JP6679993B2 - Gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出することに用いることが出来るガス検出装置に関するものである。 The present invention relates to a gas detection device that can be used to detect a gas contained in an atmosphere.
従来、ガス検出装置として接触燃焼式、半導体式、熱伝導式などが知られている。これらの方式は、ヒータ等で加熱されたセンサ素子の抵抗が雰囲気中の検出対象ガスの存在によって変化することを利用してガス濃度を検出するものである。 Conventionally, a catalytic combustion type, a semiconductor type, a heat conduction type and the like are known as gas detection devices. These methods detect the gas concentration by utilizing the fact that the resistance of the sensor element heated by a heater or the like changes depending on the presence of the gas to be detected in the atmosphere.
特許文献1では、1つの感温抵抗体と複数の固定抵抗とでブリッジ回路を構成し、スイッチにより感温抵抗体と接続する抵抗を切り替えることにより、感温抵抗体を加熱する温度を切り替えながら、感温抵抗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方法が提案されている。
In
特許文献2では、1つの発熱抵抗体と固定抵抗とでブリッジ回路を構成し、発熱抵抗体からの出力電圧に対するオフセット電圧を固定抵抗によるブリッジ回路で設定し、発熱抵抗体からの出力電圧と、オフセット電圧との電圧差を増幅する方法が提案されている。
In
特許文献3では、複数の感熱素子でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路を構成する感熱素子を加熱するヒータに印加する電圧について、印加電圧及び印加時間を揃える方法が提案されている。
しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献1の方法では、温度による抵抗値のオフセットを小さく抑えることは出来ても、感温抵抗体の経時変化による温度係数のドリフトは抑えることは出来ないため、湿度検出装置の稼働時間の経過とともに検出される湿度値の測定精度が低下していくこととなる。
However, the following problems remain in the above conventional techniques. According to the method of
特許文献2の構成では、オフセット電圧が一定であるため、発熱抵抗体の経時変化に伴い、発熱抵抗体によるガス検出の精度が低下していくこととなる。
In the configuration of
感温抵抗体の経時変化を抑制する方法として、同じ経時変化を有するガスセンサ素子同士でブリッジ回路を構成する方法が考えられる。ガスセンサ素子同士でブリッジ回路を構成するため、ブリッジを組んでいるガスセンサ素子同士の経時変化量が等しければ、互いのガスセンサ素子に生じた経時変化量がキャンセルされるために、高精度な測定が可能となる。しかし、ガスセンサ素子同士の経時変化量が異なれば、差異分だけ、ガス検出の精度低下が生じることとなる。 As a method of suppressing the aging of the temperature sensitive resistor, a method of forming a bridge circuit with gas sensor elements having the same aging can be considered. Since the gas sensor elements form a bridge circuit, if the gas sensor elements forming the bridge have the same amount of change over time, the amount of change over time that occurs in the other gas sensor elements will be cancelled, enabling highly accurate measurement. Becomes However, if the amount of change over time between the gas sensor elements is different, the accuracy of gas detection will be reduced by the difference.
空気に比べて熱伝導率が非常に大きい水素等を検出する場合は、空間の熱伝導の違いが大きく、ガスセンサ素子の感度も高くなるために、ガスセンサ素子同士の経時変化量に差異が生じても問題にならない。 When detecting hydrogen, which has a much higher thermal conductivity than air, there is a large difference in the thermal conductivity of the space and the sensitivity of the gas sensor elements is also high, so there is a difference in the amount of change over time between the gas sensor elements. Does not matter either.
しかし、空気と熱伝導率が近い、一酸化炭素・二酸化炭素等を検出する場合には、空間の熱伝導の違いが小さく、ガスセンサ素子の感度が水素等を検出する時に比べて低く出るためにガスセンサ素子同士の経時変化量の差異を極力抑える必要がある。 However, when detecting carbon monoxide, carbon dioxide, etc., whose thermal conductivity is close to that of air, the difference in heat conduction in the space is small, and the sensitivity of the gas sensor element is lower than when detecting hydrogen, etc. It is necessary to minimize the difference in the amount of change over time between the gas sensor elements.
図10は、図9に記載のガスセンサ素子51を用いて、薄膜サーミスタ59の加熱温度に対する、第1のセンサ素子52の経時変化によって生じるドリフトの影響による検出対象ガスの検出誤差を示すグラフであり、X軸にセンサ使用による経過時間を、Y軸の主軸に第1のセンサ素子52の素子単体による炭酸ガス検出誤差を、Y軸の2軸に第1の感熱素子52と第2のセンサ素子53とのブリッジ構成による炭酸ガス検出誤差及び、水素ガス検出誤差を取ったものである。
FIG. 10 is a graph showing the detection error of the detection target gas due to the influence of the drift caused by the aging of the
図10のグラフに於いて、ガスセンサ素子51が素子単体の構成では、センサ使用の経過時間が1000hrに達すると、経時変化によって生じるドリフトの影響による炭酸ガスの検出誤差が≒50000ppmとなる。特許文献3に記載があるように、第1のセンサ素子52と第2のセンサ素子53とでブリッジ構成を取ることにより、検出対象が水素ガスの場合は、検出誤差が≒200ppm以下に抑えられているが、検出対象が炭酸ガスになると、検出誤差が≒3000ppmと大きくなる。
In the graph of FIG. 10, in the case where the
そこで本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、複数のセンサ素子とヒータを用いて、対象ガスを検知するガス検出装置に於いて、ヒータの加熱によるセンサ素子の抵抗値が、経時変化によって変動することで生じるセンサの検出誤差を、複雑な回路を用いることなく低減が可能となるガス検出装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above points, and in a gas detection device that detects a target gas by using a plurality of sensor elements and a heater, the resistance value of the sensor element due to heating of the heater is An object of the present invention is to provide a gas detection device capable of reducing a detection error of a sensor caused by a change with time, without using a complicated circuit.
上記の目的を達成するため、本発明に係わるガス検出装置は、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を測定する第1のセンサ素子と、前記第1のセンサ素子を加熱する第1のヒータと、前記第1のセンサ素子の基準抵抗とする第2のセンサ素子と前記第2のセンサ素子を加熱する第2のヒータと、前記第1のセンサ素子と、前記第2のセンサ素子とによってブリッジ回路を構成し、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、それぞれ定められた電圧を同時に印加して前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第1の測定と、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、前記第1の測定とは異なる電圧を同時に印加して前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第2の測定と、前記第1及び第2の測定による値を制御回路内のMPUに入力し、MPUにて、前記第2の測定値のドリフト量を求めると共に、前記第1の測定値のドリフト量に変換するための補正係数と乗算して求めた値を、前記第1の測定値と合算し、ガス濃度の演算を行うことを特徴とするガス検出装置である。 In order to achieve the above object, a gas detection device according to the present invention includes a first sensor element for measuring the concentration of a gas to be measured based on a temperature change due to a difference in heat conduction between spaces, and the first sensor element. A first heater that heats the second sensor element, a second sensor element that serves as a reference resistance of the first sensor element, a second heater that heats the second sensor element, the first sensor element, and A bridge circuit is configured by the second sensor element, and the first heater and the second heater are simultaneously applied with respective predetermined voltages to heat the first and second sensor elements, A first measurement in which a temperature change of the first and second sensor elements is replaced with a voltage change, and a voltage different from that in the first measurement is simultaneously applied to the first heater and the second heater. To heat the first and second sensor elements The second measurement for replacing the temperature change of the first and second sensor elements with the voltage change and the values obtained by the first and second measurement are input to the MPU in the control circuit, and the MPU The drift amount of the second measured value is obtained, and the value obtained by multiplying the drift amount of the first measured value by the correction coefficient is added to the first measured value to calculate the gas concentration. It is a gas detection device characterized by performing.
本発明の請求項2に係わる発明は、前記制御回路は、前記ブリッジ回路からの前記第1及び第2の測定による値を入力する信号増幅回路と、前記信号増幅回路からの出力電圧値をデジタル値に変換するA/D変換器と、前記ブリッジ回路に対してバイアス電圧を印加し、前記第1、第2のセンサ素子を加熱するヒータに電圧を印加すると共に、前記信号増幅回路に基準電圧を印加するD/A変換器と、前記MPUとで構成されており、前記MPUは、前記A/D変換器と前記D/A変換器に対する信号の入出力を行うと共に、前記第2の測定による値を基に前記ブリッジ回路の測定開始時からのドリフト量を算出し、前記補正係数とを乗算してガス濃度補正値を算出すると共に、前記第1の測定による値に前記ガス濃度補正値を合算し、ガス濃度の演算を行うことを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置である。
In the invention according to
本発明の請求項3に係わる発明は、前記第2の測定は、前記第1のセンサ素子と前記第2のセンサ素子とが、同温度で同時に加熱されるように、前記第1のヒータと前記第2のヒータに同電圧を同時に印加することを特徴とする請求項1又は2に記載のガス検出装置である。
In the invention according to
本発明の請求項4に係わる発明は、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を測定する第1のセンサ素子と、前記第1のセンサ素子を加熱する第1のヒータと、前記第1のセンサ素子の基準抵抗とする第2のセンサ素子と前記第2のセンサ素子を加熱する第2のヒータと、前記第1のセンサ素子と、前記第2のセンサ素子とによってブリッジ回路を構成し、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、それぞれ定められた電圧を同時に印加して前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第1の測定と、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、同電圧を同時に印加して、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第2の測定と、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、前記第1及び第2の測定とは異なる電圧を同時に印加し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第3の測定と、前記第1、第2及び第3の測定による値を制御回路内の前記MPUに入力し、前記MPUにて、前記第2の測定値のドリフト量を求めると共に、前記第1及び第3の測定値のドリフト量に変換するための補正係数と乗算して求めたそれぞれの値を、前記第1及び前記第3の測定値と合算し、ガス濃度の演算を行うことを特徴とするガス検出装置である。 The invention according to claim 4 of the present invention comprises: a first sensor element for measuring the concentration of a gas to be measured based on a temperature change due to a difference in heat conduction between spaces; and a first sensor element for heating the first sensor element. A heater, a second sensor element serving as a reference resistance of the first sensor element, a second heater for heating the second sensor element, the first sensor element, and the second sensor element To form a bridge circuit, and simultaneously apply a predetermined voltage to each of the first heater and the second heater to heat the first and second sensor elements. Of the first sensor element and the second heater by simultaneously applying the same voltage to the first heater and the second heater. A second measurement for replacing the temperature change with a voltage change, and the first measurement A third measurement in which a voltage different from the first and second measurements is applied to the heater and the second heater at the same time, and the temperature change of the first and second sensor elements is replaced with the voltage change. , The values obtained by the first, second, and third measurements are input to the MPU in the control circuit, and the MPU obtains the drift amount of the second measurement value. Gas detection, characterized in that each value obtained by multiplying a correction coefficient for converting into a drift amount of a measured value is added to the first and third measured values to calculate a gas concentration. It is a device.
本発明の請求項5に係わる発明は、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、同電圧を印加して、前記第1のセンサ素子と、前記第2のセンサ素子とを加熱する時の加熱温度は、ガス検出装置が使用される環境温度よりも高温で且つ、100℃以下であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のガス検出装置である。
According to a fifth aspect of the present invention, the same voltage is applied to the first heater and the second heater to heat the first sensor element and the second sensor element. The heating temperature at this time is higher than the environmental temperature in which the gas detection device is used and is 100 ° C. or lower, and the gas detection device according to
第1のセンサ素子と、第1のセンサ素子の基準抵抗として使用する第2のセンサ素子の双方に同じタイミングで同じ熱的負荷を加えた時のブリッジ回路からの出力値を基に、測定開始時からの前記ブリッジ回路のドリフト量と、ガス測定時のセンサ素子の加熱温度に対する補正係数とを乗算してガス濃度補正値を算出し、ガス濃度の測定値と合算することで、センサ素子の経時変化による影響を低減することができる。 Start measurement based on the output value from the bridge circuit when the same thermal load is applied to both the first sensor element and the second sensor element used as the reference resistance of the first sensor element at the same timing. The drift amount of the bridge circuit from time and the correction coefficient for the heating temperature of the sensor element at the time of gas measurement are multiplied to calculate a gas concentration correction value, and the measured value of the gas concentration is added to the sensor element The influence due to aging can be reduced.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily conceived by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the components described below can be combined as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態のガスセンサ素子を説明するための断面構造図である。本実施形態によるガスセンサ素子1は、対象ガスによる温度変化を検出する第1のセンサ素子2と、第1のセンサ素子2の基準抵抗となる第2のセンサ素子3を有し、測定環境に暴露された同じ空間に配置される。本実施例では、セラミックパッケージ15に第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3を配置し、測定環境に暴露させるために通気口17を備えたリッド16によりガスセンサ素子1を形成した。なお、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、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram for explaining the gas sensor element of the present embodiment. The
第1のセンサ素子2は、基板4、絶縁膜5、第1のヒータ7A、ヒータ保護膜6、薄膜サーミスタ電極8、薄膜サーミスタ9、薄膜サーミスタ保護膜11を備える。
The
第2のセンサ素子3は第1のセンサ素子2と素子抵抗値を除き、同様に構成されている。このような構成にすることで、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3の抵抗値以外の素子特性を同じにすることができる。すなわち、熱容量の違いによる応答時間の差がなく、環境温度の変化に対しては、同じ挙動とすることができる。
The
第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3を隣接させて同時に形成することで、製造工程におけるばらつきを低減することが出来るので、センサ素子間の特性が揃ったものを作ることができる。これにより、センサ素子間の特性を組み合わせるといった選別工程をなくすことができる。
By forming the
基板4としては、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い。例えば、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、ガラス基板などが好適である。基板の表面および裏面には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの絶縁膜5が形成される。絶縁膜5として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やCVD(Chemical Vapor Deposition)による成膜法を適用すればよい。膜厚は、絶縁膜8上に形成する膜と基板との絶縁がとれ、且つキャビティ10を形成する際のエッチング停止層として機能すればよい。通常0.1〜1.0μm程度が好適である。
The substrate 4 is not particularly limited as long as it has a suitable mechanical strength and is suitable for fine processing such as etching. For example, a silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a glass substrate, or the like is suitable. An insulating film 5 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on the front and back surfaces of the substrate. To form, for example, a silicon oxide film as the insulating film 5, a thermal oxidation method or a film forming method by CVD (Chemical Vapor Deposition) may be applied. The film thickness may be such that the film formed on the insulating
基板4には、第1のヒータ7Aを高温動作させた時に、熱が基板へ伝導するのを抑制するために第1のヒータ7Aの位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ10を有している。このキャビティ10により基板が取り除かれた部分はメンブレンと呼ばれる。メンブレンでは基板を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、非常に少ない消費電力で第1のヒータ7Aを高温にすることができる。また、基板4への伝導経路が数μmの薄膜部分のみで形成された断熱構造であるため、基板4への熱伝導が小さく、効率よく第1のヒータ7Aを高温にすることができる。
The substrate 4 has a
第1のヒータ7Aの材質としては、薄膜サーミスタ9の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ptなどがより好適である。また絶縁膜5との密着性を向上させるためにはPtの下部にはチタン(Ti)などの密着層を形成するのが好ましい。
The material of the
ガスによる第1のヒータ7Aの温度検出用の感熱体として、薄膜サーミスタ9が形成されている。薄膜サーミスタ9は薄膜サーミスタ電極8を備え、第1のヒータ7Aを覆うように形成される。これにより第1のヒータ7Aの温度を直接検出することができる。
A thin film thermistor 9 is formed as a heat sensitive body for detecting the temperature of the
薄膜サーミスタ9を形成するサーミスタの材質としては、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をスパッタ法、CVDなどの薄膜プロセスを用いて形成する。膜厚は目標とするサーミスタ抵抗値に応じて調整すればよく、例えばMnNiCo系酸化物を用いて室温での抵抗値(R25)を2MΩ程度に設定するのであれば、素子の電極間の距離にもよるが0.2〜1μm程度の膜厚に設定すればよい。 As a material of the thermistor forming the thin film thermistor 9, a material having a negative temperature coefficient of resistance such as composite metal oxide, amorphous silicon, polysilicon, or germanium is formed by using a thin film process such as a sputtering method or a CVD. The film thickness may be adjusted according to the target thermistor resistance value. For example, if the resistance value (R25) at room temperature is set to about 2 MΩ using an MnNiCo-based oxide, the distance between the electrodes of the element is The thickness may be set to about 0.2 to 1 μm, though it depends on the condition.
なお、第1のヒータ7Aの温度検出としては薄膜サーミスタ9が好適である。まず、薄膜の積層構造であるために、ヒータ7Aの発熱を直上にて直接検出することができる。また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいために、検出感度を大きくすることができるためである。
The thin film thermistor 9 is suitable for detecting the temperature of the
薄膜サーミスタ9の電気信号を取り出す為に、薄膜サーミスタ電極8が形成される。薄膜サーミスタ電極8の材質としては、薄膜サーミスタ9の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料、例えば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。
The thin
ヒータ7A及び絶縁膜5を覆うようにヒータ保護膜6が形成される。ヒータ保護膜6としては、絶縁膜5と同じ材料であることが望ましい。ヒータ7Aは数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、ヒータ7Aの熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。ヒータ保護膜6として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やCVDによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、ヒータ7Aを確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みが良い。通常0.1〜3.0μm程度が好適である。
A heater protection film 6 is formed so as to cover the
また、薄膜サーミスタ9に、複合金属酸化物等を利用する場合においては、ヒータ保護膜6は、絶縁性を有する酸化膜であることが望ましく、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が望ましい。ヒータ保護膜6の上には薄膜サーミスタ9および薄膜サーミスタ電極8が形成される。ヒータ保護膜6は、ヒータ7Aの保護膜であると同時に、薄膜サーミスタ9の下地層でもあり、薄膜サーミスタ9と直接接触する。
Further, when the composite metal oxide or the like is used for the thin film thermistor 9, the heater protection film 6 is preferably an insulating oxide film, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film. A thin film thermistor 9 and a thin
複合金属酸化物を利用したサーミスタは、高温で還元劣化があるためサーミスタ全体を耐還元材料でコーティングする方法が知られている。即ち、サーミスタを還元性を持つ材料と接触させて高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。よって薄膜サーミスタ保護膜11においてもシリコン酸化膜等の絶縁性を有する酸化膜であることが望ましい。
Since a thermistor using a composite metal oxide has a reduction deterioration at high temperature, a method of coating the entire thermistor with a reduction resistant material is known. That is, when the thermistor is brought into contact with a reducing material and brought into a high temperature state, oxygen is deprived from the thermistor to cause reduction, which affects the thermistor characteristics. Therefore, it is desirable that the thin film thermistor
また、同様な理由により、薄膜サーミスタ電極8は薄膜サーミスタ9の基板側に形成されていることが望ましい。すなわち、ヒータ7A上に、絶縁層であるヒータ保護膜6を介して、薄膜サーミスタ電極8、薄膜サーミスタ9の順に積層し形成されている。つまり、薄膜サーミスタ電極8の上に薄膜サーミスタ9が形成される。一般的に、薄膜電極は、電極材料と下地との密着力を上げるために密着層が形成される。例えばクロム(Cr)やチタン(Ti)等が数nm程度の膜厚で形成される。薄膜サーミスタ9上に薄膜サーミスタ電極11が形成された場合、この密着層が直接薄膜サーミスタと接触し、サーミスタからの酸素を奪う等により酸化することで、界面抵抗が上昇し薄膜サーミスタ9の検出特性が変動してしまい好ましくない。
For the same reason, the thin
薄膜サーミスタ電極8、ヒータ7Aは、電極パッド12と接続される。電極パッド12は、ワイヤーボンドなどでセラミックパッケージ電極14などを通して外部の回路と電気的接続され、例えばアルミニウム(Al)や金(Au)などの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。
The thin
センサ素子は、ウエハ状態から個片へと切断された後、ダイペースト(図示せず)を用いてセラミックパッケージ15に固定した後、電極パッド12と、パッケージ電極14を、ワイヤボンディング装置を用いて、ワイヤ13で接続する。ワイヤ13はAu、Al、Cuなど、抵抗の低い金属ワイヤが好適である。
The sensor element is cut from a wafer state into individual pieces, fixed to a
最後に、セラミックパッケージ15と外気との通気口17を設けたリッド16を、樹脂(図示せず)を用いて固定する。この際、樹脂(図示せず)の硬化の加熱時に、樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気口17により容易にパッケージ外へ放出されるため、素子自体に悪影響を与えることはない。以上によりガスセンサ素子1を得ることができる。
Finally, the
図2は本実施形態に於けるガス検出装置の回路構成図である。ガス検出装置は、ガスセンサ素子1と制御回路21とで構成されている。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the gas detection device according to the present embodiment. The gas detection device includes a
ガスセンサ素子1は第1のセンサ素子2と前記第1のセンサ素子2を加熱する第1のヒータ7Aと、第1の感熱素子2の基準抵抗となる第2のセンサ素子3と第2のヒータ7Bで構成され、前記、第1のセンサ素子2と第2の感センサ素子3は直列に接続される。すなわち第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3は、ブリッジ回路を構成し、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3の中点電圧を測定することにより、各々のセンサ素子による温度変化を検出する。第1のセンサ素子2への加熱は第1のヒータ7Aで行い、第2のセンサ素子3への加熱は第2のヒータ7Bにより行い、ヒータ7A、7Bは各々独立に制御し駆動するよう構成されている。
The
制御回路21は、ガスセンサ素子1からの信号を増幅するアンプ22と、アンプ22からの信号及び、温度センサ27からの信号を、アナログ−デジタル変換を行うA/Dコンバータ23と、ガスセンサ素子1のヒータ7Aとヒータ7Bへのパルス電圧及び、センサ素子1とセンサ素子2で構成されるブリッジ回路へのバイアス電圧の印加及び、アンプ22への基準電圧の印加を行うD/Aコンバータ24と、A/Dコンバータ23とD/Aコンバータ24の制御及び、ガス濃度の算出を行うMPU25と、回路に電源を供給する定電圧電源26とで構成されている。
The
図3は本実施形態に於けるガス検出装置の動作タイミングを示す図であり、図4は、本実施形態に於けるガス検出装置の演算手順を示す図である。図3及び図4を用いてガス検知の動作について説明をする。 FIG. 3 is a diagram showing an operation timing of the gas detection device in the present embodiment, and FIG. 4 is a diagram showing a calculation procedure of the gas detection device in the present embodiment. The gas detection operation will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
ステップ31にて、温度センサ27からの信号をA/Dコンバータ23を通してMPU25に読み込む。
In
ステップ32にて、MPU25は、温度演算を実行して、アンプ22への基準電圧及び、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへ出力する電圧を決定する。第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへ出力する電圧は、第1のセンサ素子2及び第2のセンサ素子3が予め定められた温度で加熱されるように調整される。
In
ステップ33にて、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とで構成されるブリッジ回路にバイアス電圧を、アンプ22に基準電圧(Vref)を、D/Aコンバータ24より印加する。バイアス電圧及び基準電圧を印加してしてから一定時間経過後に、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに、ステップ32で決定された電圧を印加する(図3に於けるVm1及びVm3)。尚、基準電圧は、検知対象ガスが雰囲気中に無く検出されない時のVd出力値と同電圧値である。
In
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱する。この時、第1のセンサ素子2を加熱する第1のヒータ7Aへの通電電圧は、測定対象とするガスを効率良く検出するための温度に第1のセンサ素子2を加熱する電圧であり、第2のセンサ素子3を加熱する第2のヒータ7Bへの通電電圧は、ガス検出装置が使用される環境温度よりも高温である。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、それぞれどの温度に加熱するかは、予め決められている。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱することにより、センサ素子に対する環境温度変化による影響を抑えて、ガス検出を行うことが出来る。
A voltage is simultaneously applied to the
ステップ34にて、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに電圧を印加して一定時間経過後に、ブリッジ回路からのVd出力値(第1の測定)を、アンプ22及びA/Dコンバータ23を経由してMPU25に取り込む。
In
ステップ35にて、MPU25にVd出力値を取り込み後、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへの電圧印加をOFFとする。
In
ステップ36にて、アンプ22に基準電圧(Vref)をD/Aコンバータ24より印加する。基準電圧を印加してしてから一定時間経過後に、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに、ステップ32で決定されたステップ33とは異なる電圧を印加する(図3に於けるVm2及びVm4)。
In
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱する。この時、第1のセンサ素子2を加熱する第1のヒータ7Aへの通電電圧と、第2のセンサ素子3を加熱する第2のヒータ7Bへの通電電圧とは、同電圧であり、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とが同じ温度で且つ、ガス検出装置が使用される環境温度よりも高温に加熱される。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、どの温度に加熱するかは、予め決められている。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱することにより、センサ素子に対する環境温度変化による影響を抑えた測定ができる。
A voltage is simultaneously applied to the
ステップ37にて、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに電圧を印加して一定時間経過後に、ブリッジ回路からのVr出力値(第2の測定)を、アンプ22及びA/Dコンバータ23を経由してMPU25に取り込む。
Vr出力値は、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、環境温度に関係なく同温度で加熱されるように制御されているため、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とに経時変化等による抵抗変化が生じていなければ、ドリフトが生じることなく、Vr出力値は、毎回同電圧が出力される。しかし、初回のVr出力値に比べて、異なった電圧値が出力された場合、初回のVr出力値との電位差が、経時変化によるドリフト分となる。このドリフト分を補正することにより、ガス検出の精度を向上させることが出来る。
In
Since the Vr output value is controlled so that the
ステップ38にて、MPU25にVr出力値を取り込み後、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへの電圧印加及び、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とで構成されるブリッジ回路へのバイアス電圧印加をOFFとする
In
ステップ39にて、第2のヒータ7Bに電圧を一定時間印加(図3に於けるVm5)した後、印加電圧をOFFとする。この時第2のヒータ7Bに印加する電圧値は、ステップ33にて第1のヒータ7Aに印加した電圧と同電圧である。第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとにステップ33で印加している電圧は異なることにより、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3が受ける熱ストレスに差が生じてくる。そのため、第2のヒータ7Bのみへの通電により、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3との熱ストレスの差を無くして、ほぼ同じ熱ストレスの状態に合わせている。
In
ステップ40にて、ステップ37で得たVr出力値を図5に記載の補正係数と用いて、ガス濃度補正値を算出する。
In
MPU25のメモリ(図示せず)に保存された初回のVr出力値と、今回測定されたVr出力値を比較し、電位差が生じていなければ、経時変化はゼロということであり、ガス濃度補正値はゼロとなる。電位差が生じていれば、センサ素子の経時変化によるドリフトが生じたということであり、このドリフト分を補正する。この得られた電位差をドリフト分を補正するためのガス濃度補正値として、そのまま使用することは出来ない。Vr出力値を得た時の第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3に対する加熱温度と、Vd出力値を得た時の加熱温度とは異なるからである。加熱温度が異なると、センサ素子の特性も変わってくるために、ガス濃度を得るためのVd出力値を補正するためには、Vr出力値より求めたドリフト分を、Vd出力値のドリフト量に変換するための補正係数と乗算し、Vd出力値のドリフト分の補正用として精度よく使えるように換算する。
The initial Vr output value stored in the memory (not shown) of the
図5は、本実施形態に於けるブリッジ回路出力に対する補正係数を示すグラフであり、X軸に第1のセンサ素子2の加熱温度を、Y軸に補正係数を取ったものである。Y軸の補正係数は、予め、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に同温度に加熱した時のVr出力値の経時変化量と、ガス検出装置が配置された雰囲気中に検出対象ガスがない環境に於けるVd出力値の経時変化量との割合より求めている。具体的には、Vr出力値の初期値をVr01、一定時間稼働後のVr出力値をVrn、検出対象ガスを検出する温度で第1のセンサ素子2を加熱した時のVd出力値の初期値をVd01、一定時間経過後のVd出力値をVdnとすると、補正係数を求める演算は以下の式(数式1)で表わされる。この演算結果が、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とに生じる経時変化の影響を補正するための係数となる。例えば、Vd出力値を得るときの第1のセンサ素子2の加熱温度が150℃である時は、補正係数は1.35となる。この値を、Vr出力値より求めたドリフト分(電位差)と乗算することにより、Vd出力値のドリフト分を補正するガス濃度補正値となる。
FIG. 5 is a graph showing the correction coefficient for the output of the bridge circuit in this embodiment, in which the heating temperature of the
K=(Vdn−Vd01)/(Vrn−Vr01) 数式1
K:補正係数
K = (Vdn-Vd01) / (Vrn-Vr01)
K: correction factor
Vr出力値は、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に環境温度よりも高温に100℃以下に且つ、同温度に加熱することにより得ている。このようにすることにより、湿度・ガスなどの影響を排除して、経時変化量を求めることが出来る。また、仮に検出対象ガスが存在していたとしても、低温であるために熱伝導は小さい。また、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に同温度に加熱しているために、検出対象ガスに対する熱伝導による抵抗変化分がキャンセルされることとなる。
The Vr output value is obtained by heating the
補正係数は、MPU内のメモリ領域(図示せず)に保存されている。保存形態は、近似式に置き換えた形でも良いし、前記で求めた補正係数の数値そのものでもよい。検出対象ガスを検出するためのセンサ素子を加熱する温度が1点であれば、その加熱温度に対する補正係数の値をメモリに保存してもよい。また、検出対象ガスが複数であり、センサ素子を加熱する温度が複数点ある場合は、近似式としてメモリに保存してもよい。 The correction coefficient is stored in a memory area (not shown) in the MPU. The storage form may be a form replaced by an approximate expression, or may be the numerical value of the correction coefficient obtained above. If the temperature for heating the sensor element for detecting the gas to be detected is one point, the value of the correction coefficient for the heating temperature may be stored in the memory. When there are a plurality of gases to be detected and there are a plurality of temperatures at which the sensor element is heated, the approximate expression may be stored in the memory.
ステップ41にて、Vd出力値とガス濃度補正値とを用いて、ガス濃度を算出する。
In
ステップ42にて、ステップ41で算出したガス濃度値を出力する。
In
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱するようにしたことにより、センサ素子が環境温度変化の影響を受けて、Vd及びVr出力値が変動することが無くなり、安定したガス検出を行うことが出来る。
By applying a voltage to the
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱するようにしたことにより、ガス検出装置が配置された雰囲気中に検出対象ガスが存在しない時のVd出力値とVr出力値は、それぞれ一定の電圧値となる。そのため、アンプ22に対する基準電圧(Vref)は、予め定められた電圧値を出力すれば良く、環境温度の変化に伴い、可変する必要が無いため、MPU25の負担が軽減される。
By applying a voltage to the
第2のヒータ7Bに対して、一定間隔毎に電圧を一定時間印加(図3に於けるVm5)することにより、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3との熱ストレスの差を無くすことで、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3との熱ストレスによる経時変化を抑えることが出来る。
By applying a voltage to the
第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、同温度で且つ、同時に加熱することによって得られたVr出力値は、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とに生じる経時変化の有無及び、経時変化量を示すものである。測定開始の初回に得られたVr出力値と定期的に比較を行い、経時変化量の差異を得て、補正を行うことにより、ガス検出の精度向上が得られる。
The Vr output value obtained by heating the
(第2の実施形態)
本実施形態に於けるガスセンサ素子の構造及び、ガス検出装置の回路構成については、第1の実施形態で図1及び図2を用いて説明したものと同じである。図7は本実施形態に於けるガス検出装置の動作タイミングを示す図であり、図8は、本実施形態に於けるガス検出装置の演算手順を示す図である。図7及び図8を用いてガス検知の動作について説明をする。
(Second embodiment)
The structure of the gas sensor element and the circuit configuration of the gas detection device in this embodiment are the same as those described in the first embodiment with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 7 is a diagram showing the operation timing of the gas detection device in this embodiment, and FIG. 8 is a diagram showing the calculation procedure of the gas detection device in this embodiment. The gas detection operation will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
ステップ51にて、温度センサ27からの信号をA/Dコンバータ23を通してMPU25に読み込む。
In
ステップ52にて、MPU25は、温度演算を実行して、アンプ22への基準電圧及び、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへ出力する電圧を決定する。第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへ出力する電圧は、第1のセンサ素子2及び第2のセンサ素子3が予め定められた温度で加熱されるように調整される。
In
ステップ53にて、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とで構成されるブリッジ回路にバイアス電圧を、アンプ22に基準電圧(Vref)をD/Aコンバータ24より印加する。バイアス電圧及び基準電圧を印加してしてから一定時間経過後に、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに、ステップ52で決定された電圧を印加する(図7に於けるVm6及びVm9)。尚、基準電圧は、検知対象ガスが雰囲気中に無く検出されない時のVd1出力値と同電圧値である。
In
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱する。この時、第1のセンサ素子2を加熱する第1のヒータ7Aへの通電電圧は、測定対象とするガスを効率良く検出するための温度に第1のセンサ素子2を加熱する電圧であり、第2のセンサ素子3を加熱する第2のヒータ7Bへの通電電圧は、ガス検出装置が使用される環境温度よりも高温である。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、それぞれどの温度に加熱するかは、予め決められている。
A voltage is simultaneously applied to the
ステップ54にて、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに電圧を印加して一定時間経過後に、ブリッジ回路からのVd1出力値(第1の測定)を、アンプ22及びA/Dコンバータ23を経由してMPU25に取り込む。
In
ステップ55にて、ブリッジ回路からのVd2出力値を取り込んだか確認を行う。取り込みがまだであれば、再度、ステップ53から再実行する。ステップ53実行時、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに、ステップ52で決定された電圧を印加する(図7に於けるVm7及びVm10)。再実行されたステップ54にて、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに電圧を印加して一定時間経過後に、ブリッジ回路からのVd2出力値を、アンプ22及びA/Dコンバータ23を経由してMPU25に取り込む。Vd2出力値の取り込みが完了すれば、次のステップを実行する。
At
ステップ56にて、MPU25にVd2出力値(第3の測定)を取り込み後、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへの電圧印加をOFFとする。
In
ステップ57にて、アンプ22に基準電圧(Vref)をD/Aコンバータ24より印加する。基準電圧を印加してしてから一定時間経過後に、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに、ステップ52で決定されたステップ53とは異なる電圧を印加する(図7に於けるVm8及びVm11)。
In
第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとに同時に電圧を印加して、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを同時に加熱する。この時、第1のセンサ素子2を加熱する第1のヒータ7Aへの通電電圧と、第2のセンサ素子3を加熱する第2のヒータ7Bへの通電電圧とは、同電圧であり、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とが同じ温度で且つ、ガス検出装置が使用される環境温度よりも高温に加熱される。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、どの温度に加熱するかは、予め決められている。
A voltage is simultaneously applied to the
ステップ58にて、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bに電圧を印加して一定時間経過後に、ブリッジ回路からのVr1出力値(第2の測定)を、アンプ22及びA/Dコンバータ23を経由してMPU25に取り込む。
In
Vr1出力値は、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とを、環境温度に関係なく同温度で加熱されるように制御されているため、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とに経時変化等による抵抗変化が生じていなければ、ドリフトが生じることなく、Vr1出力値は、毎回同電圧が出力される。しかし、初回のVr1出力値に比べて、異なった電圧値が出力された場合、初回のVr1出力値との電位差が、経時変化によるドリフト分となる。このドリフト分を補正することにより、ガス検出の精度を向上させることが出来る。
Since the Vr1 output value is controlled so that the
ステップ59にて、MPU25にVr1出力値を取り込み後、第1のヒータ7A及び第2のヒータ7Bへの電圧印加及び、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3とで構成されるブリッジ回路へのバイアス電圧印加をOFFとする
In
ステップ60にて、第2のヒータ7Bに電圧を一定時間印加(図7に於けるVm12)した後、印加電圧をOFFとする。この時第2のヒータ7Bに印加する電圧値は、ステップ53にて第1のヒータ7Aに印加した電圧と同電圧である。第1のヒータ7Aと第2のヒータ7Bとにステップ53で印加している電圧は異なることにより、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3が受ける熱ストレスに差が生じてくる。そのため、第2のヒータ7Bのみへの通電により、第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3との熱ストレスの差を無くして、ほぼ同じ熱ストレスの状態に合わせている。
In
ステップ61にて、ステップ58で得たVr1出力値を図5に記載の補正係数と用いて、ガス濃度補正値を算出する。
In
MPU25のメモリ(図示せず)に保存された初回のVr1出力値と、今回測定されたVr1出力値を比較し、電位差が生じていなければ、経時変化はゼロということであり、ガス濃度補正値はゼロとなる。電位差が生じていれば、センサ素子の経時変化によるドリフトが生じたということであり、このドリフト分を補正する。この得られた電位差をドリフト分を補正するためのガス濃度補正値として、そのまま使用することは出来ない。Vr1出力値を得た時の第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3に対する加熱温度と、Vd1及びVd2出力値を得た時の加熱温度とは異なるからである。加熱温度が異なると、センサ素子の特性も変わってくるために、ガス濃度を得るためのVd1及びVd2出力値を補正するためには、Vr1出力値より求めたドリフト分を、Vd1及びVd2出力値のドリフト量に変換するための補正係数と乗算し、ドリフト分の補正用として精度よく使えるように換算する。
The initial Vr1 output value stored in the memory (not shown) of the
Vd1及びVd2出力値を補正するための補正値を得るためには、第1の実施形態で用いた図5の補正係数を示すグラフを使う。例えば、Vd1出力値を得るときの第1のセンサ素子2の加熱温度が125℃である時は、補正係数は1.03となり、Vd2出力値を得るときの第1のセンサ素子2の加熱温度が175℃である時は、補正係数は1.45となる。この値を、Vr1出力値より求めたドリフト分(電位差)と乗算することにより、Vd1及びVd2出力値のドリフト分を補正するガス濃度補正値となる。
In order to obtain a correction value for correcting the Vd1 and Vd2 output values, the graph showing the correction coefficient of FIG. 5 used in the first embodiment is used. For example, when the heating temperature of the
ステップ62にて、Vd1及びVd2出力値とガス濃度補正値とを用いて、ガス濃度を算出する。
In
ステップ63にて、ステップ62で算出したガス濃度値を出力する。
In
雰囲気中に於ける複数のガスを検出するために、第1のセンサ素子2を複数の温度によって加熱する場合であっても、それぞれの加熱温度に対する補正係数を求めると共に、それぞれの加熱温度に対するブリッジ回路の出力値に対するガス濃度補正値を算出することにより、高精度のガス検出が可能である。
Even when the
本発明におけるガスセンサ素子1は第1のセンサ素子2、第2のセンサ素子3とで構成されており、センサ素子2,3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2)で表すことが出来る。
The
R_TH=R_0 exp{B(1/T−1/T_0 )} 数式2
R_TH = R_0 exp {B (1 / T-1 / T_0)}
式中のRTHは温度Tに於けるサーミスタの抵抗値、R0は温度T0に於けるサーミスタ抵抗値で、Bは温度TとT0に於けるサーミスタ抵抗値RTH、R0の関係を表す定数である。第1のセンサ素子2は、25℃で2000kΩを示し、150℃で65kΩを示し、B定数は3450である。第2のセンサ素子3は、25℃で220kΩを示し、60℃で65kΩを示し、B定数は3450である。第1のセンサ素子2の加熱時の抵抗値と第2のセンサ素子3の加熱時の抵抗値はおおよそ等しくなっている。
In the equation, RTH is the resistance value of the thermistor at temperature T, R0 is the thermistor resistance value at temperature T0, and B is a constant indicating the relationship between the thermistor resistance values RTH and R0 at temperatures T and T0. The
図3にヒータ(MH1、MH2)と信号検出(Vd、Vr)のタイミング関係を示すように、第1のセンサ素子2の第1のヒータ7A、第2のセンサ素子3の第2のヒータ7B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7A、第2のヒータ7Bの抵抗値140Ωであり、1.2Vのパルス電圧(Vm1)が印加されることで第1のセンサ素子2が150℃に、0.5V(Vm3)のパルス電圧が印加されることで第2のセンサ素子3が60℃に加熱される。
As shown in the timing relationship between the heaters (MH1, MH2) and the signal detection (Vd, Vr) in FIG. 3, the
第1のセンサ素子2の第1のヒータ7A、第2のセンサ素子3の第2のヒータ7Bへの通電サイクルは、各々ヒータに100msec間、通電ONした後、400msec間、通電をOFFするタイミングで通電を行う。第1のセンサ素子2と第2のセンサ素子3は、それぞれキャビティ10を有する構成となっているため、通電をON/OFFした後、20msec以内に設定した加熱温度又は、環境温度になる。
The energization cycle for the
第1のセンサ素子2の第1のヒータ7Aと、第2のセンサ素子3の第2のヒータ7Bとに、それぞれパルス電圧を印加し、第1のセンサ素子2が150℃に、第2のセンサ素子3が60℃に安定して加熱された状態で、ガス検出を行い、Vd出力値を取り込む。続いて、第1のヒータ7Aと、第2のヒータ7Bとに、それぞれパルス電圧を印加し、第1のセンサ素子2と、第2のセンサ素子3とが60℃に安定して加熱された状態で、ドリフト補正に用いるVr出力値を取り込む。続いて、第2のヒータ7Bのみにパルス電圧を印加し、第2のセンサ素子3を150℃に加熱する。
A pulse voltage is applied to each of the
第2のヒータ7Bのみにパルス電圧を印加することにより、第1のセンサ素子2と、第2のセンサ素子3との熱ストレスのバランスを取っている。
By applying the pulse voltage only to the
測定開始初回のVr出力値と、新たに測定されたVr出力値との差を、補正係数と乗算し、その得られたガス濃度補正値を、Vd出力値に合算する。 The difference between the Vr output value at the first measurement start and the newly measured Vr output value is multiplied by the correction coefficient, and the obtained gas concentration correction value is added to the Vd output value.
初期のVr出力値が、1.500Vであり、一定時間測定後のVr出力値が1.505Vであり、且つ、Vd出力検出時の第1のセンサ素子2の加熱温度が150℃であったとすると、補正係数が1.35となるため、ガス濃度補正値は、6.75mVとなる。この値をVd出力値に合算して、ガス濃度を求める演算を行う。
The initial Vr output value was 1.500 V, the Vr output value after measurement for a certain period of time was 1.505 V, and the heating temperature of the
図6は、第1の実施形態を用いたドリフト補正の有効性を示したグラフである。尚、本グラフに於ける検出対象ガスは炭酸ガスであり、濃度は、10000ppmとした。グラフ中の比較1は、一方をセンサ素子とし、もう一方を固定抵抗でブリッジ回路を組んだ時の経時変化によるガス検出誤差への影響を示しており、測定開始から1000hr経過すると経時変化による影響は、50000ppmのガス検出誤差となってあらわれる。
FIG. 6 is a graph showing the effectiveness of drift correction using the first embodiment. The gas to be detected in this graph was carbon dioxide, and the concentration was 10,000 ppm.
グラフ中の比較2は、センサ素子同士でブリッジ回路を組んだ時の経時変化によるガス検出誤差への影響を示しており、測定開始から1000hr経過すると経時変化による影響は、3000ppmのガス検出誤差となってあらわれる。センサ同士でブリッジ回路を組むことにより、経時変化の影響は大幅に低下しているが、約30%の誤差を有している。
グラフ中の実施1は、第1の実施形態に於ける補正演算を取り入れた時の経時変化によるガス検出誤差への影響を示しており、測定開始から1000hr経過すると経時変化による影響は、≒100ppmとなっており、補正演算を取り入れることにより、経過時間によるガス検出への影響が大幅に低減されていることが分かる。以上により、センサ素子の誤差を低減したガス検出装置を提供することを示した。 The first embodiment in the graph shows the influence on the gas detection error due to the change with time when the correction calculation in the first embodiment is incorporated, and the effect due to the change with time after the lapse of 1000 hours from the start of measurement is 100 ppm. It can be seen that the influence of the elapsed time on the gas detection is greatly reduced by incorporating the correction calculation. As described above, it has been shown to provide a gas detection device in which the error of the sensor element is reduced.
実施例では、検出対象ガスに炭酸ガスを用いて説明したが、検出対象ガスがメタン等、他のガスであったとしても、演算処理の流れは何ら変わるものではない。 In the embodiment, carbon dioxide is used as the detection target gas, but the flow of the arithmetic processing does not change even if the detection target gas is another gas such as methane.
本発明は、家電・産業機器や環境モニタリング装置などに搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is installed in home appliances / industrial equipment, environmental monitoring devices, and the like, and is used for detecting a target gas.
1 ガスセンサ素子
2 第1のセンサ素子
3 第2のセンサ素子
4 基板
5 絶縁膜
6 ヒータ保護膜
7A、7B ヒータ
8 薄膜サーミスタ電極
9 薄膜サーミスタ
10 キャビティ
11 薄膜サーミスタ保護膜
12 電極パッド
13 ワイヤー
14 セラミックパッケージ電極
15 セラミックパッケージ
16 リッド
17 通気口
21 制御回路
22 アンプ
23 A/Dコンバータ
24 D/Aコンバータ
25 MPU
26 電源
27 温度センサ
1
26
Claims (2)
前記第1のセンサ素子の基準抵抗とする第2のセンサ素子と前記第2のセンサ素子を加熱する第2のヒータと、
前記第1のセンサ素子と、前記第2のセンサ素子とによってブリッジ回路を構成するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子からの値を入力する信号増幅回路と、前記信号増幅回路からの出力電圧値をデジタル値に変換するA/D変換器と、前記ガスセンサ素子に対してバイアス電圧を印加し、前記第1、第2のセンサ素子を加熱するヒータに電圧を印加すると共に、前記信号増幅回路に基準電圧を印加するD/A変換器と、MPUとで構成される制御回路とを備えるガス検出装置であって、
前記制御回路は、
前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、それぞれ振幅の異なるパルス電圧を同時に印加することにより前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第1の測定と、
前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、同じ振幅のパルス電圧を同時に印加して前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第2の測定と、を行い、前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、同じ振幅のパルス電圧を同時に印加して前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第2の測定によって得られる値をVr出力値として前記MPUに取り込み、初回のVr出力値との差によって生じる前記ブリッジ回路のドリフト分を演算によって求めるとともに、ドリフトが生じていれば、数式1で求めた補正係数を前記ドリフト分に乗算することによって得られた値を、
K=(Vdn−Vd01)/(Vrn−Vr01) 数式1
K:補正係数
Vdn:測定1で得られた測定値
Vd01:測定1で得られた初回測定の値
Vrn:測定2で得られた測定値
Vr01:測定2で得られた初回測定の値
前記第1のヒータと前記第2のヒータとに、それぞれ振幅の異なるパルス電圧を同時に印加することにより前記第1、第2のセンサ素子を加熱し、前記第1、第2のセンサ素子の温度変化を電圧変化に置換する第1の測定によって得られるVd出力値に合算することにより、Vd出力値のドリフトを補正することを特徴とするガス検出装置。 A first sensor element for measuring the concentration of a gas to be measured based on a temperature change due to a difference in heat conduction between spaces; and a first heater for heating the first sensor element,
A second sensor element as a reference resistance of the first sensor element and a second heater for heating the second sensor element;
A gas sensor element that forms a bridge circuit by the first sensor element and the second sensor element, a signal amplifier circuit that inputs a value from the gas sensor element, and a digital output voltage value from the signal amplifier circuit. A / D converter for converting into a value, a bias voltage is applied to the gas sensor element, a voltage is applied to a heater for heating the first and second sensor elements, and a reference voltage is applied to the signal amplification circuit. A gas detection device comprising a D / A converter for applying a voltage and a control circuit composed of an MPU,
The control circuit is
By simultaneously applying pulse voltages having different amplitudes to the first heater and the second heater, the first and second sensor elements are heated, and the temperatures of the first and second sensor elements are increased. A first measurement that replaces the change with a voltage change;
A pulse voltage of the same amplitude is simultaneously applied to the first heater and the second heater to heat the first and second sensor elements, and the temperature change of the first and second sensor elements is changed. There row second measurement replacing the voltage change, and heating said first heater and said second heater, said applying a pulse voltage having the same amplitude at the same time the first, the second sensor element Then, the value obtained by the second measurement for replacing the temperature change of the first and second sensor elements with the voltage change is taken into the MPU as the Vr output value, and the bridge caused by the difference from the first Vr output value is generated. When the drift amount of the circuit is obtained by calculation, and if drift occurs, the value obtained by multiplying the drift amount by the correction coefficient obtained by Equation 1 is
K = (Vdn-Vd01) / (Vrn-Vr01) Formula 1
K: correction factor
Vdn: measurement value obtained in measurement 1
Vd01: Value of initial measurement obtained in measurement 1
Vrn: measurement value obtained in measurement 2
Vr01: Value of initial measurement obtained in measurement 2
By simultaneously applying pulse voltages having different amplitudes to the first heater and the second heater, the first and second sensor elements are heated, and the temperatures of the first and second sensor elements are increased. A gas detection device, characterized in that the drift of the Vd output value is corrected by adding the Vd output value obtained by the first measurement that replaces the change with the voltage change .
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