JP6330492B2 - Gas sensor element - Google Patents

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本発明は、感温抵抗素子とヒータ(加熱用抵抗素子)を用いて、対象ガスを検知するガスセンサ素子に関するものである。   The present invention relates to a gas sensor element that detects a target gas using a temperature-sensitive resistance element and a heater (heating resistance element).

対象ガスを検知する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検知するものである。   As one of means for detecting the target gas, one using a difference between the thermal conductivity in the atmosphere and the thermal conductivity of the target gas is known. The temperature sensing resistor element is heated by a heater, and the resistance value of the temperature sensing resistor element changes depending on the difference in thermal conductivity between the atmosphere and the target gas, and the target gas is detected from the amount of change in the resistance value. It is.

図7と図8に、従来のガスセンサ素子101の断面構造を示す。図7では、基板104の上に対象ガスを検知する検知センサ102、環境温度を検知する環境センサ103が形成される。検知センサ102は、感温抵抗素子105、ヒータ106で構成される。環境センサ103は、感温抵抗素子107で構成される。図示しないが、感温抵抗素子105、107は感温抵抗層及び信号を入出力する電極で構成され、ヒータ106は、加熱部と信号を入出力する電極で構成され、感温抵抗素子105とヒータ106の間には電気的に分離するための絶縁層が形成されている。   7 and 8 show a cross-sectional structure of a conventional gas sensor element 101. FIG. In FIG. 7, a detection sensor 102 that detects a target gas and an environmental sensor 103 that detects an environmental temperature are formed on a substrate 104. The detection sensor 102 includes a temperature sensitive resistance element 105 and a heater 106. The environmental sensor 103 includes a temperature sensitive resistance element 107. Although not shown, the temperature-sensitive resistance elements 105 and 107 are composed of a temperature-sensitive resistance layer and electrodes for inputting / outputting signals, and the heater 106 is composed of a heating unit and electrodes for inputting / outputting signals, An insulating layer for electrical isolation is formed between the heaters 106.

図8では、検知センサ102、環境センサ103の基板104を除去することでセンサ部分の熱容量を低減した構成となっている。すなわちセンサ部分を中空構造とするための空洞部108が形成され、メンブレン構造となっている。これによりセンサの感度及び応答速度が向上する。   In FIG. 8, the heat capacity of the sensor portion is reduced by removing the substrate 104 of the detection sensor 102 and the environmental sensor 103. That is, the cavity 108 for making the sensor part into a hollow structure is formed, and it has a membrane structure. This improves the sensitivity and response speed of the sensor.

特許文献1には、対象ガスを湿度とし、傍熱型感温抵抗素子を使用した絶対湿度センサが開示されている。このセンサ素子は、メンブレン構造上に、感温抵抗素子と加熱用抵抗素子が形成されている。感温抵抗素子を加熱用抵抗素子で加熱した状態にし、湿度の違いによる熱伝導率の違いによって、感温抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を換算することで湿度を検知することが開示されている。また、湿度検知はセンサ素子を2つ使用して、1つはケースに気密封止し、もう1つは貫通孔のあるケースで外気を取り込む構造にしている。気密封止されたものを環境(基準)センサとし、貫通孔のあるものを検知センサとし、その差分から湿度変化を求めている。   Patent Document 1 discloses an absolute humidity sensor in which the target gas is humidity and an indirectly heated temperature sensitive resistance element is used. In this sensor element, a temperature sensitive resistance element and a heating resistance element are formed on a membrane structure. The resistance value of the temperature-sensitive resistance element changes depending on the difference in thermal conductivity due to the difference in humidity when the temperature-sensitive resistance element is heated by the heating resistance element. It is disclosed that humidity is detected by converting the change in the resistance value. The humidity detection uses two sensor elements, one is hermetically sealed in the case, and the other is structured to take in the outside air in the case with a through hole. A hermetically sealed one is used as an environmental (reference) sensor, a one having a through hole is used as a detection sensor, and a humidity change is obtained from the difference.

特開2009−168649号公報JP 2009-168649 A

特許文献1で開示された湿度センサでは、メンブレン構造に感温抵抗素子と加熱用抵抗素子が形成されることで、応答スピードが速く高精度で機械的強度に優れたセンサが提供されるとしている。しかしながら、感温抵抗素子の時間経過による抵抗値変化(経時変化)については述べられていない。感温抵抗素子は、加熱用抵抗素子で加熱されることで経時変化が加速される。抵抗値が変化することは、センサの出力が変化すること意味してセンサの誤差となる。   In the humidity sensor disclosed in Patent Document 1, a temperature-sensitive resistance element and a heating resistance element are formed in a membrane structure, thereby providing a sensor with high response speed and high accuracy and excellent mechanical strength. . However, the resistance value change (time-dependent change) of the temperature-sensitive resistance element over time is not described. The temperature-sensitive resistance element is heated by the heating resistance element, whereby the change with time is accelerated. Changing the resistance value means changing the output of the sensor, which becomes a sensor error.

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、加熱用抵抗素子による加熱で、感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を低減することが可能なガスセンサ素子を提供する。   The present invention has been made in consideration of the above points, and it is possible to reduce a sensor error caused by the resistance value of the temperature-sensitive resistance element fluctuating with the lapse of time due to heating by the heating resistance element. A gas sensor element is provided.

本発明は、第1の感温抵抗素子と第1のヒータを含み、対象ガスを検知する機能を持つ第1のセンサと、第2の感温抵抗素子を含み、環境温度を検知する第2のセンサと、第3の感温抵抗素子と第2のヒータを含み、前記第1のセンサを補正する第3のセンサを備え、前記第1のヒータおよび前記第2のヒータに異なるパルス電圧が印加されることを特徴とするガスセンサ素子である。   The present invention includes a first sensor having a function of detecting a target gas and a second temperature sensitive resistor element, including a first temperature sensitive resistor element and a first heater, and a second sensor for detecting an environmental temperature. And a third sensor for correcting the first sensor, wherein different pulse voltages are applied to the first heater and the second heater. A gas sensor element that is applied.

本発明によれば、検知センサ、環境センサに加えて、補正センサを用意することで、経時変化によるセンサ誤差を低減することが可能となる。ここで、検知センサとは、第1のセンサのことで、対象ガスを検知する機能をもつセンサのことである。環境センサとは、第2のセンサのことで、周囲環境の温度を検知するセンサのことである。補正センサとは、第3のセンサのことで、検知センサの経時変化による抵抗変動を補正するためのセンサのことである。   According to the present invention, in addition to the detection sensor and the environment sensor, a correction sensor is prepared, thereby making it possible to reduce sensor errors due to changes over time. Here, the detection sensor is a first sensor, which is a sensor having a function of detecting a target gas. The environmental sensor is a second sensor, which is a sensor that detects the temperature of the surrounding environment. The correction sensor is a third sensor, which is a sensor for correcting resistance variation due to a change with time of the detection sensor.

本発明における、第2のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間は、前記第1のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間よりも短いガスセンサ素子としてもよい。   The on-time of the pulse voltage applied to the second heater in the present invention may be a gas sensor element shorter than the on-time of the pulse voltage applied to the first heater.

本発明における、第2のヒータに印加されるパルス電圧周期は、前記第1のヒータに印加されるパルス電圧周期よりも長いガスセンサ素子としてもよい。   In the present invention, the pulse voltage cycle applied to the second heater may be a gas sensor element longer than the pulse voltage cycle applied to the first heater.

本発明における、第1のセンサと第3のセンサはメンブレン構造の上に形成されるガスセンサ素子としてもよい。   In the present invention, the first sensor and the third sensor may be gas sensor elements formed on a membrane structure.

本発明における、対象ガスは湿度であるガスセンサ素子としてもよい。   In the present invention, the target gas may be a gas sensor element that is humidity.

本発明により、加熱用抵抗素子による加熱で、感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を低減することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to reduce a sensor error caused by a change in the resistance value of the temperature-sensitive resistance element due to a change with time due to heating by the heating resistance element.

実施形態におけるガスセンサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor element in embodiment. 実施形態におけるガスセンサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor element in embodiment. 実施形態におけるガスセンサ素子の断面構造の詳細図である。It is detail drawing of the cross-sectional structure of the gas sensor element in embodiment. ガスセンサ素子及び検知装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of a gas sensor element and a detection apparatus. ガス検知の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of gas detection. 実施形態におけるパルス電圧のタイミングチャートである。It is a timing chart of pulse voltage in an embodiment. 従来例におけるガスセンサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor element in a prior art example. 従来例におけるガスセンサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor element in a prior art example.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of components can be made without departing from the scope of the present invention.

図1と図2に、本実施形態によるガスセンサ素子20の断面構造を示す。図1では、基板21の上に対象ガスを検知する検知センサ9、環境温度を検知する環境センサ10、検知出力を補正する補正センサ11が形成される。検知センサ9は、第1の感温抵抗素子1、第1のヒータ7で構成される。環境センサ10は、第2の感温抵抗素子2で構成される。補正センサ11は、第3の感温抵抗素子3、第2のヒータ8で構成される。   1 and 2 show a cross-sectional structure of the gas sensor element 20 according to the present embodiment. In FIG. 1, a detection sensor 9 that detects a target gas, an environmental sensor 10 that detects an environmental temperature, and a correction sensor 11 that corrects a detection output are formed on a substrate 21. The detection sensor 9 includes the first temperature-sensitive resistance element 1 and the first heater 7. The environmental sensor 10 is composed of the second temperature sensitive resistance element 2. The correction sensor 11 includes the third temperature sensitive resistance element 3 and the second heater 8.

図2では、検知センサ9、環境センサ10、補正センサ11の基板21を除去することでセンサ部分の熱容量を低減した構成となっている。すなわちセンサ部分を中空構造とするための空洞部22が形成され、メンブレン構造となっている。これによりセンサの感度及び応答速度が向上する。図2では、検知センサ9、環境センサ10、補正センサ11のすべてのセンサ部分を中空構造としているが、検知センサ9、補正センサ11のみを中空構造として、環境センサ10の基板21を残した構造にしても構わない。   In FIG. 2, the heat capacity of the sensor portion is reduced by removing the substrate 21 of the detection sensor 9, the environmental sensor 10, and the correction sensor 11. That is, a hollow portion 22 for forming the sensor portion with a hollow structure is formed, and a membrane structure is formed. This improves the sensitivity and response speed of the sensor. In FIG. 2, all the sensor portions of the detection sensor 9, the environmental sensor 10, and the correction sensor 11 have a hollow structure, but only the detection sensor 9 and the correction sensor 11 have a hollow structure, and the substrate 21 of the environmental sensor 10 remains. It doesn't matter.

図2の断面構造の詳細図を図3に示す。基板21と空洞部22の上に下部保護膜23が形成される。下部保護膜23の上の検知センサ9となる部分に第1のヒータ7、補正センサ11となる部分に第2のヒータ8、を構成するヒータ電極25が形成される。このヒータ電極25はミアンダ形状となっている。ヒータ電極25の上に中間保護膜24が形成される。この中間保護膜24は、第1の感温抵抗素子1と第1のヒータ7、第3の感温抵抗素子3と第2のヒータ8の間を電気的に分離するための機能を持つ。中間保護膜24の上の検知センサ9となる部分に第1感温抵抗素子1、環境センサ10となる部分に第2感温抵抗素子2、補正センサ11となる部分に第3感温抵抗素子3、を構成する感温抵抗電極26が形成される。この感温抵抗電極26は櫛歯形状で電極対となっている。櫛歯形状の電極対の上に感温抵抗膜27が形成される。感温抵抗膜27の上に上部保護膜28が形成される。感温抵抗電極26の信号を取り出す部分の上部保護膜28を除去し、その除去部分にパッド電極29が形成される。   A detailed view of the cross-sectional structure of FIG. 2 is shown in FIG. A lower protective film 23 is formed on the substrate 21 and the cavity 22. A heater electrode 25 constituting the first heater 7 on the lower protective film 23 and the second heater 8 on the portion serving as the correction sensor 11 is formed. The heater electrode 25 has a meander shape. An intermediate protective film 24 is formed on the heater electrode 25. The intermediate protective film 24 has a function for electrically separating the first temperature-sensitive resistance element 1 and the first heater 7, and the third temperature-sensitive resistance element 3 and the second heater 8. The first temperature-sensitive resistance element 1 is provided on the intermediate protective film 24 as the detection sensor 9, the second temperature-sensitive resistance element 2 is provided on the environment sensor 10, and the third temperature-sensitive resistance element is provided on the correction sensor 11. 3 is formed. The temperature-sensitive resistance electrode 26 has a comb-teeth shape and is an electrode pair. A temperature sensitive resistance film 27 is formed on the comb-shaped electrode pair. An upper protective film 28 is formed on the temperature sensitive resistance film 27. The upper protective film 28 where the signal of the temperature sensitive resistance electrode 26 is taken out is removed, and a pad electrode 29 is formed in the removed portion.

図4は、本実施形態によるガスセンサ素子及び検知装置19の概略構成を示す説明図である。図4に示すようにガスセンサ素子及び検知装置19は、検知センサ9、環境センサ10、補正センサ11で構成される。検知センサ9は、MPU16で制御されたパルス電圧源17に接続される第1のヒータ7と、第1の感温抵抗素子1で構成される。第1の感温抵抗素子1は定電圧電源18に接続される第1の基準抵抗4と直列接続される。環境センサ10は、定電圧電源18に接続される第2の基準抵抗5と第2の基準抵抗5に直列接続される第2の感温抵抗素子2で構成される。補正センサ11は、MPU16で制御されたパルス電圧源17に接続される第2のヒータ8と、定電圧電源18に接続される第3の基準抵抗6と第3の基準抵抗6に直列接続される第3の感温抵抗素子3で構成される。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the gas sensor element and the detection device 19 according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the gas sensor element and detection device 19 includes a detection sensor 9, an environment sensor 10, and a correction sensor 11. The detection sensor 9 includes a first heater 7 connected to the pulse voltage source 17 controlled by the MPU 16 and the first temperature sensitive resistance element 1. The first temperature sensitive resistance element 1 is connected in series with a first reference resistor 4 connected to a constant voltage power source 18. The environmental sensor 10 includes a second reference resistor 5 connected to the constant voltage power supply 18 and a second temperature-sensitive resistor element 2 connected in series to the second reference resistor 5. The correction sensor 11 is connected in series to the second heater 8 connected to the pulse voltage source 17 controlled by the MPU 16, the third reference resistor 6 connected to the constant voltage power supply 18, and the third reference resistor 6. And a third temperature-sensitive resistance element 3.

検知出力(Vd)は、検知センサ9の第1の基準抵抗4と第1の感温抵抗素子1の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第1インピーダンス変換部12を介してA/D変換部15でアナログ信号からデジタル信号に変換され、MPU16にて演算処理される。環境出力(Vc)は、環境センサ10の第2の基準抵抗5と第2の感温抵抗素子2の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第2インピーダンス変換部13を介してA/D変換部15でアナログ信号からデジタル信号に変換され、MPU16にて演算処理される。補正出力(Vr)は、補正センサ11の第3の基準抵抗6と第3の感温抵抗素子3の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第3インピーダンス変換部14を介してA/D変換部15でアナログ信号からデジタル信号に変換され、MPU16にて演算処理される。ガスセンサ素子及び検知装置としては、その他にも出力インターフェイス等が必要とされるが、本発明の構成においては主要な構成でないため省略する。   The detection output (Vd) is a voltage output from the connection point between the first reference resistor 4 and the first temperature-sensitive resistance element 1 of the detection sensor 9, and the voltage output is A / D via the first impedance converter 12. The conversion unit 15 converts the analog signal into a digital signal, and the MPU 16 performs arithmetic processing. The environmental output (Vc) is a voltage output from the connection point between the second reference resistor 5 and the second temperature-sensitive resistance element 2 of the environmental sensor 10, and the voltage output is A / D via the second impedance converter 13. The conversion unit 15 converts the analog signal into a digital signal, and the MPU 16 performs arithmetic processing. The correction output (Vr) is a voltage output from the connection point of the third reference resistor 6 and the third temperature-sensitive resistance element 3 of the correction sensor 11, and the voltage output is A / D via the third impedance converter 14. The conversion unit 15 converts the analog signal into a digital signal, and the MPU 16 performs arithmetic processing. As the gas sensor element and the detection device, an output interface and the like are also required. However, the configuration of the present invention is omitted because it is not a main configuration.

図5は、本実施形態に係わる、ガス検知の手順を示すフローチャートである。検知出力(Vd)、環境出力(Vc)、補正出力(Vr)からセンサ誤差を低減する手順を示している。   FIG. 5 is a flowchart showing a gas detection procedure according to this embodiment. The procedure for reducing the sensor error from the detection output (Vd), environmental output (Vc), and correction output (Vr) is shown.

ステップ30にて、第1のヒータ7にパルス電圧が印加される。第1のヒータ7にパルス電圧が印加されることで、第1の感温抵抗素子1が加熱される。加熱された状態の第1の感温抵抗素子1は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第1の基準抵抗4の接続点からの電圧出力を検知出力(Vd)としてMPU16で演算処理する。   In step 30, a pulse voltage is applied to the first heater 7. By applying a pulse voltage to the first heater 7, the first temperature-sensitive resistance element 1 is heated. The resistance value of the first temperature-sensitive resistance element 1 in the heated state changes under the influence of the thermal conductivity of the target gas. The voltage output from the connection point between the changed resistance value and the first reference resistor 4 is processed by the MPU 16 as a detection output (Vd).

ステップ31にて、第1のヒータ7にパルス電圧が印加されたことをMPU16がカウントして記憶する。パルス電圧の印加回数を記憶することで、第1の感温抵抗素子1が何回加熱されたかを把握する。   In step 31, the MPU 16 counts and stores that the pulse voltage is applied to the first heater 7. By memorizing the number of times of application of the pulse voltage, it is grasped how many times the first temperature-sensitive resistance element 1 has been heated.

ステップ32にて、検知出力(Vd)と補正値から補正検知出力(Vd‘)を求める。補正値の初期値は0で、補正値が0の場合の補正検知出力(Vd’)は検知出力(Vd)と同じとなる。   In step 32, a correction detection output (Vd ') is obtained from the detection output (Vd) and the correction value. The initial value of the correction value is 0, and the correction detection output (Vd ′) when the correction value is 0 is the same as the detection output (Vd).

ステップ33にて、補正検知出力(Vd‘)とMPU16で演算処理された環境出力(Vc)の値から、対象ガス検知を行う。環境出力(Vc)は、第1のヒータ7にパルス電圧が印加されて、検知出力(Vd)が出力されるタイミングと同時に求められる。この環境出力(Vc)により環境温度が算出される。環境温度を基準として、補正検知出力(Vd’)の値から対象ガスの熱伝導率の影響を演算することで、対象ガスの濃度を求めることが出来る。   In step 33, the target gas is detected from the correction detection output (Vd ′) and the value of the environmental output (Vc) calculated by the MPU 16. The environmental output (Vc) is obtained simultaneously with the timing at which the pulse voltage is applied to the first heater 7 and the detection output (Vd) is output. The environmental temperature is calculated from the environmental output (Vc). The concentration of the target gas can be obtained by calculating the influence of the thermal conductivity of the target gas from the value of the corrected detection output (Vd ′) with the ambient temperature as a reference.

ステップ34にて、測定の終了か継続かの判定を行う。継続する場合はステップ35に移行する。終了の場合は、測定終了となる。   In step 34, it is determined whether the measurement is finished or continued. When continuing, it moves to step 35. In the case of end, the measurement ends.

ステップ35にて、第1のヒータにパルス電圧が印加された回数が規定回数になっているか判定を行う。規定回数は測定開始前にMPU16に設定しておく。規定回数に達していない場合は、ステップ31へ移行する。規定回数に達している場合は、ステップ36へ移行する。   In step 35, it is determined whether or not the number of times the pulse voltage is applied to the first heater is a specified number. The specified number of times is set in the MPU 16 before the measurement is started. If the specified number has not been reached, the process proceeds to step 31. If the specified number has been reached, the process proceeds to step 36.

ステップ36にて、第1のヒータ7と第2のヒータ8にパルス電圧が印加される。第1のヒータ7にパルス電圧が印加されることで、第1の感温抵抗素子1が加熱される。加熱された状態の第1の感温抵抗素子1は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第1の基準抵抗4の接続点からの電圧出力が検知出力(Vd)として出力される。第2のヒータ8にパルス電圧が印加されることで、第3の感温抵抗素子3が加熱される。加熱された状態の第3の感温抵抗素子3は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第3の基準抵抗6の接続点からの電圧出力が補正出力(Vr)として出力される。   In step 36, a pulse voltage is applied to the first heater 7 and the second heater 8. By applying a pulse voltage to the first heater 7, the first temperature-sensitive resistance element 1 is heated. The resistance value of the first temperature-sensitive resistance element 1 in the heated state changes under the influence of the thermal conductivity of the target gas. A voltage output from the connection point between the changed resistance value and the first reference resistor 4 is output as a detection output (Vd). By applying a pulse voltage to the second heater 8, the third temperature-sensitive resistance element 3 is heated. The resistance value of the third temperature-sensitive resistance element 3 in the heated state changes under the influence of the thermal conductivity of the target gas. A voltage output from the connection point of the changed resistance value and the third reference resistor 6 is output as a correction output (Vr).

ステップ37にて、検知出力(Vd)と補正出力(Vr)をMPU16にて比較演算することで、検知出力(Vd)と補正出力(Vr)の差を求める。第1のヒータ7による加熱で第1の感温抵抗素子1の抵抗値に変化が起こっていなければ、検知出力(Vd)と補正出力(Vr)は同じ値となるように設定している。第1のヒータ7による加熱で第1の感温抵抗素子1の抵抗値に変化が起こっている場合は、検知出力(Vd)と補正出力(Vr)が異なる値を示し、その差分が。第1のヒータ7による加熱による第1の感温抵抗素子1の抵抗値の変化量を示すことになる。この比較演算によって求めた補正値を、ステップ32にて使用する。   In step 37, the MPU 16 compares the detection output (Vd) and the correction output (Vr) to obtain the difference between the detection output (Vd) and the correction output (Vr). If there is no change in the resistance value of the first temperature-sensitive resistance element 1 due to heating by the first heater 7, the detection output (Vd) and the correction output (Vr) are set to have the same value. When the resistance value of the first thermosensitive resistance element 1 is changed by the heating by the first heater 7, the detection output (Vd) and the correction output (Vr) show different values, and the difference therebetween. The amount of change in the resistance value of the first temperature-sensitive resistance element 1 due to the heating by the first heater 7 is indicated. The correction value obtained by this comparison operation is used in step 32.

ステップ38にて、MPU16に記憶された第1のヒータ7にパルス電圧が印加された回数をリセットしてステップ32へ移行する。   In step 38, the number of times the pulse voltage is applied to the first heater 7 stored in the MPU 16 is reset, and the process proceeds to step 32.

以上の手順により、第1のヒータ7にパルス電圧が印加された規定回数に応じて、補正値を求めることで、第1の感温抵抗素子1の抵抗変化によるセンサ誤差を低減することが可能となる。   According to the above procedure, it is possible to reduce the sensor error due to the resistance change of the first temperature-sensitive resistance element 1 by obtaining the correction value according to the specified number of times that the pulse voltage is applied to the first heater 7. It becomes.

図6は、本実施形態に係わる、パルス電圧のタイミングチャートである。このパルス電圧は、図5のフローチャートで印加されるパルス電圧のことである。第1のヒータ7に印加される電圧パルス50は一定の周期を持ち、パルス電圧のオン時間すなわち立ち上り部(52、53、54、55、56)で第1のヒータ7が加熱される。この立ち上がり部で検知出力(Vd)、環境出力(Vc)の読み取りが行われる。第2のヒータ8に印加される電圧パルス51は一定の周期を持ち、立ち上り部(57、58)で第2のヒータ8が加熱される。この立ち上がり部で補正出力(Vr)の読み取りが行われる。   FIG. 6 is a pulse voltage timing chart according to the present embodiment. This pulse voltage is a pulse voltage applied in the flowchart of FIG. The voltage pulse 50 applied to the first heater 7 has a certain period, and the first heater 7 is heated at the on time of the pulse voltage, that is, at the rising portion (52, 53, 54, 55, 56). The detection output (Vd) and the environmental output (Vc) are read at this rising portion. The voltage pulse 51 applied to the second heater 8 has a constant cycle, and the second heater 8 is heated at the rising portions (57, 58). At this rising portion, the correction output (Vr) is read.

ガスセンサ素子20の具体的な構成について説明する。ガスセンサ素子20は検知センサ9、環境センサ10、補正センサ11で構成される。検知センサ9の第1の感温抵抗素子1、環境センサ10の第2の感温抵抗素子1、補正センサ11の第3の感温抵抗素子1はNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタであり、温度が上昇すると抵抗値が下がる特徴を持っている。NTCサーミスタの温度に対する抵抗値は近似的に以下の式(数式1)で表すことが出来る。
式中のRTHは温度Tに於けるサーミスタの抵抗値、Rは温度Tに於けるサーミスタ抵抗値で、Bは温度TとTに於けるサーミスタ抵抗値RTH、の関係を表す定数である。第1の感温抵抗素子1、第3の感温抵抗素子3は、25℃で2000kΩを示し、200℃で30kΩを示し、B定数は3400である。第2の感温抵抗素子は、25℃で100kΩを示し、200℃で1.5kΩを示し、B定数は3400である。
A specific configuration of the gas sensor element 20 will be described. The gas sensor element 20 includes a detection sensor 9, an environment sensor 10, and a correction sensor 11. The first temperature-sensitive resistance element 1 of the detection sensor 9, the second temperature-sensitive resistance element 1 of the environmental sensor 10, and the third temperature-sensitive resistance element 1 of the correction sensor 11 are NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistors, and the temperature It has the characteristic that the resistance value decreases as the value rises. The resistance value with respect to the temperature of the NTC thermistor can be approximately expressed by the following formula (Formula 1).
In the equation, R TH is the thermistor resistance value at temperature T, R 0 is the thermistor resistance value at temperature T 0 , and B is the relationship between temperature T and thermistor resistance values R TH and R 0 at T 0. Is a constant representing The first temperature-sensitive resistance element 1 and the third temperature-sensitive resistance element 3 show 2000 kΩ at 25 ° C., 30 kΩ at 200 ° C., and the B constant is 3400. The second temperature sensitive resistance element shows 100 kΩ at 25 ° C., 1.5 kΩ at 200 ° C., and the B constant is 3400.

Figure 0006330492
Figure 0006330492

検知センサ9の第1のヒータ7、補正センサ11の第2のヒータ8は白金抵抗であり、パルス電圧が印加されることでジュール熱により発熱する。第1のヒータ7、第2のヒータ8は140Ωであり、パルス電圧の立ち上り部の電圧の1.5Vが印加されることで、第1の感温抵抗素子1、第3の感温抵抗素子3をそれぞれ200℃に加熱する。以上の関係をまとめた表を表1に示す。   The first heater 7 of the detection sensor 9 and the second heater 8 of the correction sensor 11 are platinum resistors, and generate heat due to Joule heat when a pulse voltage is applied. The first heater 7 and the second heater 8 have a resistance of 140Ω, and the first temperature sensing resistor element 1 and the third temperature sensing resistor element are applied by applying a voltage of 1.5 V at the rising edge of the pulse voltage. 3 are each heated to 200 ° C. A table summarizing the above relationships is shown in Table 1.

Figure 0006330492
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感温抵抗素子が200℃に加熱されることで、感温抵抗素子に経時変化が起こる。パルス電圧が印加された時間が100hになると、感温抵抗素子の抵抗値は0.4%増加し、500hになると、感温抵抗素子の抵抗値は2.0%増加し、1000hになると、感温抵抗素子の抵抗値は3.0%増加する。抵抗値30kΩで換算すると、100hで30.15kΩ、500hで30.60kΩ、1000hで30.90kΩとなる。   As the temperature sensitive resistance element is heated to 200 ° C., the temperature sensitive resistance element changes with time. When the time during which the pulse voltage is applied is 100 h, the resistance value of the temperature-sensitive resistance element is increased by 0.4%. When the time is 500 h, the resistance value of the temperature-sensitive resistance element is increased by 2.0% and when it is 1000 h, The resistance value of the temperature sensitive resistance element increases by 3.0%. When converted to a resistance value of 30 kΩ, it becomes 30.15 kΩ at 100 h, 30.60 kΩ at 500 h, and 30.90 kΩ at 1000 h.

定電圧電源18の電圧は3V、第1の基準抵抗4は30kΩ、第2の基準抵抗は100kΩ、第3の基準抵抗は30kΩであり、初期状態での検知出力(Vd)、環境出力(Vc)、補正出力(Vr)は1.5Vとなる。   The voltage of the constant voltage power supply 18 is 3 V, the first reference resistor 4 is 30 kΩ, the second reference resistor is 100 kΩ, and the third reference resistor is 30 kΩ. The detection output (Vd) and the environmental output (Vc) in the initial state ), The correction output (Vr) is 1.5V.

ガスセンサ素子を使用した測定が行われると、第1の感温抵抗素子1が第1のヒータ7に印加されるパルス電圧により200℃に加熱され、測定が長時間行われることで、加熱される時間が積算されて行く。それにより、第1の感温抵抗素子1に経時変化が起こり、検知出力(Vd)に誤差が生じることになる。0hでの誤差を0.0%とすると、100hで0.2%、500hで0.99%、1000hで1.48%の誤差が生じることになる。以上の関係をまとめた表を表2に示す。   When the measurement using the gas sensor element is performed, the first temperature-sensitive resistance element 1 is heated to 200 ° C. by the pulse voltage applied to the first heater 7 and is heated by performing the measurement for a long time. Time is accumulated. As a result, a change with time occurs in the first temperature-sensitive resistance element 1, and an error occurs in the detection output (Vd). If the error at 0 h is 0.0%, an error of 0.2% at 100 h, 0.99% at 500 h, and 1.48% at 1000 h will occur. Table 2 summarizes the above relationships.

Figure 0006330492
Figure 0006330492

第1のヒータ7にパルス電圧が印加される周期に対して、第2のヒータ8にパルス電圧が印加される周期を10倍に設定する。ステップ31の印加のカウントを10に設定する。この条件にて、図5のフローチャートに沿って測定を行うことで、加熱による積算時間が1000hに到達した時点で、検知出力(Vd)の誤差が1.48%に対して、補正出力(Vr)の誤差は0.2%に収まり、この補正出力(Vr)にて補正値を求めることで、センサの誤差を低減できる。以上によりセンサの誤差を低減したガスセンサ素子を提供することを示した。   The period in which the pulse voltage is applied to the second heater 8 is set to 10 times the period in which the pulse voltage is applied to the first heater 7. The application count in step 31 is set to 10. Under this condition, measurement is performed according to the flowchart of FIG. 5, so that when the integration time due to heating reaches 1000 h, the error of the detection output (Vd) is 1.48%, and the correction output (Vr ) Is within 0.2%, and the sensor error can be reduced by obtaining the correction value from this correction output (Vr). Thus, it has been shown that a gas sensor element with reduced sensor error is provided.

本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。   The present invention is mounted on industrial equipment and environmental monitoring devices, and is used for the purpose of detecting a target gas.

1 第1の感温抵抗素子
2 第2の感温抵抗素子
3 第3の感温抵抗素子
4 第1の基準抵抗
5 第2の基準抵抗
6 第3の基準抵抗
7 第1のヒータ
8 第2のヒータ
9 検知センサ
10 環境センサ
11 補正センサ
12 第1インピーダンス変換部
13 第2インピーダンス変換部
14 第3インピーダンス変換部
15 A/D変換部
16 MPU
17 パルス電圧源
18 定電圧電源
19 ガスセンサ素子及び検知装置
20 ガスセンサ素子
21 基板
22 空洞部
101 ガスセンサ素子
102 検知センサ
103 環境センサ
104 基板
105、107 感温抵抗素子
106 ヒータ
108 空洞部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st temperature sensitive resistance element 2 2nd temperature sensitive resistance element 3 3rd temperature sensitive resistance element 4 1st reference resistance 5 2nd reference resistance 6 3rd reference resistance 7 1st heater 8 2nd Heater 9 detection sensor 10 environmental sensor 11 correction sensor 12 first impedance conversion unit 13 second impedance conversion unit 14 third impedance conversion unit 15 A / D conversion unit 16 MPU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 17 Pulse voltage source 18 Constant voltage power supply 19 Gas sensor element and detection apparatus 20 Gas sensor element 21 Substrate 22 Cavity part 101 Gas sensor element 102 Detection sensor 103 Environmental sensor 104 Substrate 105, 107 Temperature sensitive resistance element 106 Heater 108 Cavity part

Claims (4)

第1の感温抵抗素子と第1のヒータを含み、対象ガスを検知する機能を持つ第1のセンサと、第2の感温抵抗素子を含み、環境温度を検知する第2のセンサと、第3の感温抵抗素子と第2のヒータを含み、前記第1のセンサを補正する第3のセンサを備え、前記第1のセンサと前記第3のセンサはメンブレン構造の上に形成されており、前記第1のヒータおよび前記第2のヒータに異なるパルス電圧が印加され、前記第1のセンサと前記第3のセンサは同じ温度に加熱されることを特徴とするガスセンサ素子。 A first sensor including a first temperature-sensitive resistance element and a first heater and having a function of detecting a target gas; a second sensor including a second temperature-sensitive resistance element and detecting an environmental temperature; A third sensor that includes a third temperature-sensitive resistance element and a second heater and that corrects the first sensor , wherein the first sensor and the third sensor are formed on a membrane structure; cage, wherein the first heater and different pulse voltages to the second heater is applied, the said third sensor and the first sensor is a gas sensor element characterized Rukoto is heated to the same temperature. 前記第2のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間は、前記第1のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間よりも短いことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子。 2. The gas sensor element according to claim 1, wherein an ON time of a pulse voltage applied to the second heater is shorter than an ON time of a pulse voltage applied to the first heater. 前記第2のヒータに印加されるパルス電圧周期は、前記第1のヒータに印加されるパルス電圧周期よりも長いことを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ素子。 3. The gas sensor element according to claim 2, wherein a pulse voltage cycle applied to the second heater is longer than a pulse voltage cycle applied to the first heater. 前記対象ガスは湿度であることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のガスセンサ素子。 The gas sensor element according to any one of claims 1-3, wherein the target gas is moisture.
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