JP6952577B2 - Gas sensor device - Google Patents

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Description

本発明は、気体の濃度などを検出するための熱式のセンサ素子を備える気体センサ装置に関する。 The present invention relates to a gas sensor device including a thermal sensor element for detecting a gas concentration or the like.

気体の濃度などの環境特性を計測する気体センサ装置は、種々の技術分野で使用されており、例えば自動車用の内燃機関においては低燃費化を図るために、吸入空気の湿度、圧力、温度を計測し最適な燃焼制御をしている。さらに内燃機関を最適に運転するために湿度や酸素濃度などの環境パラメータを高精度に計測することが求められている。 Gas sensor devices that measure environmental characteristics such as gas concentration are used in various technical fields. For example, in internal combustion engines for automobiles, in order to reduce fuel consumption, the humidity, pressure, and temperature of intake air are measured. It measures and controls the optimum combustion. Furthermore, in order to operate the internal combustion engine optimally, it is required to measure environmental parameters such as humidity and oxygen concentration with high accuracy.

内燃機関の吸気通路では、燃焼室への吸入空気を制御する吸気バルブの開閉に伴い空気流に脈動が発生する。とくに内燃機関の回転数が上昇すると短時間で吸気バルブが開閉するため急激な空気流動が発生する。熱式のセンサ素子は、吸入空気の湿度などをヒータの放熱量変化や温度変化に基づいて検出している。そのため、空気流の中にセンサ素子が配置されると、空気流により放熱量が変化するため、正確な放熱量を判別できず良好な計測ができない。そのため、センサ素子の周りの空気流動の影響を低減することが必要である。 In the intake passage of the internal combustion engine, pulsation occurs in the air flow as the intake valve that controls the intake air to the combustion chamber opens and closes. In particular, when the rotation speed of the internal combustion engine increases, the intake valve opens and closes in a short time, so that a rapid air flow occurs. The thermal sensor element detects the humidity of the intake air based on the change in the amount of heat released from the heater and the change in temperature. Therefore, when the sensor element is arranged in the air flow, the amount of heat radiated changes depending on the air flow, so that the amount of heat radiated cannot be accurately determined and good measurement cannot be performed. Therefore, it is necessary to reduce the influence of air flow around the sensor element.

このような課題に対応したセンサ装置として特許文献1では、センサ素子を保護するためにセンサ装置のハウジングに形成され吸気通路に連通する第1の空洞部と、第1の空洞部に連通する第2の空洞部を設け、第2の空洞部にセンサ素子を収容している。このように、センサ素子が直接空気流に晒されない構成とすることにより、空気流による影響の低減、防塵効果、粒子の衝突によるセンサ素子の破壊を抑制している。 As a sensor device corresponding to such a problem, in Patent Document 1, a first cavity formed in a housing of the sensor device to protect the sensor element and communicating with the intake passage, and a first cavity communicating with the first cavity. Two cavities are provided, and the sensor element is housed in the second cavities. In this way, by configuring the sensor element so as not to be directly exposed to the air flow, the influence of the air flow is reduced, the dustproof effect, and the destruction of the sensor element due to the collision of particles are suppressed.

また、特許文献2では、センサ素子を覆う蓋部材を設け、蓋部材に導入孔を設け、測定ガスがセンサ素子に直接当たらないように導入孔を配置している。 Further, in Patent Document 2, a lid member for covering the sensor element is provided, an introduction hole is provided in the lid member, and the introduction hole is arranged so that the measurement gas does not directly hit the sensor element.

特開2015−4609号公報JP-A-2015-4609 特開2014−81367号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-81367

例えば内燃機関の吸気通路の環境を測定する気体センサ装置は、リアルタイムに気体の所量を測定する必要がある。そのために気体センサ装置には高速応答が望まれている。高速応答を実現するためには、センサ素子を吸気通路に直接露出すことが望ましい。しかし、センサ素子を吸気通路に露出した場合、内燃機関の高回転運転によって吸気が高速で流れ、気体の測定に悪影響を与える。 For example, a gas sensor device that measures the environment of the intake passage of an internal combustion engine needs to measure the amount of gas in real time. Therefore, a high-speed response is desired for the gas sensor device. In order to achieve a high-speed response, it is desirable to expose the sensor element directly to the intake passage. However, when the sensor element is exposed in the intake passage, the intake air flows at high speed due to the high rotation operation of the internal combustion engine, which adversely affects the gas measurement.

特許文献1のガスの濃度を計測するセンサ装置では、センサ素子を保護する効果が得られるが、吸気通路からセンサ素子までガス濃度の変化が到達する時間が遅くなる。また、特許文献2では特許文献1よりは高速ではあるものの、測定ガスが蓋部材の内部に流れ込み、高精度な計測に関しては不十分である。したがって、測定ガスが低速から高速で流れるような広い流量範囲での高精度計測が望まれる内燃機関での使用が難しい。 The sensor device for measuring the gas concentration of Patent Document 1 has an effect of protecting the sensor element, but the time for the change in gas concentration to reach from the intake passage to the sensor element is delayed. Further, although the speed of Patent Document 2 is higher than that of Patent Document 1, the measurement gas flows into the lid member, which is insufficient for high-precision measurement. Therefore, it is difficult to use it in an internal combustion engine where high-precision measurement is desired in a wide flow rate range in which the measurement gas flows from low speed to high speed.

上記課題を解決するために本発明では、基板の薄膜部に形成した発熱体を有する熱式センサエレメントを備えた気体濃度センサ装置において、前記熱式センサエレメントの信号を処理する信号処理部を備え、前記信号処理部は入力された信号の最小値方向へシフトした信号を出力し、前記信号処理部は、前記入力信号の最小値を出力する最小値検出部と、前記最小値検出部から出力された信号を平滑化するローパスフィルタと、を備え、前記最小値検出部は、前記入力信号の勾配を検出する微分器と、前記入力信号の応答を減衰する積分器と、を備え、前記勾配が正の場合に前記積分器を通して信号を出力し、前記勾配が負の場合には前記積分器を通さずに信号を出力する
In order to solve the above problems, the present invention includes a signal processing unit for processing a signal of the thermal sensor element in a gas concentration sensor device including a thermal sensor element having a heating element formed on a thin film portion of the substrate. , The signal processing unit outputs a signal shifted toward the minimum value of the input signal, and the signal processing unit outputs from the minimum value detecting unit that outputs the minimum value of the input signal and the minimum value detecting unit. A low-pass filter for smoothing the signal is provided, and the minimum value detection unit includes a differential device for detecting the gradient of the input signal and an integrator for attenuating the response of the input signal, and the gradient is provided. When is positive, the signal is output through the integrator, and when the gradient is negative, the signal is output without passing through the integrator .

本発明によれば、環境変動の激しい条件下において応答性の低下を抑え計測精度を向上することが可能である。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in responsiveness and improve measurement accuracy under conditions of severe environmental changes.

本発明の実施例1のセンサ素子の構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structure of the sensor element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1のセンサ素子の構造を示す平面図。The plan view which shows the structure of the sensor element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の気体センサ装置の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation and effect of the gas sensor apparatus of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の気体センサ装置の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation and effect of the gas sensor apparatus of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の信号処理手段を示すブロック図。The block diagram which shows the signal processing means of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の信号処理手段を示すブロック図。The block diagram which shows the signal processing means of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の信号処理手段の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation and effect of the signal processing means of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の信号処理手段の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation and effect of the signal processing means of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の信号処理手段の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation | effect of the signal processing means of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3の信号処理手段の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation | effect of the signal processing means of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3の信号処理手段の作用・効果を説明するための図。The figure for demonstrating the operation | effect of the signal processing means of Example 3 of this invention. 本発明の適用に好適なシステムを説明するため図。The figure for demonstrating the system suitable for application of this invention. 本発明の適用に好適なシステムを説明するため図。The figure for demonstrating the system suitable for application of this invention. 本発明の実施例2における信号処理を示すブロック図Block diagram showing signal processing in Example 2 of the present invention

以下、本発明に係る気体センサ装置の一実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the gas sensor device according to the present invention will be described.

図1から図7を用いて、実施例1における本発明の熱式気体センサを説明する。 The thermal gas sensor of the present invention in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 7.

センサ素子1は、単結晶シリコンで形成された基板2を有している。基板2には、空洞部3が形成されており、この空洞部3上に、第一の発熱体4と第二の発熱体5が敷設される。これらの発熱体4、5を支持する薄膜支持体6a、6bが基板2の空洞部3を覆うように形成されている。 The sensor element 1 has a substrate 2 made of single crystal silicon. A cavity 3 is formed in the substrate 2, and a first heating element 4 and a second heating element 5 are laid on the cavity 3. The thin film supports 6a and 6b that support these heating elements 4 and 5 are formed so as to cover the cavity 3 of the substrate 2.

ここで、薄膜支持体6a、6bは基板2の上面に積層された絶縁膜で構成されており、これらの薄膜支持体6a、6bの間に、発熱体4、5が介在されて支持されている。発熱体5は発熱体4の周囲を取り巻くように配置されている。 Here, the thin film supports 6a and 6b are composed of an insulating film laminated on the upper surface of the substrate 2, and the heating elements 4 and 5 are interposed and supported between the thin film supports 6a and 6b. There is. The heating element 5 is arranged so as to surround the heating element 4.

発熱体4は、測定媒体である空気へ熱伝達することにより放熱する。湿度によって空気の熱伝導率が変化し放熱量が変化するため、発熱体4の放熱量に基づいた電圧値、または電流値を計測することにより湿度に応じた信号が得られる。発熱体5は、発熱体4の周囲温度を一定に保持する作用があり、発熱体4の放熱量の環境温度影響を排除することができる。 The heating element 4 dissipates heat by transferring heat to air, which is a measurement medium. Since the thermal conductivity of air changes depending on the humidity and the amount of heat radiated changes, a signal corresponding to the humidity can be obtained by measuring the voltage value or the current value based on the amount of heat radiated by the heating element 4. The heating element 5 has an effect of keeping the ambient temperature of the heating element 4 constant, and can eliminate the influence of the heat radiation amount of the heating element 4 on the environmental temperature.

本実施例では、第1の発熱体4の周辺に第2の発熱体5を設けた構成としているが、第2の発熱体5は温度補償のために設けたものであり、必ずしも本発明の構成において必須なものではない。第1の発熱体4のみを用いた構成においても本発明の効果は得られる。 In the present embodiment, the second heating element 5 is provided around the first heating element 4, but the second heating element 5 is provided for temperature compensation and is not necessarily the present invention. It is not essential in the configuration. The effect of the present invention can be obtained even in a configuration using only the first heating element 4.

図2にセンサ素子1の平面図を示す。発熱体4、5は、薄膜支持体6a、6bの平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する微細幅の抵抗体である。発熱体4、5に加熱電流を供給するための駆動回路(図示なし)との接続のために、センサ素子1は電極7a、7b、7c、7dが形成されている。 FIG. 2 shows a plan view of the sensor element 1. The heating elements 4 and 5 are fine-width resistors extending along the plane of the thin film supports 6a and 6b and having a plurality of folded portions. Electrodes 7a, 7b, 7c, and 7d are formed in the sensor element 1 for connection with a drive circuit (not shown) for supplying a heating current to the heating elements 4 and 5.

発熱体4、5としては、高温で安定な材料(高い融点を有する材料)を採用することが望ましく、例えば、白金(Pt)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、シリコン(Si)等が選定される。薄膜支持体6a、6bとしては、酸化シリコン(SiO2)と窒化シリコン(Si3N4)の単層あるいは積層が選定される。また,薄膜支持体6a、6bとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミック、ガラスなどが単層あるいは積層構成にて選定することもできる。また、電極7a、7b、7c、7dには、アルミニウム(Al)または金(Au)等が選定される。 As the heating elements 4 and 5, it is desirable to use a material stable at high temperature (a material having a high melting point), for example, platinum (Pt), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), silicon (Si) and the like. Be selected. As the thin film supports 6a and 6b, a single layer or a laminate of silicon oxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) is selected. Further, as the thin film supports 6a and 6b, a resin material such as polyimide, ceramic, glass or the like can be selected in a single layer or laminated structure. Further, aluminum (Al), gold (Au), or the like is selected for the electrodes 7a, 7b, 7c, and 7d.

センサ素子1はフォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術を用いて形成される。空洞部3は、基板2の異方性エッチングなどにより形成される。 The sensor element 1 is formed by using a semiconductor microfabrication technique using photolithography and an anisotropic etching technique. The cavity 3 is formed by anisotropic etching of the substrate 2.

図3(a)と図3(b)を用いて、センサ素子周りの空気流動によって引き起こされる計測誤差の発生メカニズムを示す。本実施例における熱式湿度センサは第1の発熱体4の放熱量が湿度によって変化することを利用している。放熱量の変化を検知するために本実施例では、第1の発熱体4を一定温度に制御する方式を用いている。こうすれば放熱量に応じて第1の発熱体4を一定温度に保持するための加熱電力が変化するため、これを検知することで湿度を計測できる。 FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b) are used to show the mechanism of occurrence of measurement error caused by the air flow around the sensor element. The thermal humidity sensor in this embodiment utilizes the fact that the amount of heat radiated from the first heating element 4 changes depending on the humidity. In this embodiment, in order to detect a change in the amount of heat radiation, a method of controlling the first heating element 4 to a constant temperature is used. In this way, the heating power for holding the first heating element 4 at a constant temperature changes according to the amount of heat radiated, and the humidity can be measured by detecting this.

図3(a)に示すように発熱体4の周りの空気は静止状態であることが望ましい。この状態でセンサ素子1が置かれる環境の湿度が増加すると、第1の発熱体4の加熱電力が増加する。しかしながら、内燃機関の吸気通路の空気の流れの影響により図3(b)に示すようにセンサ素子1の周りに流速Vが発生し、これにより第1の発熱体4の放熱量が増加する。そのため、空気流動により放熱が増加すると第1の発熱体4を一定温度に保持するための加熱電力が増加する。 As shown in FIG. 3A, it is desirable that the air around the heating element 4 is in a stationary state. If the humidity of the environment in which the sensor element 1 is placed increases in this state, the heating power of the first heating element 4 increases. However, due to the influence of the air flow in the intake passage of the internal combustion engine, a flow velocity V is generated around the sensor element 1 as shown in FIG. 3 (b), which increases the heat radiation amount of the first heating element 4. Therefore, when heat dissipation increases due to air flow, the heating power for holding the first heating element 4 at a constant temperature increases.

このようなMEMSタイプの熱式湿度センサは、空気の熱伝導率が湿度により変化することを発熱体の放熱量変化から検出しているため、空気の流れ中に配置すると、空気流により放熱が変化するため、空気流による放熱と湿度による放熱を判別できず良好な計測ができない。そのため、センサ素子1の周りの空気流動の影響を低減することが必要である。特に、内燃機関の吸気通路に設置する場合、内燃機関の運転状況により吸気通路内の空気の流速が大きく変化するため重要となる。 Such a MEMS type thermal humidity sensor detects that the thermal conductivity of air changes with humidity from the change in the amount of heat released from the heating element. Therefore, when placed in the flow of air, heat is dissipated by the air flow. Since it changes, it is not possible to distinguish between heat dissipation due to air flow and heat dissipation due to humidity, and good measurement cannot be performed. Therefore, it is necessary to reduce the influence of the air flow around the sensor element 1. In particular, when it is installed in the intake passage of an internal combustion engine, it is important because the flow velocity of air in the intake passage changes greatly depending on the operating condition of the internal combustion engine.

センサ素子1のようなMEMSタイプの素子は検出部の熱容量を小さくすることができ応答性が向上する。一方で、熱容量が小さいため微小な空気流動による計測誤差が発生しやすい。そのため、センサ素子周りの空気流動による計測誤差を低減することが重要である。 A MEMS type element such as the sensor element 1 can reduce the heat capacity of the detection unit and improve the responsiveness. On the other hand, since the heat capacity is small, measurement errors are likely to occur due to minute air flow. Therefore, it is important to reduce the measurement error due to the air flow around the sensor element.

一方で、センサ素子周りの空気流動を低減するために、カバーやフィルタを設けると通気性が悪化し、湿度変化に対する応答性を損なってしまう。そこで、本実施例では、下記のような構成としている。 On the other hand, if a cover or a filter is provided in order to reduce the air flow around the sensor element, the air permeability is deteriorated and the responsiveness to a change in humidity is impaired. Therefore, in this embodiment, the configuration is as follows.

図4(a)に示すように、内燃機関の燃焼室への吸入空気を制御する吸気バルブの開閉に伴い空気流動Vに脈動が発生する。図示した波形は、徐々に内燃機関の回転数を上昇させた場合を一例としている。図示したように前半の低回転域では、緩やかな変動であるが、後半は回転数の上昇にともない吸気行程が短時間となるため急激な空気流動が発生する。 As shown in FIG. 4A, pulsation occurs in the air flow V as the intake valve that controls the intake air into the combustion chamber of the internal combustion engine is opened and closed. The illustrated waveform is an example of a case where the rotation speed of the internal combustion engine is gradually increased. As shown in the figure, in the low rotation range in the first half, the fluctuation is gradual, but in the second half, a rapid air flow occurs because the intake stroke becomes shorter as the rotation speed increases.

図4(b)に上記の空気流動Vにおけるセンサ出力波形を示す。図中の点線Dinは、本発明が適用されていない形態での出力波形を示している。一定湿度環境下でのセンサ出力は一定となることが望ましいが、高回転域において空気流動Vのピーク値が増加するためセンサ出力Dinにスパイク状の計測誤差が発生する。図中の実線Dfは、点線Dinにローパスフィルタ処理により平均化した波形である。点線Dinに生じる計測誤差はプラス誤差のみであるため、ローパスフィルタ処理を行うと平均値にオフセット誤差が残る。 FIG. 4B shows the sensor output waveform in the above air flow V. The dotted line Din in the figure shows the output waveform in a form to which the present invention is not applied. It is desirable that the sensor output be constant in a constant humidity environment, but a spike-like measurement error occurs in the sensor output Din because the peak value of the air flow V increases in the high rotation range. The solid line Df in the figure is a waveform averaged to the dotted line Din by low-pass filtering. Since the measurement error that occurs on the dotted line Din is only a positive error, an offset error remains in the average value when low-pass filtering is performed.

図4(b)における実線Doutは、本実施例を適用して得られる信号波形を示す。本実施例における実線Doutは、信号Dinの最小値Dminを追従した波形である。信号Dinが最小値となるタイミングは図4(a)に示すように空気流動Vが低下するタイミングVminと一致する。そのため、エンジンの高回転域においてスパイク状の誤差が重畳しても信号Dinの最小値を取得すれば空気流動が静止した状態のセンサ出力を得ることができる。 The solid line Dout in FIG. 4B shows a signal waveform obtained by applying this embodiment. The solid line Dout in this embodiment is a waveform that follows the minimum value Dmin of the signal Din. As shown in FIG. 4A, the timing at which the signal Din becomes the minimum value coincides with the timing Vmin at which the air flow V decreases. Therefore, even if spike-like errors are superimposed in the high speed region of the engine, if the minimum value of the signal Din is acquired, the sensor output in a state where the air flow is stationary can be obtained.

空気流動によって熱式湿度センサに生じる誤差は、図4(b)に示したようにプラス誤差のみである。これは、空気流動による影響はセンサ素子1の第1の発熱体の放熱量の増加のみであるためである。つまり、センサ素子1から得られた信号の最小値を取得することにより、空気流動が起きていないか、微少である条件化の信号と考えられるため、計測誤差が重畳した信号の中から真値を抽出することができる。 The error caused in the thermal humidity sensor by the air flow is only a positive error as shown in FIG. 4 (b). This is because the effect of air flow is only an increase in the amount of heat radiated from the first heating element of the sensor element 1. That is, by acquiring the minimum value of the signal obtained from the sensor element 1, it is considered that the signal is a conditioned signal in which air flow is not occurring or is insignificant. Can be extracted.

本実施例では、信号Dinに高周波の変動が発生すると、信号Dinの最小値側に出力Doutをシフトしている。つまり、空気流動により変化する信号を打ち消す方向にシフトするものである。センサ信号の出力形態によってシフト方向が異なる場合もある。湿度の増加によるセンサ出力信号の変化と空気流による誤差による信号の変化は同一方向であることから、センサの出力信号を湿度に換算したときに、本発明の補正部は低湿側にシフトされることになる。 In this embodiment, when a high frequency fluctuation occurs in the signal Din, the output Dout is shifted to the minimum value side of the signal Din. That is, it shifts in the direction of canceling the signal that changes due to the air flow. The shift direction may differ depending on the output form of the sensor signal. Since the change in the sensor output signal due to the increase in humidity and the change in the signal due to the error due to the air flow are in the same direction, the correction unit of the present invention is shifted to the low humidity side when the output signal of the sensor is converted into humidity. It will be.

本実施例のようなセンサ素子1は、MEMSプロセスによって製造され熱容量が小さく高速応答である。そのため、脈動する空気流動に追従することができ、瞬間的に空気流動が止まったときの信号を捕らえることができるため、本発明に好適なセンサ素子である。 The sensor element 1 as in this embodiment is manufactured by the MEMS process, has a small heat capacity, and has a high-speed response. Therefore, it is a sensor element suitable for the present invention because it can follow the pulsating air flow and can capture the signal when the air flow stops momentarily.

本実施例では、センサ素子1の信号を処理する処理部10が、空気脈動下におけるセンサ信号に対して、最小値を検出し、空気脈動下に対してはこの最小値となるように処理後の信号を出力している。空気脈動の誤差が重畳した信号の中から、瞬間的に空気が止まった際の信号である最小値を取り出して利用しているため、脈動誤差の影響を低減することができる。本実施例によれば、フィルタ等を利用せずに脈動化であっても湿度を精度よく計測できるため、応答性を損なうことなく精度を向上することが可能である。 In this embodiment, the processing unit 10 that processes the signal of the sensor element 1 detects the minimum value for the sensor signal under air pulsation, and after processing so that it becomes this minimum value under air pulsation. Is outputting the signal of. Since the minimum value, which is the signal when the air stops momentarily, is extracted and used from the signal on which the air pulsation error is superimposed, the influence of the pulsation error can be reduced. According to this embodiment, the humidity can be measured accurately even in the case of pulsation without using a filter or the like, so that the accuracy can be improved without impairing the responsiveness.

なお、信号処理部10は、センサ素子1を形成する半導体基板とは別の半導体基板上に設けた例を示したが、同一の半導体基板上に形成してもよい。 Although the signal processing unit 10 is provided on a semiconductor substrate different from the semiconductor substrate on which the sensor element 1 is formed, it may be formed on the same semiconductor substrate.

図5に上記の計測誤差を低減する手段の具体的実施形態の一例を示す。本実施例では、湿度センサ素子1と、湿度センサ素子1と同一環境下に配置した圧力センサ素子9と、湿度センサ素子1から得られた信号に圧力補正を加えるための圧力補正部8と、信号処理部10からなる。信号処理部10は本発明の作用を実現するための要素である。 FIG. 5 shows an example of a specific embodiment of the means for reducing the measurement error. In this embodiment, the humidity sensor element 1, the pressure sensor element 9 arranged in the same environment as the humidity sensor element 1, the pressure correction unit 8 for applying pressure correction to the signal obtained from the humidity sensor element 1, and the pressure sensor element 8. It is composed of a signal processing unit 10. The signal processing unit 10 is an element for realizing the operation of the present invention.

圧力補正部8は、本発明の効果を得るのに必須の要素ではない。圧力変動の激しい環境下で使用される場合には、圧力補正部8の後に本発明の信号処理部10を設ける構成にすることが望ましい。センサ素子1に形成した第1の発熱体4は、気圧によっても放熱量が変化する。そのため、内燃機関の吸気バルブの開閉に伴い気圧の変動も生じるためセンサ出力に周期的な脈動が生じる。この脈動に対して本発明の信号処理が適用されることを防止するため、本発明の信号処理部より前段で圧力補正を実施し、圧力変動に伴う脈動成分を取り除くためである。 The pressure compensator 8 is not an essential element for obtaining the effect of the present invention. When used in an environment where pressure fluctuations are severe, it is desirable to provide the signal processing unit 10 of the present invention after the pressure compensating unit 8. The amount of heat radiated from the first heating element 4 formed on the sensor element 1 also changes depending on the atmospheric pressure. Therefore, the air pressure fluctuates as the intake valve of the internal combustion engine opens and closes, so that the sensor output pulsates periodically. This is to prevent the signal processing of the present invention from being applied to this pulsation, and to perform pressure correction in the stage prior to the signal processing unit of the present invention to remove the pulsating component accompanying the pressure fluctuation.

信号処理部10は、最小値検出部11と信号を平滑化するローパスフィルタ12を備える。 The signal processing unit 10 includes a minimum value detecting unit 11 and a low-pass filter 12 that smoothes the signal.

図6に示すように、最小値検出部11は、入力信号Dinの立ち上りか立ち下がりかの勾配を検出する微分器13と、入力信号Dinの応答を減衰するための積分器14を備える。 As shown in FIG. 6, the minimum value detection unit 11 includes a differentiator 13 for detecting the gradient of rising or falling of the input signal Din, and an integrator 14 for attenuating the response of the input signal Din.

最小値検出部11は、微分器13が検出した信号の勾配の正負に応じて入力信号Dinを積分器14に通して出力するか、入力信号Dinをそのまま出力するか選択して出力する。 The minimum value detection unit 11 selects and outputs whether to output the input signal Din through the integrator 14 or to output the input signal Din as it is, according to the positive or negative of the gradient of the signal detected by the differentiator 13.

最小値検出部11は、微分器13が検出した信号の勾配が正の場合に、積分器14を通して信号を出力し、微分器13が検出した信号の勾配が負の場合に、積分器14を通さずに信号を出力する。 The minimum value detection unit 11 outputs a signal through the integrator 14 when the gradient of the signal detected by the differentiator 13 is positive, and sets the integrator 14 when the gradient of the signal detected by the differentiator 13 is negative. Output the signal without passing it.

最小値検出部11の出力信号Dbはローパスフィルタ12に入力される。ローパスフィルタ12を設けたことによる利点を以下に説明する。
図7に信号処理部10の入出力波形を示す。入力信号Dinは、脈動化でセンサ素子1から得られたスパイク状の計測誤差を含んだ信号である。この入力信号Dinは、最小値検出部11を通すと、Dinの最小値を追従する波形Dbが得られる。最小値検出部11は信号Dinに対して立ち上り速度を低下させる作用により、図示したような入力信号Dinの最小値を含んだ鋸形の波形となる。この信号Dbをローパスフィルタ12により平滑化すると出力信号Doutがえられ、入力信号Dinの最小値に追従する波形となる。
The output signal Db of the minimum value detection unit 11 is input to the low-pass filter 12. The advantages of providing the low-pass filter 12 will be described below.
FIG. 7 shows the input / output waveform of the signal processing unit 10. The input signal Din is a signal including a spike-shaped measurement error obtained from the sensor element 1 by pulsation. When this input signal Din is passed through the minimum value detection unit 11, a waveform Db that follows the minimum value of Din is obtained. The minimum value detection unit 11 has an action of lowering the rising speed with respect to the signal Din, so that a saw-shaped waveform including the minimum value of the input signal Din as shown in the figure is obtained. When this signal Db is smoothed by the low-pass filter 12, the output signal Dout is obtained, and the waveform follows the minimum value of the input signal Din.

また、本実施例に示した最小値検出部11は、湿度変化に対する応答速度が信号の立ち上がりと立ち下がりとで異なる。そのため、最小値検出部11の後にローパスフィルタ12を通すことによって、信号の立下りと立ち上がりの応答速度を一致させるという利点がある。しかしながら、ローパスフィルタ12は、本センサ装置を用いるシステムによっては不要である場合もあるため、必ずしも本発明の実施において必須な構成ではない。 Further, in the minimum value detecting unit 11 shown in this embodiment, the response speed to the humidity change differs between the rising edge and the falling edge of the signal. Therefore, there is an advantage that the response speeds of the falling edge and the rising edge of the signal are matched by passing the low-pass filter 12 after the minimum value detecting unit 11. However, the low-pass filter 12 may not be necessary depending on the system using the present sensor device, and therefore is not necessarily an essential configuration in the practice of the present invention.

図8、図14を用いて、本発明の実施例2を示す。実施例1との主な相違点は、最小値を検出する方法である。 Example 2 of the present invention is shown with reference to FIGS. 8 and 14. The main difference from Example 1 is the method of detecting the minimum value.

図8に示すようにセンサ素子1から得られる信号Dinを所定期間tcサンプリングしてメモリに格納する。サンプリングしたデータ(P1、P2…)の中から最小値となるデータをDoutを抽出して出力する方式である。サンプリング期間TCは、入力信号Dinのスパイク波形の発生期間よりも長くすることで、入力信号Din の最小値を追従した出力信号Doutを得ることができる。サンプリング期間TCにおけるサンプリング数は、スパイク波形の発生期間に応じて適宜設定される。 As shown in FIG. 8, the signal Din obtained from the sensor element 1 is tc-sampled for a predetermined period and stored in the memory. This is a method of extracting the minimum value data from the sampled data (P1, P2 ...) and outputting it. By making the sampling period TC longer than the generation period of the spike waveform of the input signal Din, it is possible to obtain the output signal Dout that follows the minimum value of the input signal Din. The number of samplings in the sampling period TC is appropriately set according to the generation period of the spike waveform.

図14は上記の信号処理を示すブロック図である。センサ素子1から得られる信号Dinはサンプルホールド回路23とAD変換器によってデジタル値に変換される。デジタル値に変換されたデータ(P1、P2…)はメモリ24に格納される。メモリ24には所定期間(TC)のデータ(P1、P2…)が保持され、最小値検出部25によって、保持されたデータの中から最小値を検出し出力信号Doutとして出力される。サンプリング期間tcとサンプリング数nは、メモリ24の容量と、メモリの更新周期を決めるクロックCLKによって決まり、空気脈動により発生するスパイク波形に応じて適宜設定されるものである。 FIG. 14 is a block diagram showing the above signal processing. The signal Din obtained from the sensor element 1 is converted into a digital value by the sample hold circuit 23 and the AD converter. The data (P1, P2 ...) Converted into digital values is stored in the memory 24. Data (P1, P2 ...) For a predetermined period (TC) is held in the memory 24, and the minimum value detecting unit 25 detects the minimum value from the held data and outputs it as an output signal Dout. The sampling period tc and the number of samplings n are determined by the capacity of the memory 24 and the clock CLK that determines the update cycle of the memory, and are appropriately set according to the spike waveform generated by the air pulsation.

図6、図8に示したように上記実施例では入力信号Dinの最小値を取得する構成としているが必ずしも、最小値のみを取得する必要はない。つまり、入力信号の最小値側に出力信号が近づくことにより効果が得られ、どの程度最小値に近づけるかについてはセンサ装置が適用されるシステムにおいて許容される誤差範囲に応じて設計することができる。 As shown in FIGS. 6 and 8, in the above embodiment, the minimum value of the input signal Din is acquired, but it is not always necessary to acquire only the minimum value. That is, the effect is obtained when the output signal approaches the minimum value side of the input signal, and how close it is to the minimum value can be designed according to the error range allowed in the system to which the sensor device is applied. ..

実施例3について、図9〜図11を用いて説明する。実施例1、2と同様の構成については説明を省略する。 Example 3 will be described with reference to FIGS. 9 to 11. The description of the same configuration as in Examples 1 and 2 will be omitted.

図9に信号処理部10の周波数特性を示す。一定振幅で周波数が異なる入力信号Dinが信号処理部10に入力されると、出力信号の平均値Daveは高周波側において入力信号Dinの最小値に近づく特性となる。入力信号Dinの平均値と出力信号の平均値Daveの差をΔDaveとする。図10に示すように、周波数の上昇に伴いΔDaveがマイナス方向に徐々にシフトしている。最終的には、ΔDaveの絶対値は、入力信号Dinの振幅と一致する。すなわち、出力信号の平均値Daveは入力信号Dinの最小値に近づく特性となる。 FIG. 9 shows the frequency characteristics of the signal processing unit 10. When an input signal Din having a constant amplitude and a different frequency is input to the signal processing unit 10, the average value Dave of the output signal has a characteristic of approaching the minimum value of the input signal Din on the high frequency side. Let ΔDave be the difference between the average value of the input signal Din and the average value Dave of the output signal. As shown in FIG. 10, ΔDave gradually shifts in the negative direction as the frequency rises. Finally, the absolute value of ΔDave matches the amplitude of the input signal Din. That is, the average value Dave of the output signal has a characteristic approaching the minimum value of the input signal Din.

ΔDaveを生じる周波数は、センサ素子1に重畳するスパイク状の誤差の周波数により決定される。つまり、スパイク状の誤差は空気流動の起きやすさ、つまりセンサ素子周りの構造に依存するものである。また、スパイク状の誤差波形はセンサ素子1の応答性にも依存する。 図11に示すようにセンサ素子の応答性よりも早い周波数の空気流動Vでは、センサ素子1から得られる信号Dinは空気流動に追従できない。そうすると、上記実施例1または2で得られる信号の最小値が十分な最小値と言えず誤差ΔEを残してしまう。 The frequency at which ΔDave is generated is determined by the frequency of the spike-like error superimposed on the sensor element 1. That is, the spike-like error depends on the ease with which air flow occurs, that is, the structure around the sensor element. The spike-shaped error waveform also depends on the responsiveness of the sensor element 1. As shown in FIG. 11, at the air flow V having a frequency faster than the responsiveness of the sensor element, the signal Din obtained from the sensor element 1 cannot follow the air flow. Then, the minimum value of the signal obtained in the first or second embodiment cannot be said to be a sufficient minimum value, and an error ΔE is left.

そこで、本実施例では、最小値検出が最も有効に機能する被計測媒体である流体の周波数がセンサ素子1の応答速度以下であることに着目し、センサ素子1の応答速度以下の周波数の空気流動の場合には、最小値に基づいた出力を出力する。一方で、応答速度より大きい周波数の空気流動の場合には、平均値Daveを出力する。 Therefore, in this embodiment, focusing on the fact that the frequency of the fluid, which is the medium to be measured, in which the minimum value detection functions most effectively is equal to or lower than the response speed of the sensor element 1, air having a frequency equal to or lower than the response speed of the sensor element 1. In the case of flow, the output is based on the minimum value. On the other hand, in the case of air flow with a frequency higher than the response speed, the average value Dave is output.

センサ素子1の応答速度は、発熱体4の熱容量によって決まるため素子構造によって変化する値である。本実施例では、空洞部3のサイズは0.5〜1.0mm、薄膜支持体6a、6bの厚みは1〜5umとすれば100Hzから200Hzの応答性となる。従って、信号処理部11に少なくとも100Hz以上の信号が入力されれば、出力信号の平均値Daveは入力信号Dinの最小値に近づく特性となるため、100Hz以下の場合に実施例1または2で記載した最小値側へのシフトを実施する。 The response speed of the sensor element 1 is a value that changes depending on the element structure because it is determined by the heat capacity of the heating element 4. In this embodiment, if the size of the cavity 3 is 0.5 to 1.0 mm and the thicknesses of the thin film supports 6a and 6b are 1 to 5 um, the responsiveness is 100 Hz to 200 Hz. Therefore, if a signal of at least 100 Hz or higher is input to the signal processing unit 11, the average value Dave of the output signal has a characteristic of approaching the minimum value of the input signal Din. Shift to the minimum value side.

図12、図13に本発明を適用したセンサ装置に好適な、内燃機関のシステムを示す。内燃機関の吸気通路における吸気脈動は、吸気バルブ17の開閉により生じる。スロットル弁15より上流側は、スロットル弁15により脈動が抑制される。そのため、スロットル弁15の上流側は空気流の脈動が小さいため、本実施例のようなセンサ素子1を設置が容易である。 12 and 13 show an internal combustion engine system suitable for a sensor device to which the present invention is applied. The intake pulsation in the intake passage of the internal combustion engine is generated by opening and closing the intake valve 17. On the upstream side of the throttle valve 15, pulsation is suppressed by the throttle valve 15. Therefore, since the pulsation of the air flow is small on the upstream side of the throttle valve 15, it is easy to install the sensor element 1 as in this embodiment.

本発明が特に有効に作用するセンサ装置の環境は、空気流が脈動する環境である。つまり空気が流動したり静止したりを繰り返す環境において特に有効となる。このような環境は内燃機関の吸気通路におけるスロットル弁15の下流側で生じやすい。スロットル弁15の下流側は吸気バルブ17の開閉に伴う圧力変化により空気流の脈動が激しくなる。これにより、本実施例のような熱式のセンサ素子1を設置すると脈動流による計測誤差を生じるが、本発明を適用することにより空気流動の激しい場所においても良好な計測値を得ることが可能である。 The environment of the sensor device in which the present invention works particularly effectively is an environment in which the air flow pulsates. That is, it is particularly effective in an environment in which air repeatedly flows and stands still. Such an environment is likely to occur on the downstream side of the throttle valve 15 in the intake passage of the internal combustion engine. On the downstream side of the throttle valve 15, the pulsation of the air flow becomes intense due to the pressure change accompanying the opening and closing of the intake valve 17. As a result, when the thermal sensor element 1 as in the present embodiment is installed, a measurement error due to pulsatile flow occurs, but by applying the present invention, it is possible to obtain a good measured value even in a place where air flow is intense. Is.

さらに、好適な内燃機関のシステムとしては、図13に示すように吸気通路をそれぞれの燃焼室に分岐させた吸気マニホールド21において、第1分岐点22より下流側に本発明を適用した気体センサ装置を配置することが好ましい。図13に示した3気筒エンジンの一例では、センサ素子1が搭載された気体センサ装置をスロットル弁15から最も遠い気筒18cへ向かう分岐点に配置している。それぞれの気筒18aから18cに設けられた吸気バルブは、順番に開閉する。例えば気筒18aの吸気バルブが開くと気筒18aへ向かう空気流が発生するが、気筒18cの吸気バルブは閉じているため、センサ素子1が周りの空気流動は小さくなるタイミングが得られる。吸気バルブの開閉順により空気の流れが小さい期間を確保して、このときの計測値を取得すれば良好な計測値をえることができる。 Further, as a suitable internal combustion engine system, as shown in FIG. 13, in an intake manifold 21 in which an intake passage is branched into each combustion chamber, a gas sensor device to which the present invention is applied to the downstream side of the first branch point 22. It is preferable to arrange. In the example of the 3-cylinder engine shown in FIG. 13, the gas sensor device equipped with the sensor element 1 is arranged at the branch point toward the cylinder 18c farthest from the throttle valve 15. The intake valves provided in the cylinders 18a to 18c open and close in order. For example, when the intake valve of the cylinder 18a is opened, an air flow toward the cylinder 18a is generated, but since the intake valve of the cylinder 18c is closed, the timing at which the air flow around the sensor element 1 becomes small can be obtained. A good measured value can be obtained by securing a period in which the air flow is small by opening and closing the intake valve and acquiring the measured value at this time.

本発明の気体センサ装置は、自動車の内燃機関以外にも適用することが可能であり、内燃機関以外にも、種々の環境における気体の濃度を計測する場合に適用することができる。 The gas sensor device of the present invention can be applied to other than the internal combustion engine of an automobile, and can be applied to measure the concentration of gas in various environments other than the internal combustion engine.

上記各実施形態は、好ましい実施形態として例示したに過ぎず、上記実施形態を、適宜、組み合わせることが可能であり、また、発明の趣旨に基づいて、適宜、変更することが可能である。 Each of the above-described embodiments is merely exemplified as a preferred embodiment, and the above-described embodiments can be combined as appropriate, and can be appropriately modified based on the gist of the invention.

1…センサ素子、2…基板、3…空洞部、4…第1の発熱体、5…第2の発熱体、6a、6b…薄膜支持体、7a〜7d…電極、8…圧力補正部、9…圧力センサ、10…信号処理部、11…最小値検出部、12…ローパスフィルタ、13…微分器、14…積分器、15…スロットル弁、16…吸気、17…吸気バルブ、18…燃焼室、19…ピストン、20…コントローラー、21…吸気マニホールド、22…第1分岐点、23…サンプルホールド回路、24…メモリ、25…最小値検出部、26…AD変換器 1 ... Sensor element, 2 ... Substrate, 3 ... Cavity, 4 ... First heating element, 5 ... Second heating element, 6a, 6b ... Thin film support, 7a to 7d ... Electrode, 8 ... Pressure compensator, 9 ... Pressure sensor, 10 ... Signal processing unit, 11 ... Minimum value detection unit, 12 ... Low-pass filter, 13 ... Differential, 14 ... Integrator, 15 ... Throttle valve, 16 ... Intake, 17 ... Intake valve, 18 ... Combustion Chamber, 19 ... Piston, 20 ... Controller, 21 ... Intake manifold, 22 ... First branch point, 23 ... Sample hold circuit, 24 ... Memory, 25 ... Minimum value detector, 26 ... AD converter

Claims (5)

空洞部を有する基板、該空洞部を覆う薄膜部、該薄膜部に設けられた発熱体、を有するセンサ素子と、
前記センサ素子から入力された入力信号を処理する信号処理部と、を備える気体センサ装置において、
前記信号処理部は、脈動時には、前記センサ素子から入力された信号の最小値に基づく信号を出力し、
前記信号処理部は、
前記入力信号の最小値を出力する最小値検出部と、
前記最小値検出部から出力された信号を平滑化するローパスフィルタと、を備え、
前記最小値検出部は、前記入力信号の勾配を検出する微分器と、前記入力信号の応答を減衰する積分器と、を備え、前記勾配が正の場合に前記積分器を通して信号を出力し、前記勾配が負の場合には前記積分器を通さずに信号を出力する気体センサ装置。
A sensor element having a substrate having a cavity, a thin film covering the cavity, and a heating element provided in the thin film.
In a gas sensor device including a signal processing unit for processing an input signal input from the sensor element.
At the time of pulsation, the signal processing unit outputs a signal based on the minimum value of the signal input from the sensor element.
The signal processing unit
A minimum value detection unit that outputs the minimum value of the input signal, and
A low-pass filter that smoothes the signal output from the minimum value detection unit is provided.
The minimum value detection unit includes a derivative that detects the gradient of the input signal and an integrator that attenuates the response of the input signal, and outputs a signal through the integrator when the gradient is positive. A gas sensor device that outputs a signal without passing through the integrator when the gradient is negative.
圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子と前記センサ素子との信号が入力され、補正後の信号を出力する圧力補正部と、を備え、
前記信号処理部へ入力される信号は、前記圧力補正部から出力された補正後の信号である請求項1に記載の気体センサ装置。
Pressure sensor element and
A pressure correction unit for inputting signals from the pressure sensor element and the sensor element and outputting a corrected signal is provided.
The gas sensor device according to claim 1 , wherein the signal input to the signal processing unit is a corrected signal output from the pressure correction unit.
前記信号処理部は、
前記センサ素子の応答速度より低い周波数の入力信号に対して、前記入力信号の最小値に基づく信号を出力する請求項1又は2に記載の気体センサ装置。
The signal processing unit
The gas sensor device according to claim 1 or 2, which outputs a signal based on the minimum value of the input signal with respect to an input signal having a frequency lower than the response speed of the sensor element.
請求項1乃至3の何れか1項に記載の気体センサ装置を、内燃機関の吸気通路に設けたスロットル弁より下流に設置した内燃機関システム An internal combustion engine system in which the gas sensor device according to any one of claims 1 to 3 is installed downstream of a throttle valve provided in an intake passage of the internal combustion engine . 請求項1乃至3の何れか1項に記載の気体センサ装置を、内燃機関のマニホールドにおいて複数に分岐した分岐通路のうち最初の分岐点よりも下流側に設置した内燃機関システム。 An internal combustion engine system in which the gas sensor device according to any one of claims 1 to 3 is installed downstream of the first branch point of a plurality of branch passages branched in a manifold of an internal combustion engine.
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