JP2022129947A - thermal sensor - Google Patents

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JP2022129947A JP2021028838A JP2021028838A JP2022129947A JP 2022129947 A JP2022129947 A JP 2022129947A JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 2022129947 A JP2022129947 A JP 2022129947A
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resistor
resistance value
thermal sensor
thin film
film portion
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慎也 中川
Shinya Nakagawa
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Omron Corp
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Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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Abstract

To provide a thermal sensor capable of suppressing the change in a calorific value in a heater resistor and suppressing the decrease in measurement accuracy as a measuring device, even when a resistance value in a resistor generating heat by energization increases due to repeated heat generation.SOLUTION: A thermal sensor includes a plurality of resistors which generates heat by power supply from a power source. The plurality of resistors includes: a first resistor which is installed in a thin film part and whose calorific value by the power supply from the power source shows temporal changes due to a change over time of a resistance value; and a second resistor different from the first resistor in a mode of the change over time of the resistance value or in a mode of the change over time of the calorific value by the power supply from the power source.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、熱式センサに関する。 The present invention relates to thermal sensors.

従来、長期にわたって高精度な温度補償が行え、また、回路の簡略化が可能なフローセンサが提案されていた。該フローセンサは、電流を流すことによって発熱するヒータ(3)と、そのヒータの近傍に配置した温度センサ(4a,4b)と、周囲温度を測定する測温抵抗体(5)と、発熱抵抗体に流す電流を制御する制御回路を備え、流体の流量または流速に応じて変化する、ヒータからの熱による温度分布の状態を温度センサにより検出する。制御回路は、測温抵抗体と第1固定抵抗(8a)を直列に接続した第1の分岐と、発熱抵抗体と第2固定抵抗(8b)を直列に接続した第2の分岐を並列に接続したブリッジ回路を備え、そのブリッジ回路は、同一の半導体基板(1)上に形成されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, there has been proposed a flow sensor capable of performing highly accurate temperature compensation over a long period of time and allowing simplification of the circuit. The flow sensor consists of a heater (3) that generates heat when an electric current is applied, temperature sensors (4a, 4b) arranged near the heater, a temperature measuring resistor (5) that measures the ambient temperature, and a heating resistor. A control circuit is provided to control the current flowing through the body, and the temperature sensor detects the state of the temperature distribution due to the heat from the heater, which changes according to the flow rate or flow velocity of the fluid. The control circuit has a first branch in which a temperature measuring resistor and a first fixed resistor (8a) are connected in series and a second branch in which a heating resistor and a second fixed resistor (8b) are connected in series in parallel. A connected bridge circuit is provided, and the bridge circuit is formed on the same semiconductor substrate (1) (see, for example, Patent Document 1).

また、発熱用抵抗(2)と温度補償用抵抗(3)として絶縁基板(5)面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、流体の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制できる流量センサ(1)も提案されていた。該流量センサは、発熱用抵抗と温度補償用抵抗における信号を処理する信号処理部を有しており、発熱用抵抗は樹脂製の絶縁基板の表面(5a)上に配置されるチップ抵抗器であって、温度補償用抵抗は絶縁基板の裏面(5b)上に配置されるチップ抵抗器である。発熱用抵抗の絶縁基板を経由する放熱の経路には温度補償用抵抗が配置されており、絶縁基板は発熱用抵抗と流体との接触機会よりも、温度補償用抵抗と流体との接触機会を少なくしている(例えば、特許文献2参照)。 Also, even if chip resistors arranged on the surface of the insulating substrate (5) are used as the heating resistor (2) and the temperature compensating resistor (3), the deterioration of the responsiveness and sensitivity to fluid flow can be suppressed. A sensor (1) was also proposed. The flow sensor has a signal processing section that processes signals from the heat generating resistor and the temperature compensating resistor. The temperature compensating resistor is a chip resistor placed on the back surface (5b) of the insulating substrate. A temperature compensating resistor is placed in the heat dissipation path of the heat generating resistor via the insulating substrate, and the insulating substrate provides more opportunities for the temperature compensating resistor and the fluid to contact than the heat generating resistor and the fluid. (see Patent Document 2, for example).

上記2件の発明においては、通電によって発熱する抵抗における抵抗値が経時的に増加し、これにより、抵抗への通電による発熱量が徐々に変化する場合があった。その結果、測定装置としての精度が低下する場合があった。 In the above two inventions, the resistance value of the resistor that generates heat when energized increases with time, and as a result, the amount of heat generated by the energization of the resistor may change gradually. As a result, the accuracy of the measuring device may deteriorate.

特開2002-310762号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-310762 特開2017-067724号公報JP 2017-067724 A 特開2011-174814号公報JP 2011-174814 A

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、通電によって発熱する抵抗(以下、「ヒータ抵抗」とも記載する。)における抵抗値が、繰り返し発熱に起因して増加した場合でも、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制し、測定装置としての測定精度の低下を抑制できる熱式センサを提供することを最終的な目的とする。 The present invention has been made in view of the problems described above. However, the final object is to provide a thermal sensor capable of suppressing changes in the amount of heat generated by the heater resistance and suppressing deterioration in measurement accuracy as a measuring device.

上記の課題を解決するための本発明は、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第1抵抗と、
抵抗値の経時的増加の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第1抵抗とは異なる第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサである。
The present invention for solving the above problems is
a plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector that detects the temperature of at least one of the plurality of resistors or the temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors are
a first resistor that is installed in the thin film portion and exhibits a change in the amount of heat generated by power supply from a power supply over time due to a change in resistance value over time;
a second resistor that differs from the first resistor in the mode of increase in resistance value over time or in the mode of change over time in the amount of heat generated by power supply from the power supply;
A thermal sensor comprising:

本発明によれば、繰り返し発熱することにより、第1抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第2抵抗の存在によって、第1抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。そうすると、このことによる第1抵抗の発熱量の変化を抑制できる。その結果、熱式センサの測定精度の劣化も抑制できる。例えば、第1抵抗のみの抵抗を備える熱式センサを用いて雰囲気ガスのガス組成を測定する場合、第1抵抗の抵抗値の増加に伴って発熱量が減少し、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じるため、測定値に補正が必要となる。これに対し、第2抵抗を付加して第1抵抗における発熱量の減少を抑制することで、測定値の補正が不要となる。 According to the present invention, even if the resistance value of the first resistor changes over time due to repeated heat generation, the existence of the second resistor can mitigate the influence of the change in the resistance value of the first resistor. can. By doing so, it is possible to suppress a change in the amount of heat generated by the first resistor due to this. As a result, deterioration of the measurement accuracy of the thermal sensor can also be suppressed. For example, when measuring the gas composition of an ambient gas using a thermal sensor having only the first resistor, the amount of heat generated decreases as the resistance value of the first resistor increases, and the thermal conductivity of the ambient gas decreases. Since measurement errors occur, the measured values need to be corrected. On the other hand, by adding the second resistor to suppress the decrease in the amount of heat generated by the first resistor, correction of the measured value becomes unnecessary.

また、本発明においては、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置された第1抵抗と、
前記薄膜部または前記基板における前記第1抵抗の近傍に配置され、前記第1抵抗における抵抗値の1倍以上1.5倍以下の抵抗値を有する第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによっても、繰り返し発熱することにより、第1抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第2抵抗の存在によって、第1抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。
Moreover, in the present invention,
a plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector that detects the temperature of at least one of the plurality of resistors or the temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors are
a first resistor installed in the thin film portion;
a second resistor disposed near the first resistor in the thin film portion or the substrate and having a resistance value of 1 to 1.5 times the resistance value of the first resistor;
It may be a thermal sensor characterized by including Thus, even if the resistance value of the first resistor changes over time due to repeated heat generation, the existence of the second resistor can mitigate the influence of the change in the resistance value of the first resistor.

また、本発明においては、前記温度検出器は、前記薄膜部において、一対が対向して配置される二つ以上のサーモパイルであり、前記第1抵抗は、前記薄膜部において一対の前記サーモパイルの間に設置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、抵抗の周囲における温度を精度良く検出することができる。 Further, in the present invention, the temperature detector is two or more thermopiles arranged facing each other in the thin film portion, and the first resistor is located between the pair of thermopiles in the thin film portion. It may be a thermal sensor, characterized in that it is installed in the According to this, the temperature around the resistor can be detected with high accuracy.

また、本発明においては、前記第2抵抗は、前記第1抵抗と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第2抵抗において発生した熱は、第1抵抗において発生した熱と比較して拡散しやすく、第2抵抗における抵抗値の経時的変化を抑制できる。なお、高い放熱性を有する箇所とは、例えば熱伝導性の高い基板上である。 Further, in the present invention, the thermal sensor may be characterized in that the second resistor is arranged at a location having higher heat dissipation than the first resistor. According to this, the heat generated in the second resistor diffuses more easily than the heat generated in the first resistor, and the change in the resistance value of the second resistor over time can be suppressed. Note that the location with high heat dissipation is, for example, a substrate with high thermal conductivity.

また、本発明においては、前記第1抵抗における初期抵抗値は、前記第2抵抗における前記初期抵抗値と同等であることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第1抵抗と同一部品にて第2抵抗を構成でき、部品コストや部品管理コストを低減できる。また、第2抵抗を付加した場合における、第1抵抗の抵抗値の変化による発熱量の変化の算出式を簡易化することができ、管理・設計負荷を低減することが可能となる。 Further, in the present invention, the thermal sensor may be characterized in that the initial resistance value of the first resistor is equal to the initial resistance value of the second resistor. According to this, the second resistor can be configured with the same parts as the first resistor, and the parts cost and parts management cost can be reduced. In addition, when the second resistor is added, it is possible to simplify the formula for calculating the change in the amount of heat generated due to the change in the resistance value of the first resistor, and it is possible to reduce the management and design load.

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第2抵抗は、前記基板上に
おいて、前記第1抵抗と直列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第1抵抗における抵抗値が経時的に増加した場合に、第2抵抗における抵抗値は変わらないことから第1抵抗における分圧が増加する。このことにより、第1抵抗における発熱量の減少を抑制できる。
Further, in the present invention, the power source may be a constant voltage source, and the second resistor may be connected in series with the first resistor on the substrate. . According to this, for example, when the resistance value of the first resistor increases over time, the resistance value of the second resistor does not change, so the divided voltage of the first resistor increases. This makes it possible to suppress a decrease in the amount of heat generated by the first resistor.

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第1抵抗における抵抗値が経時的に増加した際に、第2抵抗における抵抗値は変わらないことから第1抵抗に流れる電流が減少する。このことにより、第1抵抗における発熱量の増加を抑制できる。 Further, in the present invention, the power source may be a constant current source, and the second resistor may be connected in parallel with the first resistor on the substrate. . According to this, for example, when the resistance value of the first resistor increases over time, the current flowing through the first resistor decreases because the resistance value of the second resistor does not change. This can suppress an increase in the amount of heat generated in the first resistor.

また、本発明においては、前記第1抵抗には定電圧源から電力を供給し、前記第2抵抗には定電流源から電力を供給し、前記第2抵抗は、前記薄膜部上において一対の前記サーモパイルの間に設置され、前記第1抵抗と前記第2抵抗は、互いに独立して並列に配置されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、二つの抵抗におけるそれぞれの抵抗値はともに経時的に変化するが、それぞれの抵抗値における発熱量は互いに逆方向に経時的に変化する。この逆方向の変化による打ち消し合いの効果により、両方の抵抗を合わせた発熱量の経時的な変化は抑制される。 Further, in the present invention, power is supplied to the first resistor from a constant voltage source, power is supplied to the second resistor from a constant current source, and the second resistor is a pair of resistors on the thin film portion. A thermal sensor may be provided between the thermopiles, wherein the first resistor and the second resistor are arranged in parallel independently of each other. According to this, the resistance values of the two resistors both change with time, but the amounts of heat generated at the resistance values change with time in opposite directions to each other. Due to the effect of canceling each other due to the change in the opposite direction, the change over time of the amount of heat generated by both resistances is suppressed.

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と直列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第1抵抗と第2抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第1抵抗及び第2抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。
Further, in the present invention, the power source is a constant voltage source, the second resistor is connected in series with the first resistor in the thin film portion, and the resistance value of the second resistor is It may be a thermal sensor characterized in that it changes with time in a direction opposite to that of the first resistance. According to this, by appropriately selecting the rate of change in resistance depending on the temperature of the first resistor and the second resistor, it is possible to cancel out the change in power over time in the first resistor and the second resistor.

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と並列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第1抵抗と第2抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第1抵抗及び第2抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。第2抵抗が第1抵抗に対して並列に接続される配置で、定電流を印加する場合と、第2抵抗が第1抵抗に対して直列に接続される配置で、定電圧を印加する場合とで、同様の効果が得られる。
Further, in the present invention, the power source is a constant current source, the second resistor is connected in parallel with the first resistor in the thin film portion, and the resistance value of the second resistor is changed by passing current. It may be a thermal sensor characterized in that it changes with time in a direction opposite to that of the first resistance. According to this, by appropriately selecting the rate of change in resistance depending on the temperature of the first resistor and the second resistor, it is possible to cancel out the change in power over time in the first resistor and the second resistor. When the second resistor is connected in parallel with the first resistor and a constant current is applied, and when the second resistor is connected in series with the first resistor and a constant voltage is applied A similar effect can be obtained with

なお、上記の課題を解決するための手段は、可能な限り互いに組み合わせて用いることができる。 The means for solving the above problems can be used in combination with each other as much as possible.

本発明によれば、ヒータ抵抗における抵抗値が増加した際に、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制できる。その結果、ヒータ抵抗の寿命が延び、本発明における熱式センサの測定装置としての測定精度の低下を抑制できる。 According to the present invention, it is possible to suppress a change in the amount of heat generated by the heater resistor when the resistance value of the heater resistor increases. As a result, the life of the heater resistor is extended, and deterioration in measurement accuracy of the thermal sensor of the present invention as a measuring device can be suppressed.

従来の熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す模式的な図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a sensor element that constitutes a conventional thermal gas sensor; 実施例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。2 is a plan view showing an example of a sensor element that constitutes the thermal gas sensor in Example 1. FIG. 雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing the functional configuration of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of the atmospheric gas; 熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a process when measuring the gas composition of atmospheric gas with a thermal gas sensor. 変形例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing an example of a sensor element that constitutes a thermal gas sensor according to modification 1; 変形例2における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing an example of a sensor element that constitutes a thermal gas sensor according to modification 2; 変形例3における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing an example of a sensor element that constitutes a thermal gas sensor according to modification 3;

〔適用例〕
本適用例においては、熱式センサが熱式ガスセンサである場合について説明する。本適用例に係る熱式ガスセンサは、電流を流すことによって発熱する抵抗であるヒータ抵抗に対して付加的に補償抵抗が配置された構成を有する。すなわち、複数の抵抗を備える。
[Example of application]
In this application example, a case where the thermal sensor is a thermal gas sensor will be described. The thermal gas sensor according to this application example has a configuration in which a compensating resistor is additionally arranged with respect to the heater resistor, which is a resistor that generates heat when an electric current is applied. That is, it has a plurality of resistors.

図2は、本発明が適用可能な熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の一例を示す平面図である。センサ素子2は、ヒータ抵抗3と、ヒータ抵抗3を挟んで対称に設けられたサーモパイル(温度検出部)4と、ヒータ抵抗3と同様に電流を流すことによって発熱し、ヒータ抵抗3に対して直列に接続された補償抵抗13とを備える。なお、図2では二つのサーモパイル4を示しているが、サーモパイル4は二つ以上であればその数に限定はない。ヒータ抵抗3は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。サーモパイル4の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形である。ヒータ抵抗3及びサーモパイル4及び補償抵抗13は、シリコン基板6上に形成された絶縁薄膜5内に設けられている。 FIG. 2 is a plan view showing an example of the sensor element 2 forming the thermal gas sensor 1 to which the present invention is applicable. The sensor element 2 includes a heater resistor 3 and a thermopile (temperature detection unit) 4 provided symmetrically with the heater resistor 3 interposed therebetween. and a compensating resistor 13 connected in series. Although two thermopiles 4 are shown in FIG. 2, the number of thermopiles 4 is not limited as long as it is two or more. The heater resistor 3 is a resistor made of polysilicon, for example. Each of the thermopiles 4 has a substantially rectangular shape in plan view. The heater resistor 3 , thermopile 4 and compensating resistor 13 are provided in an insulating thin film 5 formed on a silicon substrate 6 .

図2では簡略化して示しているが、サーモパイル4はそれぞれ、複数の熱電対7(図1(b)参照)が絶縁薄膜5内に所定の間隔で並んで配置されることで構成されている。このうち、ヒータ抵抗3と同じ側で接続されている箇所が温接点8(図1(b)参照)であり、ヒータ抵抗3と反対側で接続されている箇所が冷接点9(図1(b)参照)である。 Although shown in a simplified manner in FIG. 2, each of the thermopiles 4 is constructed by arranging a plurality of thermocouples 7 (see FIG. 1(b)) in the insulating thin film 5 at predetermined intervals. . Of these, the point connected on the same side as the heater resistor 3 is the hot junction 8 (see FIG. 1(b)), and the point connected on the opposite side to the heater resistor 3 is the cold junction 9 (see FIG. 1 ( b) see).

また、絶縁薄膜5における、ヒータ抵抗3及びサーモパイル4の下方のシリコン基板6には、凹部であるキャビティエリア10が設けられている。なお、キャビティエリア10に係る断面図は図1(b)に示す。ここで、ヒータ抵抗3はキャビティエリア10の開口を横断するように配置されているのに対し、補償抵抗13はシリコン基板6上に接して配置されている。よって、ヒータ抵抗3においてキャビティエリア10に放出する発熱と比較して、補償抵抗13における発熱はシリコン基板6を伝達して速やかに拡散する。すなわち、補償抵抗13は、ヒータ抵抗3と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。 In the insulating thin film 5, the silicon substrate 6 below the heater resistor 3 and the thermopile 4 is provided with a cavity area 10 which is a concave portion. A cross-sectional view of the cavity area 10 is shown in FIG. 1(b). Here, the heater resistor 3 is arranged across the opening of the cavity area 10 , whereas the compensating resistor 13 is arranged on the silicon substrate 6 in contact therewith. Therefore, the heat generated in the compensating resistor 13 is transmitted through the silicon substrate 6 and diffused more quickly than the heat generated in the heater resistor 3 radiates to the cavity area 10 . That is, the compensating resistor 13 is arranged at a location having higher heat dissipation than the heater resistor 3 .

定電圧源11は、センサ素子2の外部に配置されており、ヒータ抵抗3及び補償抵抗13に導電する電極12に導線が接続されている。定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗3及び補償抵抗13が発熱する。ここで、ヒータ抵抗3は、キャビティ10上の絶縁薄膜5内に配置されており、比較的放熱性が低い状態であるに対し、補償抵抗13は、シリコン基板6上の絶縁薄膜5内に配置されており、放熱性が高い状
態となっている。換言すると、補償抵抗13はヒータ抵抗3と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。よって、定電圧源11からの通電により、ヒータ抵抗3の温度は上昇するが、補償抵抗13はヒータ抵抗3のように温度が上昇しない。その結果、定電圧源11からの繰り返しの通電により、ヒータ抵抗3の抵抗値は経時的に増加する。一方、補償抵抗13の抵抗値は、経時的には殆ど変化しない。
A constant voltage source 11 is located outside the sensor element 2 and is connected to an electrode 12 that conducts to the heater resistor 3 and the compensating resistor 13 . When a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the heater resistor 3 and the compensating resistor 13 generate heat. Here, the heater resistor 3 is placed in the insulating thin film 5 on the cavity 10 and has relatively low heat dissipation, whereas the compensating resistor 13 is placed in the insulating thin film 5 on the silicon substrate 6. It is in a state of high heat dissipation. In other words, the compensating resistor 13 is arranged at a location having a higher heat dissipation than the heater resistor 3 . Therefore, the temperature of the heater resistor 3 rises due to the energization from the constant voltage source 11 , but the temperature of the compensating resistor 13 does not rise like the heater resistor 3 . As a result, the resistance value of the heater resistor 3 increases with time due to repeated energization from the constant voltage source 11 . On the other hand, the resistance value of the compensation resistor 13 hardly changes with time.

本適用例に係る熱式ガスセンサは、ヒータ抵抗3に対して付加的に補償抵抗13を配置することで、ヒータ抵抗3における抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗3におけ
る発熱量の減少を抑制する機能を有する。詳細は後述する(実施例1の式(2)参照)。
In the thermal gas sensor according to this application example, by disposing the compensation resistor 13 in addition to the heater resistor 3, the amount of heat generated by the heater resistor 3 can be reduced when the resistance value of the heater resistor 3 increases with time. It has the function of suppressing the decrease. Details will be described later (see formula (2) in Example 1).

〔実施例1〕
以下、本発明の実施例1に係る熱式センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明を熱式ガスセンサに適用した例について説明するが、本発明を酸素濃縮器やガスフローメーター等、他の装置に適用しても構わない。なお、本発明に係る熱式ガスセンサは、以下の構成に限定する趣旨のものではない。
[Example 1]
A thermal sensor according to Example 1 of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the following embodiments, an example in which the present invention is applied to a thermal gas sensor will be described, but the present invention may be applied to other devices such as oxygen concentrators and gas flow meters. Note that the thermal gas sensor according to the present invention is not intended to be limited to the following configuration.

<装置構成>
図1は、従来の熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の一例を示す模式的な図である。図1(a)は従来の熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の平面図、図1(b)は図1(a)の断面X-Xに係る断面図である。熱式ガスセンサ1は一種のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)であり、例えば雰囲気ガスのガス組成(濃度比率)の測定に用いられる。
<Device configuration>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a sensor element 2 that constitutes a conventional thermal gas sensor 1. As shown in FIG. FIG. 1(a) is a plan view of a sensor element 2 constituting a conventional thermal gas sensor 1, and FIG. 1(b) is a sectional view taken along the line XX of FIG. 1(a). The thermal gas sensor 1 is a kind of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and is used, for example, to measure the gas composition (concentration ratio) of atmospheric gas.

従来の熱式ガスセンサ1は、ヒータ抵抗3以外に抵抗を備えていない。センサ素子2は、ヒータ抵抗3と、ヒータ抵抗3を挟んで対称に設けられたサーモパイル4とを備える。ヒータ抵抗3及びサーモパイル4は、絶縁薄膜5内に形成され、絶縁薄膜5はシリコン基板6上に設けられている。ここで、ヒータ抵抗3は、本発明における第1抵抗に相当する。また、絶縁薄膜5、及びシリコン基板6はそれぞれ、本発明における薄膜部、及び基板に相当する。 The conventional thermal gas sensor 1 has no resistance other than the heater resistance 3 . The sensor element 2 includes a heater resistor 3 and a thermopile 4 provided symmetrically with the heater resistor 3 interposed therebetween. A heater resistor 3 and a thermopile 4 are formed in an insulating thin film 5 , which is provided on a silicon substrate 6 . Here, the heater resistor 3 corresponds to the first resistor in the present invention. Also, the insulating thin film 5 and the silicon substrate 6 correspond to the thin film portion and the substrate in the present invention, respectively.

図1(b)に示すように、サーモパイル4を構成する熱電対7は、温接点8がヒータ抵抗3における発熱を感知すると、ゼーベック効果により、冷接点9との温度差によって起電力が生じる。温接点8はキャビティエリア10の上部に並んで位置し、冷接点9はシリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する。ヒータ抵抗3において発生した熱は、キャビティエリア10に放出されるため、シリコン基板6への熱の拡散は抑制される。よって、シリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する冷接点9の温度はほとんど増加せず、ヒータ抵抗3の周囲に位置する温接点8との温度差がより生じやすい。 As shown in FIG. 1(b), when the hot junction 8 senses the heat generated by the heater resistor 3, the thermocouple 7 constituting the thermopile 4 generates an electromotive force due to the temperature difference with the cold junction 9 due to the Seebeck effect. The hot junctions 8 are located side by side on the cavity area 10 , and the cold junctions 9 are located in a region other than the cavity area 10 on the silicon substrate 6 . Since the heat generated in the heater resistor 3 is released to the cavity area 10, diffusion of heat to the silicon substrate 6 is suppressed. Therefore, the temperature of the cold junction 9 located in the region other than the cavity area 10 in the silicon substrate 6 hardly increases, and the temperature difference with the hot junction 8 located around the heater resistor 3 is more likely to occur.

定電圧源11から電極12を介してセンサ素子2に定電圧を印加することで、ヒータ抵抗3が発熱する。ヒータ抵抗3において発生した熱の温度をサーモパイル4で測定することで、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定できる。 By applying a constant voltage from the constant voltage source 11 to the sensor element 2 via the electrode 12, the heater resistor 3 generates heat. By measuring the temperature of the heat generated in the heater resistor 3 with the thermopile 4, the thermal conductivity of the atmospheric gas flowing into the sensor element 2 can be measured.

熱伝導率はガスの種類によって固有の値であるため、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスのガス組成を測定できる。例えば雰囲気ガスが空気である場合は、空気中の酸素濃度を測定することも可能である。しかし、ヒータ抵抗3における発熱量が常に一定でないと、熱式ガスセンサ1の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じる。 Since the thermal conductivity is a specific value depending on the type of gas, measuring the thermal conductivity of the atmospheric gas that has flowed into the sensor element 2 enables measurement of the gas composition of the atmospheric gas. For example, when the atmospheric gas is air, it is also possible to measure the oxygen concentration in the air. However, if the amount of heat generated by the heater resistor 3 is not always constant, the measurement accuracy of the thermal gas sensor 1 is degraded. Therefore, a measurement error occurs in the thermal conductivity of the ambient gas.

フローメータ―の場合は、雰囲気ガスは図1(b)におけるヒータ抵抗3及び一対の熱電対7の並びに沿って流れる。ヒータ抵抗3とサーモパイル4の各々の長手方向は、雰囲気ガスの流れ方向と直交する。よって、雰囲気ガスがセンサ素子2に流入すると、ヒータ抵抗3の熱は、ヒータ抵抗3を中心として対称に拡散せず、雰囲気ガスが流れる方向に沿って非対称に拡散する。その際に、ヒータ抵抗3の両側における温接点8の間に温度差が生じる。そして、当該温度差に比例してサーモパイル4から出力電圧が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル4の起電力に基づいて検出できる。この場合もヒータ抵抗3における発熱量が常に一定でないと、フローメータ―の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの流量に測定誤差が生じる。 In the case of a flow meter, ambient gas flows along the heater resistor 3 and the pair of thermocouples 7 in FIG. 1(b). The longitudinal directions of the heater resistor 3 and the thermopile 4 are perpendicular to the flow direction of the ambient gas. Therefore, when the ambient gas flows into the sensor element 2, the heat of the heater resistor 3 does not diffuse symmetrically around the heater resistor 3, but diffuses asymmetrically along the direction in which the ambient gas flows. A temperature difference then occurs between the hot junctions 8 on both sides of the heater resistor 3 . An output voltage is generated from the thermopile 4 in proportion to the temperature difference. Moreover, since the temperature difference increases according to the flow velocity, the magnitude of the flow velocity can be detected based on the electromotive force of the thermopile 4 . Also in this case, if the amount of heat generated by the heater resistor 3 is not always constant, the measurement accuracy of the flow meter will deteriorate. Therefore, a measurement error occurs in the flow rate of the atmospheric gas.

定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗3における抵抗値は、ヒータ抵抗3の発熱の繰り返しによって経時的に増加し、ヒータ抵抗3における電力は減少するといった不都合が考えられた。ここで、仮に、ヒータ抵抗3における初期抵抗値Rhが経時的に増加してa倍(a>1)になった時をヒータ抵抗3の寿命と定義する。このとき、ヒータ抵抗3における初期の電力をW、寿命に達した時の電力をWとすると、WとWの比率は次のような式(1)で表される。

Figure 2022129947000002

なお、Vは定電圧源11の電圧値である。 When a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the resistance value of the heater resistor 3 increases with time due to repeated heat generation of the heater resistor 3, and the electric power of the heater resistor 3 decreases. rice field. Here, it is assumed that the life of the heater resistor 3 is defined as the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3 increases with time and becomes a times (a>1). At this time, assuming that the initial power in the heater resistor 3 is W 0 and the power at the end of its life is W 1 , the ratio between W 0 and W 1 is expressed by the following equation (1).
Figure 2022129947000002

Note that V is the voltage value of the constant voltage source 11 .

ここで、図2の説明に戻る。上述の通り、定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗3における抵抗値は経時的に増加するのに対し、補償抵抗13における抵抗値はほとんど増加しない。熱式ガスセンサ1を用いて繰り返し熱伝導率を測定する場合を考えた際に、補償抵抗13における抵抗値の増加率は、ヒータ抵抗3における抵抗値の増加率と比較して極端に小さいため、定電圧を印加しても補償抵抗13における抵抗値は変わらないと考えてよい。そうすると、繰り返し熱伝導率を測定した場合に、ヒータ抵抗3における抵抗値が経時的に増加すると同時に、ヒータ抵抗3の両端の分圧が増加する。したがって、ヒータ抵抗3における電力(発熱量と略等価である)の減少は抑制される。このとき、式(1)と同様に、WとWの比率は次のような式(2)で表される。

Figure 2022129947000003

ここで、Rh=R1とすると、a>1より、式(2)におけるW/Wの値は、式(1)におけるW/Wの値より大きい。すなわち、ヒータ抵抗3に対して付加的に補償抵抗13を配置することで、ヒータ抵抗3における抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗3における電力の減少を抑制できる。ここで、補償抵抗13は、本発明における第2抵抗に相当する。 Now, return to the description of FIG. As described above, when a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the resistance value of the heater resistor 3 increases with time, while the resistance value of the compensation resistor 13 hardly increases. When considering the case of repeatedly measuring the thermal conductivity using the thermal gas sensor 1, the rate of increase in the resistance value of the compensation resistor 13 is extremely small compared to the rate of increase in the resistance value of the heater resistor 3. It can be considered that the resistance value of the compensation resistor 13 does not change even if a constant voltage is applied. Then, when the thermal conductivity is repeatedly measured, the resistance value of the heater resistor 3 increases with time, and simultaneously the partial pressure across the heater resistor 3 increases. Therefore, the decrease in electric power (substantially equivalent to the amount of heat generated) in the heater resistor 3 is suppressed. At this time, the ratio of W 0 and W 1 is expressed by the following formula (2) as in formula (1).
Figure 2022129947000003

Here, if Rh=R1, the value of W 1 /W 0 in formula (2) is greater than the value of W 1 /W 0 in formula (1) from a>1. That is, by disposing the compensating resistor 13 in addition to the heater resistor 3, it is possible to suppress a decrease in power in the heater resistor 3 when the resistance value of the heater resistor 3 increases with time. Here, the compensating resistor 13 corresponds to the second resistor in the present invention.

また、式(2)において、電力がWからWに減少する際の、減少率を小さくするための補償抵抗13の抵抗値について考える。WからWへの減少率が0である場合、すなわちW/Wの値が1である場合、WからWへの減少率は最小である。このとき、補償抵抗13の抵抗値R1をkRhとすると、次のような式(3)が成立する。

Figure 2022129947000004

/Wの値を1とするkとして、第3行目のようなkが求まる。すなわち、ヒータ抵抗3における初期抵抗値Rhが経時的に増加してa倍になった時をヒータ抵抗3の寿命とすると、補償抵抗13における初期抵抗値R1をヒータ抵抗3における初期抵抗値Rhの√a倍とすることで、ヒータ抵抗3における電力の減少率を最小に抑制することができる。その結果、ヒータ抵抗3の寿命を延ばすことができる。なお、√aの値は、例えば1以上1.5以下としてもよい。 Also, in equation (2), consider the resistance value of the compensating resistor 13 for reducing the rate of decrease when the power decreases from W0 to W1. If the rate of decrease from W 0 to W 1 is 0, ie the value of W 1 /W 0 is 1, then the rate of decrease from W 0 to W 1 is minimal. At this time, assuming that the resistance value R1 of the compensation resistor 13 is kRh, the following equation (3) holds.
Figure 2022129947000004

Assuming that the value of W 1 /W 0 is 1, k is obtained as in the third row. That is, assuming that the life of the heater resistor 3 is the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3 increases over time and becomes a times as large as the initial resistance value Rh of the heater resistor 3, the initial resistance value R1 of the compensation resistor 13 is the initial resistance value Rh of the heater resistor 3. By multiplying by √a, the rate of decrease in power in the heater resistor 3 can be minimized. As a result, the life of the heater resistor 3 can be extended. Note that the value of √a may be, for example, 1 or more and 1.5 or less.

図3は、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサ1の機能構成を示すブロック図である。熱式ガスセンサ1は、制御部14と、それぞれ無線または有線で制御部14に接続されている、入力部15及び計測部16及び記憶部17及び出力部18とを備えている。 FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the thermal gas sensor 1 when measuring the gas composition of the ambient gas. The thermal gas sensor 1 includes a control unit 14, and an input unit 15, a measurement unit 16, a storage unit 17, and an output unit 18, which are connected to the control unit 14 wirelessly or by wire.

制御部14には、CPU、ROM、RAM等が含まれ、例えばガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報が蓄積されている。上述通り、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定し、ガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報に基づいて雰囲気ガスのガス組成を測定できる。 The control unit 14 includes a CPU, a ROM, a RAM, etc., and stores information on thermal conductivity, which has a unique value depending on the type of gas, for example. As described above, the thermal conductivity of the atmospheric gas that has flowed into the sensor element 2 is measured, and the gas composition of the atmospheric gas can be measured based on the thermal conductivity information, which has a unique value depending on the type of gas.

入力部15には、例えば測定対象のガスに含まれるガスの種類を予め入力する機能が備えられる。これにより、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスにおける、入力した各々のガスのガス組成を測定することができる。 The input unit 15 has a function of inputting in advance the type of gas contained in the gas to be measured, for example. Accordingly, by measuring the thermal conductivity of the atmospheric gas that has flowed into the sensor element 2, the gas composition of each input gas in the atmospheric gas can be measured.

測定部16には、ガス流路(不図示)やヒータ抵抗3や補償抵抗13やサーモパイル4等が含まれ、例えばヒータ抵抗3の電力やヒータ抵抗3における発熱の温度等のパラメーターの測定を行う。測定されたパラメーターは記憶部17に蓄積される。 The measurement unit 16 includes the gas flow path (not shown), the heater resistor 3, the compensation resistor 13, the thermopile 4, and the like, and measures parameters such as the electric power of the heater resistor 3 and the temperature of the heat generated in the heater resistor 3. . The measured parameters are stored in the storage section 17 .

制御部14において、測定部16におけるサーモパイル4の出力と、記憶部17に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する。測定されたガス組成は、出力部18に表示される。出力部18は、例えば液晶モニターである。 The control unit 14 calculates the gas composition of the atmosphere gas based on the output of the thermopile 4 in the measurement unit 16 and the parameters accumulated in the storage unit 17 . The measured gas composition is displayed on the output section 18 . The output unit 18 is, for example, a liquid crystal monitor.

図4は、熱式ガスセンサ1による、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。以下、図4を用いて処理の流れについて説明する。本フローチャートでは、まず、熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2に、入力部15においてガスの種類を特定した雰囲気ガスを流入する(S101)。フローメータ―の場合は、図2におけるサーモパイル4の短手方向に沿ってヒータ抵抗3に対して流入する。ヒータ抵抗3に対して流入した雰囲気ガスは、ヒータ抵抗3における発熱によって加熱される(S102)。なお、本実施例では、定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加することでヒ
ータ抵抗3が発熱するが、ヒータ抵抗3と補償抵抗13の接続の態様によっては、定電流を駆動する場合もある。次に、制御部14において、サーモパイル4の出力と、記憶部17に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する(S103)。測定した雰囲気ガスのガス組成のパラメーターは新たに記憶部17に蓄積される。最後に、出力部18に雰囲気ガスのガス組成が表示される(S104)。これによれば、例えば雰囲気ガスにおける特定のガスの純度を把握できる。
FIG. 4 is a flow chart showing the process when the thermal gas sensor 1 measures the gas composition of the ambient gas. The flow of processing will be described below with reference to FIG. In this flowchart, first, an ambient gas whose type is specified by the input unit 15 is introduced into the sensor element 2 constituting the thermal gas sensor 1 (S101). In the case of a flow meter, it flows into the heater resistor 3 along the lateral direction of the thermopile 4 in FIG. The ambient gas that has flowed into the heater resistor 3 is heated by the heat generated in the heater resistor 3 (S102). In this embodiment, the heater resistor 3 generates heat by applying a constant voltage from the constant voltage source 11 to the sensor element 2. Depending on the connection mode between the heater resistor 3 and the compensation resistor 13, a constant current is driven. In some cases. Next, in the control unit 14, the gas composition of the atmosphere gas is calculated based on the output of the thermopile 4 and the parameters accumulated in the storage unit 17 (S103). The measured parameters of the gas composition of the ambient gas are newly stored in the storage unit 17 . Finally, the output section 18 displays the gas composition of the ambient gas (S104). According to this, it is possible to grasp the purity of a specific gas in the atmospheric gas, for example.

なお、以下の変形例において、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成、及び熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理については、実施例1と同様に、図3及び図4に示す通りである。 In the following modified examples, the functional configuration of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of the atmospheric gas and the processing of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of the atmospheric gas are the same as in Example 1. It is as shown in FIG.3 and FIG.4.

〔変形例1〕
次に、本発明の変形例1について説明する。図5は、変形例1における熱式ガスセンサ1aを構成するセンサ素子2aの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例1の相違点は、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して並列に接続される点、及び電源として定電流源19を用いて、定電流源19から電極12aを介してセンサ素子2aに定電流を印加する点である。定電流を印加する場合は、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して並列に接続されることで、実施例1と同様の効果が得られる。すなわち、ヒータ抵抗3aにおける抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗3aにおける電力の減少を抑制する効果が得られる。
[Modification 1]
Next, Modification 1 of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view showing an example of the sensor element 2a that constitutes the thermal gas sensor 1a in Modification 1. As shown in FIG. Modification 1 differs from Example 1 in that the compensating resistor 13a is connected in parallel to the heater resistor 3a, and that the constant current source 19 is used as a power supply, and the constant current source 19 supplies the current through the electrode 12a. The point is that a constant current is applied to the sensor element 2a. When a constant current is applied, the compensation resistor 13a is connected in parallel with the heater resistor 3a, thereby obtaining the same effect as in the first embodiment. That is, it is possible to obtain an effect of suppressing a decrease in electric power in the heater resistor 3a when the resistance value of the heater resistor 3a increases with time.

ここで、ヒータ抵抗3aにおける初期抵抗値Rhが経時的に増加してa倍(a>1)になった時をヒータ抵抗3aの寿命と定義する。このとき、補償抵抗13aにおける初期抵抗値をR1、ヒータ抵抗3aにおける初期の電力をW、寿命に達した時の電力をWとすると、WとWの比率は次のような式(4)で表される。

Figure 2022129947000005

なお、Iは定電流源19の電流値である。また、Rh=R1である。ここで、同条件下で式(4)におけるW/Wの値は、式(2)におけるW/Wの値と等しい。よって、センサ素子2aにおいて、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して並列に接続される配置で、センサ素子2aに定電流を印加する場合と、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して直列に接続される配置で、センサ素子2aに定電圧を印加する場合とで、同様の効果が得られる。 Here, the life of the heater resistor 3a is defined as the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3a increases over time and becomes a times (a>1). At this time, assuming that the initial resistance value of the compensating resistor 13a is R1 , the initial power of the heater resistor 3a is W0 , and the power at the end of its life is W1, the ratio of W0 to W1 is expressed by the following formula: (4).
Figure 2022129947000005

Note that I is the current value of the constant current source 19 . Also, Rh=R1. Here, under the same conditions, the value of W 1 /W 0 in equation (4) is equal to the value of W 1 /W 0 in equation (2). Therefore, in the sensor element 2a, when the compensating resistor 13a is connected in parallel to the heater resistor 3a and a constant current is applied to the sensor element 2a, the compensating resistor 13a is connected in series with the heater resistor 3a. The same effect can be obtained by applying a constant voltage to the sensor element 2a in such an arrangement.

〔変形例2〕
次に、本発明の変形例2について説明する。図6は、変形例2における熱式ガスセンサ1bを構成するセンサ素子2bの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例2の相違点は、ヒータ抵抗3bと補償抵抗13bが互いに独立して並列に配置されており、ヒータ抵抗3bと同様に、補償抵抗13bも一対のサーモパイル4bの間においてキャビティエリア10bの開口を横断するように配置されている点、及び二つの電源がセンサ素子2bの外部に配置されており、定電圧源11bはヒータ抵抗3bに導電する電極12bに
導線が接続されており、定電流源19bは補償抵抗13bに導電する電極12bに導線が接続されている点である。ヒータ抵抗3b及び補償抵抗13bが発熱する際には、初期の時点で二つの抵抗においてそれぞれ同値の電力が生じるように、定電圧及び定電流をセンサ素子2bに印加する。このとき、二つの抵抗における抵抗値はそれぞれ経時的に増加するが、電力はそれぞれ逆方向に変化するので、打ち消し合って抵抗値の増加を抑制する効果が得られる。具体的には、定電圧が印可されるヒータ抵抗3bにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、ヒータ抵抗3bにおける電力は経時的に減少するのに対し、定電流が印可される補償抵抗13bにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、補償抵抗13bにおける電力は経時的に増加する。
[Modification 2]
Next, Modification 2 of the present invention will be described. FIG. 6 is a plan view showing an example of the sensor element 2b that constitutes the thermal gas sensor 1b in Modification 2. As shown in FIG. The difference of Modification 2 from Embodiment 1 is that the heater resistor 3b and the compensating resistor 13b are arranged independently of each other in parallel. and two power supplies are located external to the sensor element 2b, a constant voltage source 11b being wire-connected to an electrode 12b conducting to the heater resistor 3b. The point is that the constant current source 19b is connected to the electrode 12b that conducts to the compensating resistor 13b. When the heater resistor 3b and the compensating resistor 13b generate heat, a constant voltage and a constant current are applied to the sensor element 2b so that the two resistors generate the same electric power at the initial time. At this time, the resistance values of the two resistors increase with time, but the electric powers change in opposite directions, so that they cancel each other out and the effect of suppressing the increase in resistance value is obtained. Specifically, as the resistance value of the heater resistor 3b to which a constant voltage is applied increases over time, the power of the heater resistor 3b decreases over time, whereas the power of the heater resistor 3b to which a constant current is applied decreases over time. The power at the compensating resistor 13b increases with time as the resistance value of .

ここで、ヒータ抵抗3bにおける初期抵抗値Rh、及び補償抵抗13bにおける初期抵抗値R1が経時的に増加してa倍(a>1)になった時をヒータ抵抗3b及び補償抵抗13bの寿命と定義する。このとき、ヒータ抵抗3b及び補償抵抗13bにおける初期の電力の合計をW、寿命に達した時の電力の合計をWとすると、WとWの比率は次のような式(5)で表される。

Figure 2022129947000006

なお、Vは定電圧源11bの電圧値であり、Iは定電流源19bの電流値である。また、Rh=R1である。ここで、同条件下で式(5)におけるW/Wの値は、式(1)におけるW/Wの値より大きいので、変形例2の構成によっても、充分に、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制することが可能である。 Here, the life of the heater resistor 3b and the compensation resistor 13b is defined as the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3b and the initial resistance value R1 of the compensation resistor 13b increase over time to a times (a>1). Define. At this time, assuming that the total power of the heater resistor 3b and the compensating resistor 13b at the initial stage is W 0 and the total power of the power when reaching the end of life is W 1 , the ratio between W 0 and W 1 is given by the following formula (5 ).
Figure 2022129947000006

V is the voltage value of the constant voltage source 11b, and I is the current value of the constant current source 19b. Also, Rh=R1. Here, under the same conditions, the value of W 1 /W 0 in equation (5) is greater than the value of W 1 /W 0 in equation (1). It is possible to suppress the change in the calorific value in

〔変形例3〕
次に、本発明の変形例3について説明する。図7は、変形例3における熱式ガスセンサ1cを構成するセンサ素子2cの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例3の相違点は、センサ素子2cにおいて、ヒータ抵抗3cが配置されているキャビティエリア10cと別に、補償抵抗13cがキャビティエリア100cの開口を横断するように配置されている点、及び発熱によってヒータ抵抗3cにおける抵抗値が経時的に増加するのに対し、補償抵抗13cにおける抵抗値が経時的に減少する点である。
[Modification 3]
Next, Modified Example 3 of the present invention will be described. FIG. 7 is a plan view showing an example of a sensor element 2c that constitutes a thermal gas sensor 1c according to Modification 3. As shown in FIG. The difference of Modification 3 from Embodiment 1 is that, in sensor element 2c, compensating resistor 13c is arranged so as to cross the opening of cavity area 100c separately from cavity area 10c where heater resistor 3c is arranged. , and the resistance value of the heater resistor 3c increases with time due to heat generation, while the resistance value of the compensating resistor 13c decreases with time.

ここで、ヒータ抵抗3cにおける初期抵抗値Rhの増加速度をα(α>1)、補償抵抗13cにおける初期抵抗値R1の減少速度をβ(0<β<1)とする。ヒータ抵抗3c及び補償抵抗13cにおける電力の経時変化しない条件は次のような式(6)の第1行目で表される。

Figure 2022129947000007

ここで、Rh=R1とすると、第2行目が成立する。結果として、第3行目に示すように、β=2√α-αのとき、ヒータ抵抗3c及び補償抵抗13cにおける電力は経時変化しないことが分かる。また、キャビティエリア100cの開口サイズを調整し、定電圧源11cからセンサ素子2cに定電圧を印加することにより、式(6)を成立させることが可能である。 Here, the increasing speed of the initial resistance value Rh of the heater resistor 3c is α (α>1), and the decreasing speed of the initial resistance value R1 of the compensating resistor 13c is β (0<β<1). The condition that the electric power in the heater resistor 3c and the compensating resistor 13c does not change with time is represented by the first line of the following equation (6).
Figure 2022129947000007

Here, if Rh=R1, the second line is established. As a result, as shown in the third row, it can be seen that when β=2√α−α, the power in heater resistor 3c and compensating resistor 13c does not change with time. Also, by adjusting the opening size of the cavity area 100c and applying a constant voltage from the constant voltage source 11c to the sensor element 2c, the equation (6) can be established.

なお、変形例3においては、定電圧源11cを用いて定電圧を印加する代わりに定電流源19c(不図示)を用いて定電流を印加する場合、補償抵抗13cをヒータ抵抗3cに対して並列に接続することで同様の効果が得られる。すなわち、β=2√α-αが成立する場合に、ヒータ抵抗3c及び補償抵抗13cにおける電力は経時変化せず、また、キャビティエリア100cの開口サイズを調整し、定電圧源11cからセンサ素子2cに定電流を印加することにより、式(6)を成立させることが可能である。 In modification 3, when a constant current is applied using a constant current source 19c (not shown) instead of applying a constant voltage using the constant voltage source 11c, the compensating resistor 13c is connected to the heater resistor 3c. A similar effect can be obtained by connecting in parallel. That is, when β=2√α−α is established, the electric power in the heater resistor 3c and the compensation resistor 13c does not change with time, and by adjusting the opening size of the cavity area 100c, the voltage from the constant voltage source 11c to the sensor element 2c is maintained. Equation (6) can be established by applying a constant current to .

また、上記の実施例及び変形例では、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に増加する場合について説明した。しかし、本発明の技術思想は、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に減少する場合にも適用可能である。上記の実施例及び変形例と同等の構成を付加することで、発熱量の経時的増加または減少を抑制することができる。 Further, in the above embodiment and modified example, the case where the resistance value of the heater resistor increases with time due to repeated heat generation has been described. However, the technical idea of the present invention can also be applied to the case where the resistance value of the heater resistor decreases with time due to repeated heat generation. By adding a configuration equivalent to that of the above-described embodiment and modified example, it is possible to suppress an increase or decrease in the amount of heat generation over time.

なお、上記の実施例においては、温度検出器としてサーモパイル4を用いたサーモパイル型センサを例にとって説明したが、本発明が適用されるセンサは、サーモパイル型センサに限られない。例えば、サーモパイル以外の温度センサを有するセンサや、サーモパイルを備えず、ヒータに電力供給してヒータの温度を上昇させ、ヒータ自体の抵抗値の変化によって温度を検知するガスセンサなどに適用することが可能である。 In the above embodiment, the thermopile type sensor using the thermopile 4 as the temperature detector has been described as an example, but the sensor to which the present invention is applied is not limited to the thermopile type sensor. For example, it can be applied to a sensor that has a temperature sensor other than a thermopile, or a gas sensor that does not have a thermopile, supplies power to a heater to increase the temperature of the heater, and detects the temperature from the change in the resistance value of the heater itself. is.

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
<発明1>
電源(11、11b、11c、19、19b、19c)からの電力供給により発熱する複数の抵抗(3、3a、3b、3c、13、13a、13b、13c)と、
表面にキャビティエリア(10、10a、10b、10c、100c)の開口部を有する基板(6)と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部(5、5a、5b、5c)と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を
検出する温度検出器(4、4a、4b、4c)と、
を備える熱式センサ(1、1a、1b、1c)であって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第1抵抗(3、3a、3b、3c)と、
抵抗値の経時的変化の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第1抵抗とは異なる第2抵抗(13、13a、13b、13c)と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
In order to allow comparison between the constituent elements of the present invention and the configurations of the embodiments, the constituent elements of the present invention will be described below with reference numerals in the drawings.
<Invention 1>
a plurality of resistors (3, 3a, 3b, 3c, 13, 13a, 13b, 13c) that generate heat by power supply (11, 11b, 11c, 19, 19b, 19c);
a substrate (6) having openings for cavity areas (10, 10a, 10b, 10c, 100c) on its surface;
a thin film portion (5, 5a, 5b, 5c) formed to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector (4, 4a, 4b, 4c) for detecting the temperature of or around at least one of said plurality of resistors;
A thermal sensor (1, 1a, 1b, 1c) comprising:
The plurality of resistors are
first resistors (3, 3a, 3b, 3c) that are installed in the thin film portion and show temporal changes in the amount of heat generated by power supply from a power source due to temporal changes in resistance values;
second resistors (13, 13a, 13b, 13c) different from the first resistor in terms of the change over time of the resistance value or the change over time of the amount of heat generated by the power supply from the power supply;
A thermal sensor, comprising:

1 :熱式ガスセンサ
2 :センサ素子
3 :ヒータ抵抗
4 :サーモパイル
5 :絶縁薄膜
6 :シリコン基板
7 :熱電対
8 :温接点
9 :冷接点
10 :キャビティエリア
11 :定電圧源
12 :電極
13 :補償抵抗
14 :制御部
15 :入力部
16 :測定部
17 :記憶部
18 :出力部
19 :定電流源
Reference Signs List 1: Thermal gas sensor 2: Sensor element 3: Heater resistor 4: Thermopile 5: Insulating thin film 6: Silicon substrate 7: Thermocouple 8: Hot junction 9: Cold junction 10: Cavity area 11: Constant voltage source 12: Electrode 13: Compensation resistor 14 : control unit 15 : input unit 16 : measurement unit 17 : storage unit 18 : output unit 19 : constant current source

Claims (10)

電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第1抵抗と、
抵抗値の経時的変化の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第1抵抗とは異なる第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
a plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector that detects the temperature of at least one of the plurality of resistors or the temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors are
a first resistor that is installed in the thin film portion and exhibits a change in the amount of heat generated by power supply from a power supply over time due to a change in resistance value over time;
a second resistor that differs from the first resistor in the mode of change over time in the resistance value or the mode of change over time in the amount of heat generated by power supply from the power supply;
A thermal sensor, comprising:
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置された第1抵抗と、
前記薄膜部または前記基板における前記第1抵抗の近傍に配置され、前記第1抵抗における抵抗値の1倍以上1.5倍以下の抵抗値を有する第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
a plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector that detects the temperature of at least one of the plurality of resistors or the temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors are
a first resistor installed in the thin film portion;
a second resistor disposed near the first resistor in the thin film portion or the substrate and having a resistance value of 1 to 1.5 times the resistance value of the first resistor;
A thermal sensor, comprising:
前記温度検出器は、
前記薄膜部において、一対が対向して配置される二つ以上のサーモパイルであり、
前記第1抵抗は、前記薄膜部において一対の前記サーモパイルの間に設置されたことを特徴とする、請求項1または2に記載の熱式センサ。
The temperature detector is
In the thin film portion, two or more thermopiles arranged in pairs facing each other,
3. The thermal sensor according to claim 1, wherein said first resistor is installed between said pair of said thermopiles in said thin film portion.
前記第2抵抗は、前記第1抵抗と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されたことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱式センサ。 4. The thermal sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein said second resistor is arranged at a location having higher heat dissipation than said first resistor. 前記第1抵抗における初期抵抗値は、前記第2抵抗における前記初期抵抗値と同等であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱式センサ。 5. The thermal sensor according to claim 1, wherein the initial resistance value of the first resistor is equal to the initial resistance value of the second resistor. 前記電源は定電圧源であり、
前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と直列に接続されている
ことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱式センサ。
the power source is a constant voltage source;
5. The thermal sensor according to claim 1, wherein said second resistor is connected in series with said first resistor on said substrate.
前記電源は定電流源であり、
前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱式センサ。
the power source is a constant current source;
5. The thermal sensor according to claim 1, wherein said second resistor is connected in parallel with said first resistor on said substrate.
前記第1抵抗には定電圧源から電力を供給し、
前記第2抵抗には定電流源から電力を供給し、
前記第1抵抗と前記第2抵抗は、前記薄膜部上において互いに独立して並列に配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の熱式センサ。
supplying power to the first resistor from a constant voltage source;
supplying power to the second resistor from a constant current source;
4. The thermal sensor according to claim 3, wherein said first resistor and said second resistor are arranged independently in parallel on said thin film portion.
前記電源は定電圧源であり、
前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と直列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特
徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱式センサ。
the power source is a constant voltage source;
The second resistor is connected in series with the first resistor in the thin film portion, and the resistance value of the second resistor changes with time in a direction opposite to that of the first resistor by flowing a current. 4. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 3.
前記電源は定電流源であり、
前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と並列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特
徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱式センサ。
the power source is a constant current source;
The second resistor is connected in parallel with the first resistor in the thin film portion, and the resistance value of the second resistor changes over time in a direction opposite to that of the first resistor by flowing a current. 4. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 3.
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