommodating these sensor units S1 to S3 are provided.

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3においてはリッド52が省略されている。 The ceramic package 51 is a box-shaped case with an open upper portion, and a lid 52 is provided on the upper portion. The lid 52 has a plurality of vents 53, which allows CO 2 gas in the atmosphere to flow into the ceramic package 51. The lid 52 is omitted in FIG. 3 in consideration of the legibility of the drawing.

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 single substrate 61. The substrate 61 is formed with three cavities 61a to 61c corresponding to the three sensor units S1 to S3, respectively.

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 substrate 61 protects the insulating films 62 and 63, the heater resistors MH1 and MH2 provided on the insulating films 63, the heater protective films 64 covering the heater resistors MH1 and MH2, and the heater protection films 64 at positions overlapping the cavities 61a to 61c, respectively. It includes thermistors Rd1 to Rd3 and thermistor electrodes 35, 45, 65 provided on the film 64, and a thermistor protective film 66 covering the thermistors Rd1 to Rd3 and the thermistor electrodes 35, 45, 65.

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 substrate 61 is not particularly limited as long as it has an appropriate mechanical strength and is a material suitable for fine processing such as etching, and is not particularly limited as long as it is a silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, or a quartz substrate. , A glass substrate or the like can be used. The insulating films 62 and 63 are made of an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride. The heater resistors MH1 and MH2 are metal materials made of a material having a relatively high melting point, for example, molybdenum (Mo), platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), and the like. Iridium (Ir) or an alloy containing any two or more of them is suitable. 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. Here, the thermistor is used as the resistance temperature detector because the resistance temperature coefficient is larger than that of the platinum resistance temperature detector and the like, so that a large detection sensitivity can be obtained. As the material of the heater protective film 64, the same material as the insulating film 63 can be used.

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。 The thermistor electrodes 35, 45, 65 are a pair of electrodes having a predetermined interval, the thermistor Rd1 is provided between the pair of thermistor electrodes 35, the thermistor Rd2 is provided between the pair of thermistor electrodes 45, and the pair of thermistors. A thermistor Rd3 is provided between the electrodes 65. As a result, the resistance value between the pair of thermistor electrodes 35, 45, 65 is determined by the resistance values of the thermistors Rd1 to Rd3, respectively. The materials of the thermista electrodes 35, 45, 65 include molybdenum (Mo), platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or any of these. An alloy containing two or more kinds is suitable.

図3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. 3, both ends of the heater resistance MH1 are connected to the electrode pads 37a and 37b, respectively, and both ends of the heater resistance MH2 are connected to the electrode pads 47a and 47b, respectively. Further, both ends of the thermistor electrode 35 are connected to the electrode pads 37c and 37d, respectively, both ends of the thermistor electrode 45 are connected to the electrode pads 47c and 47d, respectively, and both ends of the thermistor electrode 65 are connected to the electrode pads 67a and 67b, respectively. .. These electrode pads are connected to the package electrode 54 provided in the ceramic package 51 via the bonding wire 55. The package electrode 54 is connected to the signal processing circuit 20 shown in FIG. 1 via an external terminal 56 provided on the back surface of the ceramic package 51.

このように、センサ部S3は、センサ部S1,S2と同じチップ上に配置されているため、センサ部S1,S2が受けている環境温度とほぼ等しい環境温度を、センサ部S3で測定することが可能となる。これにより非常に正確な温度測定が可能となることから、第1及び第2のヒータ抵抗MH1,MH2による加熱温度をほぼ設計通りとすることができる。尚、図1に示すスイッチ回路SWや固定抵抗R0,R1については、基板61に集積しても構わないし、基板61とは別にセラミックパッケージ51内に収容しても構わないし、セラミックパッケージ51の外部に設けても構わない。 As described above, since the sensor unit S3 is arranged on the same chip as the sensor units S1 and S2, the sensor unit S3 measures the environmental temperature substantially equal to the environmental temperature received by the sensor units S1 and S2. Is possible. As a result, very accurate temperature measurement becomes possible, so that the heating temperature by the first and second heater resistors MH1 and MH2 can be made almost as designed. The switch circuit SW and fixed resistors R0 and R1 shown in FIG. 1 may be integrated on the substrate 61, may be housed in the ceramic package 51 separately from the substrate 61, or may be housed in the ceramic package 51 outside the ceramic package 51. It may be provided in.

以上が本実施形態によるガスセンサ10の構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ10の動作について説明する。 The above is the configuration of the gas sensor 10 according to the present embodiment. Next, the operation of the gas sensor 10 according to the present embodiment will be described.

本実施形態によるガスセンサ10は、CO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、COガスの濃度によるサーミスタRd1,Rd2の放熱特性の変化を検出信号Vout1として取り出すものである。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、COガスの濃度だけでなく、絶対湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、絶対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10は、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2を直列接続することによって検出信号Vout2を取得し、これに基づいて検出信号Vout1に含まれる湿度成分をキャンセルする。 The gas sensor 10 according to the present embodiment utilizes the fact that the thermal conductivity of the CO 2 gas is significantly different from the thermal conductivity of the air, and detects changes in the heat dissipation characteristics of the thermistas Rd1 and Rd2 depending on the concentration of the CO 2 gas signal Vout1. It is taken out as. However, since the thermal conductivity of the measurement atmosphere changes not only with the concentration of CO 2 gas but also with the absolute humidity, that is, the concentration of water vapor, the influence of the absolute humidity becomes a measurement error. Therefore, the gas sensor 10 according to the present embodiment acquires the detection signal Vout2 by connecting the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 in series, and cancels the humidity component included in the detection signal Vout1 based on the detection signal Vout2.

本実施形態によるガスセンサ10は、第1のサーミスタRd1を150℃に加熱することによってCOガスの濃度に対する感度(第1の感度)を十分に確保する一方、第2のサーミスタRd2を300℃に加熱することによってCOガスの濃度に対する感度(第3の感度)をほぼゼロとしている。実際には、加熱温度が300℃であってもCOガスの濃度に対して僅かな感度は存在するが、加熱温度が150℃である場合と比べると大幅に低く、約1/10以下であるため、ほぼ無視することが可能である。 The gas sensor 10 according to the present embodiment sufficiently secures the sensitivity to the concentration of CO 2 gas (first sensitivity) by heating the first thermistor Rd1 to 150 ° C., while the second thermistor Rd2 is set to 300 ° C. By heating, the sensitivity to the concentration of CO 2 gas (third sensitivity) is set to almost zero. In reality, even if the heating temperature is 300 ° C, there is a slight sensitivity to the concentration of CO 2 gas, but it is significantly lower than when the heating temperature is 150 ° C, which is about 1/10 or less. Therefore, it can be almost ignored.

一方、第1のサーミスタRd1の加熱温度が150℃である場合の絶対湿度に対する感度(第2の感度)と、第2のサーミスタRd2の加熱温度が300℃である場合の絶対湿度に対する感度(第4の感度)は互いに異なっている。つまり、絶対湿度に起因する第1のサーミスタRd1のオフセット量と、絶対湿度に起因する第2のサーミスタRd2のオフセット量は同一ではないため、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2を単に直列に接続しても絶対湿度の影響はキャンセルされない。具体的には、第2の感度が約120μV/%RHであるのに対し、第4の感度が約200μV/%RHである。したがって、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2を単に直列に接続しただけでは、つまり、検出信号Vout1には、湿度成分が重畳することになる。 On the other hand, the sensitivity to absolute humidity (second sensitivity) when the heating temperature of the first thermistor Rd1 is 150 ° C. and the sensitivity to absolute humidity when the heating temperature of the second thermistor Rd2 is 300 ° C. (second sensitivity). The sensitivities of 4) are different from each other. That is, since the offset amount of the first thermistor Rd1 due to the absolute humidity and the offset amount of the second thermistor Rd2 due to the absolute humidity are not the same, the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2 are simply connected in series. The effect of absolute humidity is not canceled by connecting to. Specifically, the second sensitivity is about 120 μV /% RH, while the fourth sensitivity is about 200 μV /% RH. Therefore, simply connecting the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2 in series, that is, the detection signal Vout1 is superposed with the humidity component.

そこで、本実施形態によるガスセンサ10は、検出信号Vout1に含まれる湿度成分をキャンセルできるよう、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2を直列接続することによって検出信号Vout2を取得している。固定抵抗R0の抵抗値は絶対湿度によって変化せず実質的に一定である一方、第2のサーミスタRd2は絶対湿度の影響を受けるため、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2を直列に接続すると、その接続点に現れる検出信号Vout2のレベルは、実質的に絶対湿度によって決まることになる。 Therefore, the gas sensor 10 according to the present embodiment acquires the detection signal Vout2 by connecting the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 in series so that the humidity component included in the detection signal Vout1 can be canceled. While the resistance value of the fixed resistance R0 does not change with absolute humidity and is substantially constant, the second thermistor Rd2 is affected by the absolute humidity. Therefore, when the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 are connected in series, The level of the detection signal Vout2 appearing at the connection point will be substantially determined by the absolute humidity.

検出信号Vout1,Vout2は、信号処理回路20に供給される。検出信号Vout1,Vout2は差動アンプ21によって増幅信号Vamp1,Vamp2に変換され、ADコンバータ24を介して制御部26に入力される。制御部26は、増幅信号Vamp1から増幅信号Vamp2が示す湿度成分を減算することによって、湿度成分をキャンセルする。 The detection signals Vout1 and Vout2 are supplied to the signal processing circuit 20. The detection signals Vout1 and Vout2 are converted into amplification signals Vamp1 and Vamp2 by the differential amplifier 21, and are input to the control unit 26 via the AD converter 24. The control unit 26 cancels the humidity component by subtracting the humidity component indicated by the amplification signal Vamp2 from the amplification signal Vamp1.

図5は、制御部26の動作を説明するためのフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the control unit 26.

まず、初期設定を行った後(ステップS1)、温度信号Vout3を取得し(ステップS2)、これに基づいて環境温度を算出する(ステップS3)。そして、環境温度に基づいて制御電圧Vmh1,Vmh2及びリファレンス電圧Vrefを補正し(ステップS4)、補正された制御電圧Vmh1,Vmh2及びリファレンス電圧Vrefを出力する(ステップS5)。 First, after performing the initial setting (step S1), the temperature signal Vout3 is acquired (step S2), and the environmental temperature is calculated based on this (step S3). Then, the control voltages Vmh1, Vmh2 and the reference voltage Vref are corrected based on the environmental temperature (step S4), and the corrected control voltages Vmh1, Vmh2 and the reference voltage Vref are output (step S5).

次に、制御部26は、切り替え信号SELを用いてスイッチ回路SWを制御することにより、ノードN0とノードN1を接続する(ステップS6)。これにより、第1のサーミスタRd1と第2のサーミスタRd2が直列に接続されるため、ノードN0には検出信号Vout1が現れる。制御部26は、この状態で増幅信号Vamp1を取得する(ステップS7)。次に、制御部26は、切り替え信号SELを用いてスイッチ回路SWを制御することにより、ノードN0とノードN2を接続する(ステップS8)。これにより、固定抵抗R0と第2のサーミスタRd2が直列に接続されるため、ノードN0には検出信号Vout2が現れる。制御部26は、この状態で増幅信号Vamp2を取得する(ステップS9)。 Next, the control unit 26 connects the node N0 and the node N1 by controlling the switch circuit SW using the switching signal SEL (step S6). As a result, the first thermistor Rd1 and the second thermistor Rd2 are connected in series, so that the detection signal Vout1 appears at the node N0. The control unit 26 acquires the amplified signal Vamp1 in this state (step S7). Next, the control unit 26 connects the node N0 and the node N2 by controlling the switch circuit SW using the switching signal SEL (step S8). As a result, the fixed resistance R0 and the second thermistor Rd2 are connected in series, so that the detection signal Vout2 appears at the node N0. The control unit 26 acquires the amplified signal Vamp2 in this state (step S9).

次に、制御部26は、増幅信号Vamp2に基づいて補正値Vhcを算出する(ステップS10)。補正値Vhcの算出は、制御部26の内部に保持された補正係数Hを用いる。補正係数Hは、絶対湿度に対する第1のサーミスタRd1の感度(第2の感度)と、絶対湿度に対する第2のサーミスタRd2の感度(第4の感度)の比を示している。補正係数Hを生成する方法としては、COガスが存在しない状態、或いは、COガスの濃度が一定の大気中濃度である環境下において、絶対湿度を種々に設定した場合に得られる検出信号Vout1,Vout2を実測し、これに基づいて補正係数Hを生成することができる。補正係数Hが環境温度によって異なる場合には、温度信号Vout3に基づいて補正係数Hを選択すれば良い。 Next, the control unit 26 calculates the correction value Vhc based on the amplified signal Vamp2 (step S10). The correction coefficient H held inside the control unit 26 is used to calculate the correction value Vhc. The correction coefficient H indicates the ratio of the sensitivity of the first thermistor Rd1 to the absolute humidity (second sensitivity) and the sensitivity of the second thermistor Rd2 to the absolute humidity (fourth sensitivity). As a method of generating the correction coefficient H, a detection signal obtained when various absolute humiditys are set in a state where CO 2 gas does not exist or in an environment where the concentration of CO 2 gas is a constant atmospheric concentration. Vout1 and Vout2 can be actually measured and the correction coefficient H can be generated based on the actual measurement. When the correction coefficient H differs depending on the environmental temperature, the correction coefficient H may be selected based on the temperature signal Vout3.

次に、制御部26は、増幅信号Vamp2と補正係数Hを用いて補正値Vhcを算出する(ステップS10)。補正値Vhcの算出は、
Vhc=Vamp2/H ・・・(式1)
によって行うことができる。補正係数Hが逆数であれば、増幅信号Vamp2と補正係数Hを乗算することによって補正値Vhcを算出することができる。補正値Vhcは、増幅信号Vamp1に含まれる湿度成分に相当する。
Next, the control unit 26 calculates the correction value Vhc using the amplification signal Vamp2 and the correction coefficient H (step S10). The calculation of the correction value Vhc is
Vhc = Vamp2 / H ... (Equation 1)
Can be done by. If the correction coefficient H is the reciprocal, the correction value Vhc can be calculated by multiplying the amplification signal Vamp2 by the correction coefficient H. The correction value Vhc corresponds to the humidity component included in the amplified signal Vamp1.

補正係数Hは、数式あるいはテーブルであっても構わない。図6(a)は、補正係数Hの第1の例を示しており、増幅信号Vamp2と補正値Vhcの関係が直線的であるケースを示している。このケースでは、増幅信号Vamp2と補正値Vhcの関係を一次式で表すことができる。図6(b)は、補正係数Hの第2の例を示しており、増幅信号Vamp2と補正値Vhcの関係が曲線的であるケースを示している。このケースでは、増幅信号Vamp2と補正値Vhcの関係を二次式で表すことができる。 The correction coefficient H may be a mathematical formula or a table. FIG. 6A shows a first example of the correction coefficient H, and shows a case where the relationship between the amplification signal Vamp2 and the correction value Vhc is linear. In this case, the relationship between the amplified signal Vamp2 and the correction value Vhc can be expressed by a linear expression. FIG. 6B shows a second example of the correction coefficient H, and shows a case where the relationship between the amplification signal Vamp2 and the correction value Vhc is curved. In this case, the relationship between the amplified signal Vamp2 and the correction value Vhc can be expressed by a quadratic equation.

図6(c)は、補正係数Hの第3の例を示しており、増幅信号Vamp2と補正値Vhcの関係が環境温度によって異なるケースを示している。このケースでは、複数の補正係数Hが用意されており、温度信号Vout3が示す環境温度に応じて、実際に使用する補正係数Hが選択される。図6(c)に示す例では、環境温度がT1,T2,T3である場合にそれぞれ選択される数式あるいはテーブルが制御部26に格納されている。このため、増幅信号Vamp2のレベルが同じであっても、得られる補正値Vhcの値は環境温度に応じて異なる。例えば、増幅信号Vamp2のレベルがV1である場合、環境温度がT1ならば補正値Vhcの値はD1であり、環境温度がT2ならば補正値Vhcの値はD2であり、環境温度がT3ならば補正値Vhcの値はD3である。 FIG. 6C shows a third example of the correction coefficient H, and shows a case where the relationship between the amplification signal Vamp2 and the correction value Vhc differs depending on the environmental temperature. In this case, a plurality of correction coefficients H are prepared, and the correction coefficient H actually used is selected according to the environmental temperature indicated by the temperature signal Vout3. In the example shown in FIG. 6 (c), the formula or table selected when the environmental temperature is T1, T2, T3 is stored in the control unit 26. Therefore, even if the level of the amplified signal Vamp2 is the same, the obtained correction value Vhc value differs depending on the environmental temperature. For example, when the level of the amplification signal Vamp2 is V1, if the environmental temperature is T1, the value of the correction value Vhc is D1, if the environmental temperature is T2, the value of the correction value Vhc is D2, and if the environmental temperature is T3. For example, the value of the correction value Vhc is D3.

環境温度がT1,T2,T3のいずれにも一致しない場合、例えば、環境温度がT1とT2の間である場合には、線形補間によって補正係数Hを生成する。例えば、図7に示すように、環境温度がT1(20℃)において補正係数HがD1(8.00)であり、環境温度がT2(30℃)において補正係数HがD2(7.90)である場合、環境温度がT1とT2の間であるTc(27℃)であれば、次式に示す線形補間によって、実際に使用する補正係数Hの値を7.93とする。
H=D1×(T2-Tc)/(T2-T1)+D2×(Tc-T1)/(T2-T1)=7.93 ・・・(式2)
When the environmental temperature does not match any of T1, T2, and T3, for example, when the environmental temperature is between T1 and T2, the correction coefficient H is generated by linear interpolation. For example, as shown in FIG. 7, when the environmental temperature is T1 (20 ° C.), the correction coefficient H is D1 (8.00), and when the environmental temperature is T2 (30 ° C.), the correction coefficient H is D2 (7.90). If the environmental temperature is Tc (27 ° C.) between T1 and T2, the value of the correction coefficient H actually used is 7.93 by linear interpolation shown in the following equation.
H = D1 × (T2-Tc) / (T2-T1) + D2 × (Tc-T1) / (T2-T1) = 7.93 ... (Equation 2)

増幅信号Vamp2と補正係数Hに基づいて補正値Vhcが決定すると、増幅信号Vamp1から補正値Vhcを減算することによって、補正された値Vamp1'を算出する(ステップS11)。つまり、
Vamp1'=Vamp1-Vhc ・・・(式3)
である。補正された値Vamp1'は、増幅信号Vamp1に含まれる湿度成分がキャンセルされた値に相当する。そして、制御部26に格納された値Vamp1'とCOガス濃度との関係を示す数式あるいはテーブルを参照することにより、COガス濃度を示す出力信号Vco2を生成し、外部に出力する(ステップS12)。
When the correction value Vhc is determined based on the amplification signal Vamp2 and the correction coefficient H, the corrected value Vamp1'is calculated by subtracting the correction value Vhc from the amplification signal Vamp1 (step S11). in short,
Vamp1'= Vamp1-Vhc ... (Equation 3)
Is. The corrected value Vamp1'corresponds to the value at which the humidity component contained in the amplified signal Vamp1 is canceled. Then, by referring to a mathematical formula or a table showing the relationship between the value Vamp1'stored in the control unit 26 and the CO 2 gas concentration, an output signal Vco2 showing the CO 2 gas concentration is generated and output to the outside (step). S12).

このように、本実施形態によるガスセンサ10は、スイッチ回路SWを切り替えることによってCOガスの濃度を示す検出信号Vout1と、絶対湿度を示す検出信号Vout2を取得し、検出信号Vout2に基づいて検出信号Vout1に含まれる湿度成分をキャンセルしていることから、COガスの濃度を正確に測定することが可能となる。 As described above, the gas sensor 10 according to the present embodiment acquires the detection signal Vout1 indicating the concentration of CO 2 gas and the detection signal Vout2 indicating the absolute humidity by switching the switch circuit SW, and the detection signal is based on the detection signal Vout2. Since the humidity component contained in Vout1 is canceled, the concentration of CO 2 gas can be accurately measured.

図8は、制御電圧Vmh1,Vmh2及び切り替え信号SELの波形の一例を示すタイミング図である。図8に示すように、本実施形態においては、温度信号Vout3をサンプリングした後、制御電圧Vmh1と制御電圧Vmh2を同時に活性レベルとすることによって、第1のヒータ抵抗MH1と第2のヒータ抵抗MH2を同時に加熱する。そして、制御電圧Vmh1,Vmh2を活性化させたタイミングで切り替え信号SELを切り替えることによって、検出信号Vout1,Vout2を順次サンプリングすれば、サーミスタRd1,Rd2をそれぞれ一定の温度に保った状態で検出信号Vout1,Vout2を取得することが可能となる。 FIG. 8 is a timing diagram showing an example of the waveforms of the control voltages Vmh1 and Vmh2 and the switching signal SEL. As shown in FIG. 8, in the present embodiment, after sampling the temperature signal Vout3, the control voltage Vmh1 and the control voltage Vmh2 are set to the activity levels at the same time, so that the first heater resistance MH1 and the second heater resistance MH2 are set. Is heated at the same time. Then, if the detection signals Vout1 and Vout2 are sequentially sampled by switching the switching signal SEL at the timing when the control voltages Vmh1 and Vmh2 are activated, the thermistors Rd1 and Rd2 are respectively maintained at a constant temperature and the detection signals Vout1 are sampled. , Vout2 can be acquired.

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 embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, 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、第1のガスがCOガスであり、第2のガスが水蒸気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 first gas is CO 2 gas and the second gas is water vapor 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.

10 ガスセンサ
20 信号処理回路
21~23 差動アンプ
24 ADコンバータ
25 DAコンバータ
26 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
MH1,MH2 ヒータ抵抗
N0~N2 ノード
R0~R4 固定抵抗
Rd1~Rd3 サーミスタ
S,S1~S3 センサ部
SW スイッチ回路
10 Gas sensor 20 Signal processing circuit 21-23 Differential amplifier 24 AD converter 25 DA converter 26 Control unit 35, 45, 65 Thermistor electrodes 37a to 37d, 47a to 47d, 67a, 67b Electrode pad 51 Ceramic package 52 Lid 53 Vent 54 Package electrode 55 Bonding wire 56 External terminal 61 Substrate 61a to 61c Cavity 62,63 Insulation film 64 Heater protective film 65 Thermistor electrode 66 Thermistor protective film MH1, MH2 Heater resistance N0 to N2 Nodes R0 to R4 Fixed resistance Rd1 to Rd3 Thermistor S, S1 to S3 sensor section SW switch circuit

Claims (9)

第1のガスの濃度に応じて第1の感度で抵抗値が変化し、第2のガスの濃度に応じて第2の感度で抵抗値が変化する第1のサーミスタと、
前記第1のガスの濃度に応じて前記第1の感度よりも低い第3の感度で抵抗値が変化し、前記第2のガスの濃度に応じて第4の感度で抵抗値が変化する第2のサーミスタと、
固定抵抗と、
前記第1のサーミスタと前記第2のサーミスタを直列に接続した状態で前記第1のサーミスタと前記第2のサーミスタの接続点に表れる第1の検出信号と、前記固定抵抗と前記第2のサーミスタを直列に接続した状態で前記固定抵抗と前記第2のサーミスタの接続点に表れる第2の検出信号を取得する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路は、前記第1の検出信号に含まれる前記第2のガスの濃度に起因する信号成分を前記第2の検出信号に基づいてキャンセルすることにより、前記第1のガスの濃度を算出することを特徴とするガスセンサ。
A first thermistor in which the resistance value changes with the first sensitivity according to the concentration of the first gas and the resistance value changes with the second sensitivity according to the concentration of the second gas.
The resistance value changes at a third sensitivity lower than the first sensitivity according to the concentration of the first gas, and the resistance value changes at the fourth sensitivity according to the concentration of the second gas. 2 thermistors and
Fixed resistance and
The first detection signal appearing at the connection point between the first thermistor and the second thermistor in a state where the first thermistor and the second thermistor are connected in series, the fixed resistance and the second thermistor. A signal processing circuit for acquiring a second detection signal appearing at the connection point of the fixed resistance and the second thermistor in a state of being connected in series is provided.
The signal processing circuit cancels the signal component caused by the concentration of the second gas contained in the first detection signal based on the second detection signal, thereby reducing the concentration of the first gas. A gas sensor characterized by calculating.
前記第1のサーミスタは第1のヒータによって第1の温度に加熱され、前記第2のサーミスタは第2のヒータによって前記第1の温度とは異なる第2の温度に加熱されることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The first thermistor is heated to a first temperature by a first heater, and the second thermistor is heated to a second temperature different from the first temperature by a second heater. The gas sensor according to claim 1. 前記第1のサーミスタ及び前記固定抵抗のいずれか一方を前記第2のサーミスタに接続するスイッチ回路をさらに備え、
前記信号処理回路は、前記第1及び第2のサーミスタがそれぞれ前記第1及び第2の温度に加熱されている状態で、前記スイッチ回路を切り替えることを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ。
A switch circuit for connecting either one of the first thermistor and the fixed resistance to the second thermistor is further provided.
The gas sensor according to claim 2, wherein the signal processing circuit switches the switch circuit in a state where the first and second thermistors are heated to the first and second temperatures, respectively.
前記信号処理回路は、前記第2の感度と前記第4の感度の比を示す補正係数を保持し、前記第2の検出信号を前記補正係数で乗除することによって補正値を算出するとともに、前記第1の検出信号から前記補正値を減算することによって、前記信号成分をキャンセルす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。 The signal processing circuit holds a correction coefficient indicating the ratio of the second sensitivity to the fourth sensitivity, and the correction value is calculated by multiplying and dividing the second detection signal by the correction coefficient, and the correction value is calculated. The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal component is canceled by subtracting the correction value from the first detection signal. 前記第4の感度は、前記第2の感度よりも高いことを特徴とする請求項4に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 4, wherein the fourth sensitivity is higher than the second sensitivity. 環境温度を検出する第3のサーミスタをさらに備え、
前記信号処理回路は、環境温度ごとに割り当てられた複数の補正係数を有しており、前記第3のサーミスタから得られる温度信号に基づいて、前記複数の補正係数の中から使用する補正係数を決定することを特徴とする請求項4又は5に記載のガスセンサ。
Further equipped with a third thermistor to detect the environmental temperature,
The signal processing circuit has a plurality of correction coefficients assigned for each environmental temperature, and a correction coefficient to be used from the plurality of correction coefficients is selected based on the temperature signal obtained from the third thermistor. The gas sensor according to claim 4 or 5, wherein the determination is made.
前記複数の補正係数は、環境温度が第1の温度である場合に対応する第1の補正係数と、環境温度が第2の温度である場合に対応する第2の補正係数を有しており、前記温度信号が示す環境温度が前記第1の温度と前記第2の温度の間である場合、前記第1の補正係数によって得られる第1の補正値と前記第2の補正係数によって得られる第2の補正値を線形補間することによって、実際に使用する前記補正値を決定することを特徴とする請求項6に記載のガスセンサ。 The plurality of correction coefficients have a first correction coefficient corresponding to the case where the environmental temperature is the first temperature and a second correction coefficient corresponding to the case where the environmental temperature is the second temperature. When the environmental temperature indicated by the temperature signal is between the first temperature and the second temperature, it is obtained by the first correction value obtained by the first correction coefficient and the second correction coefficient. The gas sensor according to claim 6, wherein the correction value to be actually used is determined by linearly interpolating the second correction value. 前記信号処理回路は、前記第1のガスの濃度が一定である環境下において、前記第2のガスの濃度を種々に設定した場合に得られる前記第1及び第2の検出信号に基づいて前記補正係数を生成することを特徴とする請求項4乃至7のいずれか一項に記載のガスセンサ。 The signal processing circuit is based on the first and second detection signals obtained when the concentration of the second gas is set variously in an environment where the concentration of the first gas is constant. The gas sensor according to any one of claims 4 to 7, wherein a correction coefficient is generated. 前記第1のガスはCOガスであり、前記第2のガスは水蒸気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 gas sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the first gas is CO 2 gas and the second gas is water vapor.
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