JP7156013B2

JP7156013B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP7156013B2
Application number: JP2018243188A
Authority: JP
Inventors: 圭田邊; 裕松尾; 佳生海田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: JP2020106310A

Description

本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、サーミスタを加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサに関する。

ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであり、中でも、ヒータ抵抗によってサーミスタを加熱するタイプのガスセンサは小型化に優れている。例えば、特許文献１には、ミアンダ状のヒータ抵抗とサーミスタを積層した構造を有するガスセンサが開示されている。特許文献１に記載されたガスセンサは、ミアンダ状のヒータ抵抗のパターン幅を中央部において太くすることにより、サーミスタの面内温度分布の均一化を図っている。

特開２０１６－１３４２４６号公報

しかしながら、ヒータ抵抗のパターン幅を調整するだけでは、ヒータ抵抗に流れる電流量は変化しないことから、サーミスタの面内温度分布を十分に均一化することは困難であった。

したがって、本発明は、サーミスタを加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサにおいて、サーミスタの面内温度分布をより均一化することを目的とする。

本発明によるガスセンサは、サーミスタと、サーミスタを加熱するヒータ抵抗と、ヒータ抵抗を制御するヒータ制御回路と、サーミスタの抵抗値に基づいて出力信号を生成する検出回路とを備え、サーミスタは第１及び第２の領域を有し、ヒータ抵抗は、第１の領域を加熱する第１の区間と、第２の領域を加熱する第２の区間を含み、ヒータ制御回路は、第１の期間においては少なくとも第１の区間に電流を供給し、第２の期間においては第２の区間に第１の区間よりも多くの電流を供給することを特徴とする。

本発明によれば、ヒータ抵抗を第１及び第２の区間に分け、第１及び第２の区間に流れる電流をヒータ制御回路によって制御していることから、加熱プロファイルの自由度が増す。これにより、サーミスタの面内温度分布をより均一化することが可能となる。

本発明において、ヒータ制御回路は、第１の期間においては第１の区間に第２の区間よりも多くの電流を供給しても構わない。これによれば、第１の期間においては第１の区間の発熱量を大きくし、第２の期間においては第２の区間の発熱量を大きくすることができる。

本発明において、ヒータ制御回路は、第１の期間においては第２の区間に電流を供給することなく第１の区間に電流を供給し、第２の期間においては第１の区間に電流を供給することなく第２の区間に電流を供給しても構わない。これによれば、第１の期間においては第２の区間を発熱させることなく第１の区間を発熱させ、第２の期間においては第１の区間を発熱させることなく第２の区間を発熱させることができる。

本発明において、第１の領域は、少なくとも一方向から第２の領域によって挟まれていても構わないし、第２の領域によって囲まれていても構わない。この場合、第１の領域に熱が溜まりやすくなるが、第２の制御状態においては第２の区間の発熱量が大きくなることから、サーミスタの面内温度分布をより均一化することが可能となる。

本発明において、ヒータ制御回路は、第１の期間と第２の期間を交互に繰り返しても構わない。これによれば、第１の期間と第２の期間の割合を調整することによって、サーミスタの面内温度分布をより均一化することが可能となる。この場合、第１の期間よりも第２の期間の方が長くても構わない。これによれば、熱の溜まりやすい第１の領域が局所的に高温となる現象を抑制することが可能となる。

このように、本発明によれば、サーミスタを加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサにおいて、サーミスタの面内温度分布をより均一化することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構造を透過的に示す略平面図である。図２は、ガスセンサ１０Ａをセラミックパッケージ２１に収容した状態を示す略断面図であり、図１に示すＡ－Ａ線に沿った断面に対応している。図３は、端子電極Ｅ１～Ｅ４に接続される外部回路の一部を示す回路図である。図４は、ガスセンサ１０Ａの回路図である。図５は、ガスセンサ１０Ａの動作を説明するためのタイミング図である。図６は、ガスセンサ１０Ａにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。図７は、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構造を透過的に示す略平面図である。図８は、ガスセンサ１０Ｂの回路図である。図９は、ガスセンサ１０Ｂの動作を説明するためのタイミング図である。図１０は、ガスセンサ１０Ｂにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。図１１は、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃの構造を透過的に示す略平面図である。図１２は、ガスセンサ１０Ｃの回路図である。図１３は、ガスセンサ１０Ｃにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。図１４は、第４の実施形態によるガスセンサ１０Ｄの構造を透過的に示す略平面図である。図１５は、ガスセンサ１０Ｄの回路図である。図１６は、ガスセンサ１０Ｄの動作を説明するためのタイミング図である。図１７は、ガスセンサ１０Ｄにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。図１８は、第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅの構造を透過的に示す略平面図である。図１９は、ガスセンサ１０Ｅの回路図である。図２０は、ガスセンサ１０Ｅの動作を説明するためのタイミング図である。図２１は、ガスセンサ１０Ｅにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。図２２は、第６の実施形態によるガスセンサ１０Ｆの構造を透過的に示す略平面図である。図２３は、ガスセンサ１０Ｆにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構造を透過的に示す略平面図である。また、図２は、ガスセンサ１０Ａをセラミックパッケージ２１に収容した状態を示す略断面図であり、図１に示すＡ－Ａ線に沿った断面に対応している。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、基板１１と、基板上１１上に形成されたヒータ抵抗ＭＨ及びサーミスタＲｄを備えている。本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、図２に示すセラミックパッケージ２１に収容して使用することができる。セラミックパッケージ２１は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド２２が設けられている。リッド２２は複数の通気口２３を有しており、これにより、雰囲気中の測定対象ガス（例えばＣＯ_２ガスやＣＯガス）がセラミックパッケージ２１内に流入可能とされている。本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、端子電極Ｅ１～Ｅ６に接続される外部回路をさらに備えている。外部回路の回路構成については後述する。

基板１１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く、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、ガラス基板などを用いることができる。基板１１には、ヒータ抵抗ＭＨによる熱が基板１１へ伝導するのを抑制するため、平面視でヒータ抵抗ＭＨと重なる位置にキャビティ１１ａが設けられている。キャビティ１１ａにより基板１１が取り除かれた部分は、メンブレンと呼ばれる。メンブレンを構成すれば、基板１１を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。

基板１１の下面及び上面には、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる絶縁膜１２，１３がそれぞれ形成されている。絶縁膜１２，１３として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。絶縁膜１２，１３の膜厚は、絶縁性が確保される限り特に限定されず、例えば０．１～１．０μｍ程度とすればよい。特に、絶縁膜１３は、基板１１にキャビティ１１ａを形成する際のエッチング停止層としても用いられるため、当該機能を果たすのに適した膜厚とすればよい。

ヒータ抵抗ＭＨは、絶縁膜１３上に形成される。ヒータ抵抗ＭＨの平面形状は図１に示す通りであり、一筆書き可能な１本のミアンダ状の導体パターンによって構成される。ヒータ抵抗ＭＨの一端及び他端は、基板１１に設けられた端子電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ接続される。また、ヒータ抵抗ＭＨの２つの内部ノードは、端子電極Ｅ３，Ｅ４にそれぞれ接続される。そして、ヒータ抵抗ＭＨのうち、端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間に接続された区間は第１の区間ＭＨ１を構成し、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ３の間に接続された区間、並びに、端子電極Ｅ２と端子電極Ｅ４の間に接続された区間は第２の区間ＭＨ２を構成する。

ヒータ抵抗ＭＨは、温度によって抵抗率が変化する導電性物質からなり、比較的高融点の材料からなる金属材料、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。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、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、絶縁膜１３との密着性を向上させるために、Ｐｔの下地にチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成することが好ましい。

ヒータ抵抗ＭＨの上部には、ヒータ保護膜１４が形成される。ヒータ保護膜１４の材料としては、絶縁膜１３と同じ材料を用いることが望ましい。ヒータ抵抗ＭＨは、常温から例えば１５０℃或いは３００℃にまで上昇し、再び常温へ下がるという激しい熱変化を繰り返し生じるため、絶縁膜１３及びヒータ保護膜１４にも強い熱ストレスがかかり、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。しかしながら、絶縁膜１３とヒータ保護膜１４を同じ材料によって構成すれば、両者の材料特性が同じであり、且つ、密着性が強固であることから、異種材料を用いた場合と比べて、層間剥離やクラックといった破壊が生じにくくなる。ヒータ保護膜１４の材料として酸化シリコンを用いる場合、熱酸化法やＣＶＤ法などの方法により成膜すればよい。ヒータ保護膜１４の膜厚は、サーミスタＲｄとの絶縁が確保される膜厚であれば特に限定されず、例えば０．１～３．０μｍ程度とすればよい。

ヒータ保護膜１４上には、サーミスタＲｄが設けられる。サーミスタＲｄは、サーミスタ膜３０及びこれに接する一対のサーミスタ電極３１，３２によって構成される。サーミスタ電極３１，３２の平面形状は図１に示す通りである。

サーミスタ膜３０は、例えば、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からなり、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。サーミスタ膜３０の膜厚は、目標とする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、０．２～１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタ膜３０を用いているのは、また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。また、薄膜構造であることから、ヒータ抵抗ＭＨの発熱を効率よく検出することも可能となる。

サーミスタ電極３１，３２は、サーミスタ膜３０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あって、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からなる。図１に示すように、サーミスタ電極３１，３２の一端はそれぞれ端子電極Ｅ５，Ｅ６に接続され、サーミスタ電極３１，３２の他端はいずれも開放されている。

サーミスタ電極３１，３２は、互いに平行な状態を保ったまま、サーミスタ膜３０上においてｙ方向に延在している。つまり、サーミスタ電極３１，３２のｘ方向における間隔はほぼ一定である。これにより、端子電極Ｅ５と端子電極Ｅ６の間の抵抗値は、温度によって変化することになる。本実施形態においては、いずれのサーミスタ電極３１，３２も、ヒータ抵抗ＭＨのｘ方向に延在する部分と重なりを有している。

サーミスタＲｄは、サーミスタ保護膜１５で覆われる。尚、サーミスタ膜３０と還元性を持つ材料を接触させて高温状態にすると、サーミスタ膜３０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。これを防止するためには、サーミスタ保護膜１５の材料としては、シリコン酸化膜等の還元性を持たない絶縁性酸化膜であることが望ましい。

端子電極Ｅ１～Ｅ６は、ボンディングワイヤ１６を介して、セラミックパッケージ２１に設けられたパッケージ電極１７に接続される。パッケージ電極１７は、セラミックパッケージ２１の裏面に設けられた外部端子１８を介して外部回路に接続される。

このように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、ヒータ抵抗ＭＨとサーミスタＲｄが基板１１上において積層された構成を有していることから、ヒータ抵抗ＭＨによって生じる熱がサーミスタＲｄに効率よく伝わる。

図３は、端子電極Ｅ１～Ｅ４に接続される外部回路の一部を示す回路図である。

図３に示すように、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間には定電圧源４２が接続され、端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間にはスイッチ回路ＳＷ１が接続される。かかる構成により、スイッチ回路ＳＷ１がオフしている期間は、第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２に同じ電流が流れる。これに対し、スイッチ回路ＳＷ１がオンしている期間は、第１の区間ＭＨ１がスイッチ回路ＳＷ１によってバイパスされるため、第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少する。

サーミスタ膜３０は、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１と重なる第１の領域３０ａと、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２と重なる第２の領域３０ｂを有している。このため、スイッチ回路ＳＷ１がオフしている期間は、サーミスタ膜３０の第１及び第２の領域３０ａ，３０ｂの両方が加熱されるのに対し、スイッチ回路ＳＷ１がオンしている期間は、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａはほとんど加熱されなくなる。尚、第１の領域３０ａは、第２の領域３０ｂによってｙ方向から挟まれている。ｙ方向とは、サーミスタ電極３１とサーミスタ電極３２が向かい合う方向（ｘ方向）と直交する方向である。図３に示すように、サーミスタ電極３１に対応する端子電極Ｅ５は接続ノードＮに接続され、サーミスタ電極３２に対応する端子電極Ｅ６にはグランド電位が与えられる。

図４は、本実施形態によるガスセンサ１０Ａの回路図である。

図４に示すように、接続ノードＮは基準抵抗４１を介して電源Ｖｃｃに接続される。接続ノードＮに現れる検知レベルＶｄｅｔは、検出回路であるコンパレータ４３に供給される。コンパレータ４３は検知レベルＶｄｅｔと参照レベルＶｒｅｆを比較し、その差分に基づいて出力信号Ｖｏｕｔを生成する。また、スイッチ回路ＳＷ１は、ヒータ制御回路４０によってオン／オフが切り替えられる。ヒータ制御回路４０は、定電圧源４２自体の活性／非活性を切り替えても構わない。

図５は、本実施形態によるガスセンサ１０Ａの動作を説明するためのタイミング図である。

図５に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、スイッチ回路ＳＷ１がオフする期間Ｔ１と、スイッチ回路ＳＷ１がオンする期間Ｔ２が交互に繰り返すよう動作する。スイッチ回路ＳＷ１がオフする期間Ｔ１は、ヒータ抵抗ＭＨの第１及び第２の区間ＭＨ１，ＭＨ２に同じ電流を流す第１の制御状態である。スイッチ回路ＳＷ１がオンする期間Ｔ２は、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少する第２の制御状態である。図５に示す例では、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定している。

図６は、本実施形態によるガスセンサ１０Ａにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）はスイッチ回路ＳＷ１がオフする期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）はスイッチ回路ＳＷ１がオンする期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図６（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図６（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図６（ａ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１がオフする期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１及び第２の区間ＭＨ１，ＭＨ２に同じ電流が流れることから、サーミスタ膜３０の第１及び第２の領域３０ａ，３０ｂの両方が加熱される。しかしながら、サーミスタ膜３０の面内温度分布は均一とはならず、中心部の温度が高く、周辺部の温度が低くなる。これは、サーミスタ膜３０の中心部は、周辺部に比べて熱が溜まりやすいからである。

一方、図６（ｂ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１がオンする期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少することから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａはほとんど加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

このため、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すことにより、熱が溜まりやすいサーミスタ膜３０の中心部の温度が低下し、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布がより均一化される。ｙ方向とは、サーミスタ電極３１とサーミスタ電極３２が向かい合う方向（ｘ方向）と直交する方向であることから、サーミスタ電極３１からサーミスタ電極３２に流れる電流の電流密度がより均一化される。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、期間Ｔ２においてスイッチ回路ＳＷ１をオンすることにより、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少することから、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すことによって、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布をより均一化することが可能となる。特に、図５に示すように期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定すれば、サーミスタ膜３０の中心部に熱が溜まりにくくなるため、温度分布がより均一化する。

尚、図５に示す動作では、期間Ｔ１と期間Ｔ２の間にインターバルが存在しないが、実際には、期間Ｔ１と期間Ｔ２の間にヒータ抵抗ＭＨを加熱しないインターバル期間を設けることによって、消費電力を削減することが好ましい。この場合、インターバル期間においては、ヒータ制御回路４０によって定電圧源４２を非活性すればよい。

＜第２の実施形態＞

図７及び図８は、それぞれ第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構造を透過的に示す略平面図及び回路図である。

図７に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ３の間、並びに、端子電極Ｅ２と端子電極Ｅ４の間にスイッチ回路ＳＷ２がさらに接続された構成を有している。スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２は、図８に示すヒータ制御回路４０によって排他的にオンする。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

かかる構成により、スイッチ回路ＳＷ１がオフ、スイッチ回路ＳＷ２がオンしている期間は、第２の区間ＭＨ２がスイッチ回路ＳＷ２によってバイパスされるため、第２の区間ＭＨ２に流れる電流が大幅に減少する。これに対し、スイッチ回路ＳＷ１がオン、スイッチ回路ＳＷ２がオフしている期間は、第１の区間ＭＨ１がスイッチ回路ＳＷ１によってバイパスされるため、第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少する。

図９は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂの動作を説明するためのタイミング図である。

図９に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、スイッチ回路ＳＷ１がオフし、スイッチ回路ＳＷ２がオンする期間Ｔ１と、スイッチ回路ＳＷ１がオンし、スイッチ回路ＳＷ２がオフする期間Ｔ２が交互に繰り返すよう動作する。上述の通り、期間Ｔ１においてはヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２に流れる電流が大幅に減少し、期間Ｔ２においてはヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少する。図９に示す例では、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定している。本実施形態においても、期間Ｔ１と期間Ｔ２の間にヒータ抵抗ＭＨを加熱しないインターバル期間を設けることによって、消費電力を削減することが好ましい。

図１０は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図１０（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図１０（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図１０（ａ）に示すように、期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２に流れる電流が大幅に減少することから、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂはほとんど加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が低下する。

一方、図１０（ｂ）に示すように、期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少することから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａはほとんど加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

このため、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すとともに、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定することにより、熱が溜まりやすいサーミスタ膜３０の中心部の温度が低下し、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布がより均一化される。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａと第２の領域３０ｂを交互に加熱することができることから、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すとともに、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定すれば、サーミスタ膜３０の中心部に熱が溜まりにくくなり、温度分布をより均一化しやすくなる。

＜第３の実施形態＞
図１１及び図１２は、それぞれ第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃの構造を透過的に示す略平面図及び回路図である。

図１１に示すように、本実施形態においては、ヒータ抵抗ＭＨがミアンダ状ではなく、第１の区間ＭＨ１がｘ方向及びｙ方向における中央部に位置し、第２の区間ＭＨ２が中央部を取り囲む外周部に位置する形状を有している。これに対応して、サーミスタ膜３０のうち、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１と重なる第１の領域３０ａは中央部に位置し、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２と重なる第２の領域３０ｂは外周部に位置している。つまり、第１の領域３０ａは第２の領域３０ｂによって囲まれている。

ヒータ抵抗ＭＨの一端及び他端は、端子電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ接続される。ここで、端子電極Ｅ１は第１の区間ＭＨ１側に位置し、端子電極Ｅ２は第２の区間ＭＨ２側に位置する。さらに、ヒータ抵抗ＭＨの中間点であり、第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２の境界に位置する部分は、端子電極Ｅ７に接続される。そして、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間に定電圧源４２が接続され、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ７の間にスイッチ回路ＳＷ１が接続される。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態によるガスセンサ１０Ｃの動作は、図５に示した第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの動作と同じである。したがって、スイッチ回路ＳＷ１がオフしている第１の期間は、第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２に同じ電流が流れる。これに対し、スイッチ回路ＳＷ１がオンしている第２の期間は、第１の区間ＭＨ１がスイッチ回路ＳＷ１によってバイパスされるため、第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少する。これにより、スイッチ回路ＳＷ１がオフしている第１の期間は、サーミスタ膜３０の全体が加熱されるのに対し、スイッチ回路ＳＷ１がオンしている第２の期間は、サーミスタ膜３０の外周部が加熱される一方、サーミスタ膜３０の中央部はほとんど加熱されなくなる。

図１３は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｃにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図１３（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図１３（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図１３（ａ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１がオフする期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１及び第２の区間ＭＨ１，ＭＨ２に同じ電流が流れることから、サーミスタ膜３０の第１及び第２の領域３０ａ，３０ｂの両方が加熱される。しかしながら、サーミスタ膜３０の面内温度分布は均一とはならず、中心部の温度が高く、周辺部の温度が低くなる。これは、サーミスタ膜３０の中心部は、周辺部に比べて熱が溜まりやすいからである。

一方、図１３（ｂ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１がオンする期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に流れる電流が大幅に減少することから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａはほとんど加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

このため、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すとともに、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定することにより、熱が溜まりやすいサーミスタ膜３０の中心部の温度が低下し、サーミスタ膜３０のｘ方向及びｙ方向における温度分布がより均一化される。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｃは、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１が中央部に位置し、第２の区間ＭＨ２が外周部に位置していることから、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布だけでなく、ｘ方向における温度分布についても均一化することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図１４及び図１５は、それぞれ第４の実施形態によるガスセンサ１０Ｄの構造を透過的に示す略平面図及び回路図である。

図１４に示すように、本実施形態においては、端子電極Ｅ７に定電圧源４２が接続され、スイッチ回路ＳＷ１を介して端子電極Ｅ１，Ｅ２のいずれか一方が接地される点において、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃと相違している。その他の基本的な構成は、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１６は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄの動作を説明するためのタイミング図である。

図１６に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、スイッチ回路ＳＷ１がノードａ側に接続される期間Ｔ１と、スイッチ回路ＳＷ１がノードｂ側に接続される期間Ｔ２が交互に繰り返すよう動作する。スイッチ回路ＳＷ１がノードａ側に接続される期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１に電流が流れる一方、第２の区間ＭＨ２には電流が流れない。逆に、スイッチ回路ＳＷ１がノードｂ側に接続される期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２に電流が流れる一方、第１の区間ＭＨ１には電流が流れない。

図１７は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図１７（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図１７（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図１７（ａ）に示すように、期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、第２の区間ＭＨ２には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が低下する。

一方、図１７（ｂ）に示すように、期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２にのみ電流が流れ、第１の区間ＭＨ１には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと同様、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａと第２の領域３０ｂを交互に加熱することができることから、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返すとともに、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定すれば、サーミスタ膜３０の中心部に熱が溜まりにくくなり、温度分布をより均一化しやすくなる。しかも、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃと同様、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１が中央部に位置し、第２の区間ＭＨ２が外周部に位置していることから、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布だけでなく、ｘ方向における温度分布も均一化することが可能となる。

＜第５の実施形態＞
図１８及び図１９は、それぞれ第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅの構造を透過的に示す略平面図及び回路図である。

図１８に示すように、本実施形態においては、ヒータ抵抗ＭＨが第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２に完全に分離されている。第１の区間ＭＨ１の一端は端子電極Ｅ３に接続され、第１の区間ＭＨ１の他端は端子電極Ｅ４に接続されている。また、第２の区間ＭＨ２の一端は端子電極Ｅ１に接続され、第２の区間ＭＨ２の他端は端子電極Ｅ２に接続されている。そして、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間に定電圧源４２とスイッチ回路ＳＷ１が直列に接続されているとともに、端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間に定電圧源４４とスイッチ回路ＳＷ２が直列に接続されている。スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２は、図１９に示すヒータ制御回路４０によって排他的にオンする。このため、定電圧源４２と定電圧源４４は共通であっても構わない。その他の基本的な構成は、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

かかる構成により、スイッチ回路ＳＷ１がオン、スイッチ回路ＳＷ２がオフしている期間は、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、第２の区間ＭＨ２には電流が流れない。逆に、スイッチ回路ＳＷ１がオフ、スイッチ回路ＳＷ２がオンしている期間は、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、第２の区間ＭＨ２には電流が流れない。

図２０は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｅの動作を説明するためのタイミング図である。

図２０に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｅは、スイッチ回路ＳＷ１がオンし、スイッチ回路ＳＷ２がオフする期間Ｔ１と、スイッチ回路ＳＷ１がオフし、スイッチ回路ＳＷ２がオンする期間Ｔ２が交互に繰り返すよう動作する。上述の通り、期間Ｔ１においてはヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、期間Ｔ２においてはヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２にのみ電流が流れる。図２０に示す例では、期間Ｔ１よりも期間Ｔ２を長く設定している。本実施形態においても、期間Ｔ１と期間Ｔ２の間に、スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２の両方がオフするインターバル期間を設けることによって、消費電力を削減することが好ましい。

図２１は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｅにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図２１（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図２１（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図２１（ａ）に示すように、期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、第２の区間ＭＨ２には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が低下する。

一方、図２１（ｂ）に示すように、期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２にのみ電流が流れ、第１の区間ＭＨ１には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｅは、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２を独立して制御できることから、より高精度な制御が可能となる。また、上記の例では、期間Ｔ１と期間Ｔ２を交互に繰り返しているが、必要に応じ、スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２の両方をオンさせる第３の期間を挿入しても構わない。

＜第６の実施形態＞
図２２は、第６の実施形態によるガスセンサ１０Ｆの構造を透過的に示す略平面図である。第６の実施形態によるガスセンサ１０Ｆの回路図は、図１９と同じである。

図２２に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｆは、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃと同様、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１が中央部に位置し、第２の区間ＭＨ２が外周部に位置している。また、第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅと同様、ヒータ抵抗ＭＨが第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２に完全に分離されている。第１の区間ＭＨ１の一端は端子電極Ｅ１に接続され、第１の区間ＭＨ１の他端は端子電極Ｅ９に接続されている。また、第２の区間ＭＨ２の一端は端子電極Ｅ２に接続され、第２の区間ＭＨ２の他端は端子電極Ｅ８に接続されている。

そして、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ９の間に定電圧源４２とスイッチ回路ＳＷ１が直列に接続されているとともに、端子電極Ｅ２と端子電極Ｅ８の間に定電圧源４４とスイッチ回路ＳＷ２が直列に接続されている。スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２は、図１９に示すヒータ制御回路４０によって排他的にオンする。このため、定電圧源４２と定電圧源４４は共通であっても構わない。その他の基本的な構成は、第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態によるガスセンサ１０Ｆの動作は、図２０に示した第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅの動作と同じである。したがって、期間Ｔ１においてはヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、期間Ｔ２においてはヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２にのみ電流が流れる。

図２３は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｆにおけるサーミスタ膜３０の面内温度分布を示す模式図であり、（ａ）は期間Ｔ１における面内温度分布を示し、（ｂ）は期間Ｔ２における面内温度分布を示している。尚、図２３（ａ）に示すグラフの破線は期間Ｔ２における面内温度分布を示し、図２３（ｂ）に示すグラフの破線は期間Ｔ１における面内温度分布を示している。

図２３（ａ）に示すように、期間Ｔ１においては、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１にのみ電流が流れ、第２の区間ＭＨ２には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が低下する。

一方、図２３（ｂ）に示すように、期間Ｔ２においては、ヒータ抵抗ＭＨの第２の区間ＭＨ２にのみ電流が流れ、第１の区間ＭＨ１には電流が流れないことから、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂは加熱される一方、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａは加熱されなくなる。これにより、サーミスタ膜３０の第２の領域３０ｂの温度が上昇し、サーミスタ膜３０の第１の領域３０ａの温度が低下する。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｆは、第５の実施形態によるガスセンサ１０Ｅと同様、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１と第２の区間ＭＨ２を独立して制御できることから、より高精度な制御が可能となる。しかも、しかも、本実施形態によるガスセンサ１０Ｆは、第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃと同様、ヒータ抵抗ＭＨの第１の区間ＭＨ１が中央部に位置し、第２の区間ＭＨ２が外周部に位置していることから、サーミスタ膜３０のｙ方向における温度分布だけでなく、ｘ方向における温度分布も均一化することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０Ａ～１０Ｆガスセンサ
１１基板
１１ａキャビティ
１２，１３絶縁膜
１４ヒータ保護膜
１５サーミスタ保護膜
１６ボンディングワイヤ
１７パッケージ電極
１８外部端子
２１セラミックパッケージ
２２リッド
２３通気口
３０サーミスタ膜
３０ａ第１の領域
３０ｂ第２の領域
３１，３２サーミスタ電極
４０ヒータ制御回路
４１基準抵抗
４２定電圧源
４３コンパレータ
４４定電圧源
Ｅ１端子電極
Ｅ１～Ｅ９端子電極
ＭＨヒータ抵抗
ＭＨ１第１の区間
ＭＨ２第２の区間
Ｎ接続ノード
Ｒｄサーミスタ
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ回路
ａ，ｂノード

Claims

サーミスタと、第１の端子電極と第２の端子電極の間に接続され、前記サーミスタを加熱するヒータ抵抗と、前記ヒータ抵抗を制御するヒータ制御回路と、前記サーミスタの抵抗値に基づいて出力信号を生成する検出回路とを備え、
前記サーミスタは、第１及び第２の領域を有し、
前記ヒータ抵抗は、前記第１の端子電極と前記第２の端子電極の間に位置し、それぞれ第３及び第４の端子電極に接続された第１及び第２の内部ノードと、前記３の端子電極と前記第４の端子電極の間に接続され、前記第１の領域を加熱する第１の区間と、前記第１の端子電極と前記第３の端子電極の間、並びに、前記第２の端子電極と前記第４の端子電極の間に接続され、前記第２の領域を加熱する第２の区間を含み、
前記ヒータ制御回路は、前記第３の端子電極と前記第４の端子電極の間に接続されたスイッチ回路を制御することにより、前記スイッチ回路がオフしている第１の期間においては少なくとも前記第１の区間に電流を供給し、前記スイッチ回路がオンしている第２の期間においては前記第２の区間に前記第１の区間よりも多くの電流を供給することを特徴とするガスセンサ。
前記ヒータ制御回路は、前記第１の期間においては前記第１の区間に前記第２の区間よりも多くの電流を供給することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記ヒータ制御回路は、前記第１の期間においては前記第２の区間に電流を供給することなく前記第１の区間に電流を供給し、前記第２の期間においては前記第１の区間に電流を供給することなく前記第２の区間に電流を供給することを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記サーミスタは、サーミスタ膜及びこれに接する一対のサーミスタ電極を含み、
前記第１の領域は、少なくとも第１の方向から前記第２の領域によって挟まれており、
前記一対のサーミスタ電極は、前記第１の方向と直交する第２の方向に向かい合うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
前記第１の領域は、前記第２の領域によって囲まれていることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
前記ヒータ制御回路は、前記第１の期間と前記第２の期間を交互に繰り返すことを特徴とする請求項４又は５に記載のガスセンサ。
前記第１の期間よりも前記第２の期間の方が長いことを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。