JP5079723B2 - 湿度センサ - Google Patents
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Description
湿度センサ1は、単結晶シリコンの基板2を有している。基板2には、図1に示すように、互いに独立した第一および第二の空洞部5a、5bが所定間隔をおいて隣り合う位置に形成されており、これらの第一および第二の空洞部5a、5b内に、第一の発熱体3aと第二の発熱体3bを支持する第一の薄膜支持体4aと第二の薄膜支持体4bが位置するように形成されている。
湿度センサ1の駆動回路は、第一および第二の発熱体3a、3bに対して加熱電力を供給して第一の発熱体を第一の温度に制御し且つ第二の発熱体を第一の温度よりも高温である第二の温度に制御する構成を有している。
P=Qh+Q1+Q2―――――(1)
上記(1)式で、Qhは湿度に依存して熱伝導により周囲環境に放熱される熱量、Q1は薄膜支持体4a、4bの発熱体3a、3bから各4本の支持腕6a〜6hを介して熱伝導により単結晶シリコン基板2に漏れる熱量、Q2は自然対流および輻射により伝わる熱量である。
P=Qh=R・I2―――――(2)
ここで、Iは発熱体に流れる加熱電流、Rは発熱体抵抗である。
(I2)2=(λ2T2−λaTa)S/R2―――――(3)
(I1)2=(λ1T1−λaTa)S/R1―――――(4)
ここで、λ2、λ1、λaは、発熱体温度T2、T1および周囲空気温度Taにおける空気の熱伝導率、Sはヒータ部(絶縁薄膜部)の表面積である。
Φ=(I2)2−K・(I1)2―――――(5)
K=R1/R2―――――(6)
Φ=(λ2T2/R2−Kλ1T1/R1)S−λaTa(1/R2−K/R1)S
=(λ2T2−λ1T1)S/R2―――――(7)
上記(7)式における評価関数(Φ)は、周囲の空気温度(Ta)を含まず、また、発熱体温度(T1)100℃〜150℃において、熱伝導率λ1は水蒸気の量に殆ど依存しないことから、発熱体温度T2、T1における加熱電流I2、I1、発熱体抵抗R2、R1が分かれば、評価関数(Φ)から絶対湿度(H:λ2と相関)が演算できる。
第二実施例の駆動回路と、第一実施例の駆動回路との差異は、第一実施例では発熱体3a、3bで第一および第二のホイーストン・ブリッジ回路21、31を構成していたのに対し、第二の実施例では測温抵抗体14a、14bで第一および第二のホイーストン・ブリッジ回路41、51を構成したことである。
2 基板
3a 第一の発熱体
3b 第二の発熱体
4a、4b 薄膜支持体
5、5a、5b 空洞
6a〜6d、6e〜6h、6i〜6k、6m〜6p 支持腕
7a〜7d、7e〜7h 電極
8a、8b、8c 絶縁層
91a、91b、92a、92b、93a、93b 固定抵抗
10a、10b 差動増幅器
11a、11b トランジスタ
12 電源
13 信号処理回路
14a、14b 測温抵抗体
21、41 第一のホイーストン・ブリッジ回路
31、51 第二のホイーストン・ブリッジ回路
Claims (8)
- 発熱体の熱放散が湿度により変化することを利用して湿度を測定する湿度センサにおいて、
空洞部を有する基板と、
複数本の支持腕によって前記空洞部内に支持された第一および第二の薄膜支持体と、
前記第一の薄膜支持体に形成された第一の発熱体と、
前記第二の薄膜支持体に形成された第二の発熱体と、
該第一および第二の発熱体に対して加熱電力を供給して、前記第一の発熱体を第一の温度に制御し且つ前記第二の発熱体を前記第一の温度より高い第二の温度に制御する温度制御手段と、
前記第一の発熱体に流れる第一の加熱電流値、前記第二の発熱体に流れる第二の加熱電流値、および前記第一および第二の温度に基づいて周囲気体の絶対湿度を演算する湿度演算手段と、を有することを特徴とする湿度センサ。 - 前記温度制御手段は、
前記第一の発熱体に直列に接続された第一の固定抵抗を有する第一のホイートストンブリッジと、前記第二の発熱体に直列に接続された第二の固定抵抗を有する第二のホイートストンブリッジと、を備え、
前記第一の発熱体に直列に接続された第一の固定抵抗に流れる電流に基づいた第一の電圧値と、前記第二の発熱体に直列に接続された第二の固定抵抗に流れる電流に基づいた第二の電圧値とを、前記湿度演算手段に出力し、
前記湿度演算手段は、前記第一の電圧値から前記第一の加熱電流値を演算し、前記第二の電圧値から前記第二の加熱電流値を演算することを特徴とする請求項1に記載の湿度センサ。 - 前記温度制御手段は、
前記第一のホイーストン・ブリッジ回路と、該第一のホイーストン・ブリッジ回路に接続された第一の差動増幅器を有し、前記第一の発熱体を前記第一の温度にフィードバック制御する第一のフィードバック制御手段と、
前記第二のホイーストン・ブリッジ回路と、該第二のホイーストン・ブリッジ回路に接続された第二の差動増幅器とを有し、前記第二の発熱体を前記第二の温度にフィードバック制御する第二のフィードバック制御手段を有することを特徴とする請求項1に記載の湿度センサ。 - 前記第一の薄膜支持体に設けられ前記第一の発熱体によって傍熱される第一の測温抵抗体と、前記第二の薄膜支持体に設けられ前記第二の発熱体によって傍熱される第二の測温抵抗体を有し、
前記温度制御手段は、前記第一の測温抵抗体により計測した前記第一の発熱体の温度と、前記第二の測温抵抗体により計測した前記第二の発熱体の温度に基づいて、前記第一および第二の発熱体の温度を制御することを特徴とする請求項1に記載の湿度センサ。 - 前記温度制御手段は、
前記第一の測温抵抗体と固定抵抗とからなる前記第一のホイーストン・ブリッジ回路と、該第一のホイーストン・ブリッジ回路に接続された第一の差動増幅器とを有し、前記第一の発熱体を前記第一の温度にフィードバック制御する第一のフィードバック制御手段と、
前記第二の測温抵抗体と固定抵抗とからなる前記第二のホイーストン・ブリッジ回路と、該第二のホイーストン・ブリッジ回路に接続された第二の差動増幅器とを有し、前記第二の発熱体を前記第二の温度にフィードバック制御する第二のフィードバック制御手段を有し、
前記第一の温度に制御された前記第一の発熱体の第一の印加電圧値と、前記第二の温度に制御された前記第二の発熱体の第二の印加電圧値と、を前記湿度演算手段に出力し、
前記湿度演算手段は、前記第一の印加電圧値から前記第一の加熱電流値を演算し、前記第二の印加電圧値から前記第二の加熱電流値を演算することを特徴とする請求項4に記載の湿度センサ。 - 前記第一の温度が100℃から200℃の間の温度で、前記第二の温度が300℃以上の温度であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の湿度センサ。
- 前記基板は、互いに独立して形成された第一および第二の空洞部を有し、
前記第一の薄膜支持体は、前記複数本の支持腕によって前記第一の空洞部内に支持され、
前記第二の薄膜支持体は、前記複数本の支持腕によって前記第二の空洞部内に支持されたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の湿度センサ。 - 前記基板は、単一の空洞部を有し、
前記第一および第二の薄膜支持体は、前記複数本の支持腕によって前記空洞部内に支持されたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の湿度センサ。
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