JP7351228B2

JP7351228B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP7351228B2
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Inventors: 裕松尾; 佳生海田
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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ガスセンサに関し、特に、測定時に感温抵抗素子を加熱するタイプの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などの感温抵抗素子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に記載されたガスセンサは、検知センサと補正センサを備えており、補正センサの出力値を参照することによって、検知センサの経時変化による測定誤差をキャンセルしている。これにより、検知センサを所定の温度に加熱した場合の抵抗値が経時変化によって初期状態からずれている場合であっても、このずれを考慮した演算を行うことによって、より正確なガス濃度を算出することが可能となる。

特開２０１５－２２７８２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサでは、感温抵抗素子を所定の温度に加熱した場合の抵抗値の経時変化については補正されるものの、感温抵抗素子の感度についての経時変化は考慮されていない。このため、経時変化によって感温抵抗素子の感度が初期状態からずれている場合には、検出誤差が生じるという問題があった。

したがって、本発明は、測定時に感温抵抗素子を加熱するタイプのガスセンサにおいて、経時変化による感温抵抗素子の感度誤差を校正することによって、より正確なガス濃度を算出することを目的とする。

本発明によるガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の感温抵抗素子と第１の感温抵抗素子を加熱する第１のヒータ抵抗を含むセンサ部と、センサ部から出力される検出電圧に基づいて、測定対象ガスの濃度を算出する信号処理回路とを備え、信号処理回路は、第１の感温抵抗素子を第１の温度に加熱した場合に得られる検出電圧のレベルと、第１の感温抵抗素子を第１の温度とは異なる第２の温度に加熱した場合に得られる検出電圧のレベルに基づいて、測定対象ガスの濃度を算出する際に用いる第１の感温抵抗素子の感度情報を校正することを特徴とする。

本発明によれば、第１の感温抵抗素子を２種類の温度に加熱し、それぞれの場合に得られる検出電圧のレベルに基づいて感度情報を校正していることから、第１の感温抵抗素子の感度が経時変化している場合であっても、より正確なガス濃度を算出することが可能となる。

本発明において、信号処理回路は、検出電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、デジタル値に基づいて演算を行うＭＰＵと、ＭＰＵから出力される指示値を第１のヒータ抵抗に印加するヒータ電圧に変換するヒータ電圧源とを含むものであっても構わない。これによれば、ＡＤコンバータ、ＭＰＵ及びヒータ電圧源を含めた制御ループ全体の経時変化をキャンセルすることが可能となる。

本発明において、センサ部は、第１の感温抵抗素子に対して直列に接続された第２の感温抵抗素子と、第２の感温抵抗素子を加熱する第２のヒータ抵抗をさらに含み、検出電圧は、第１の感温抵抗素子と第２の感温抵抗素子の接続点から出力されるものであっても構わない。これによれば、経時変化の影響をハードウェア的にキャンセルすることが可能となる。

本発明において、第１の感温抵抗素子はサーミスタであり、第１の感温抵抗素子を第１の温度に加熱した場合の抵抗値と、第１の感温抵抗素子を第２の温度に加熱した場合の抵抗値の差が１％以下であっても構わない。これによれば、より正確な感度校正を行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、経時変化による感温抵抗素子の感度誤差が校正されることから、より正確なガス濃度を算出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１の構成を示す回路図である。図２は、センサ部１０の構成を説明するための上面図である。図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。図４は、ガスセンサ１の動作を説明するためのフローチャートである。図５は、サーミスタＲｄ１の加熱温度と抵抗値の関係を説明するための模式的なグラフである。図６は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の構成を示す回路図である。図７は、センサ部１０Ａの構成を説明するための上面図である。図８は、図７に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

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。

図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１の構成を示す回路図である。

図１に示すように、第１の実施形態によるガスセンサ１は、センサ部１０と信号処理回路２０を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１は、雰囲気中におけるＣＯ_２ガスの濃度を検出するものである。

センサ部１０は、測定対象ガスであるＣＯ_２ガスの濃度を検出するための熱伝導式のセンサであり、センサ部Ｓ１，Ｓ３を有している。センサ部Ｓ１は、第１の感温抵抗素子であるサーミスタＲｄ１及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ１からなる。センサ部Ｓ３は、第３の感温抵抗素子であるサーミスタＲｄ３からなる。

図１に示すように、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｄ１は、定電圧電源２６とグランドとの間に直列に接続されている。同様に、抵抗Ｒ２とサーミスタＲｄ３は、定電圧電源２６とグランドとの間に直列に接続されている。サーミスタＲｄ１，Ｒｄ３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る。このうち、サーミスタＲｄ１はＣＯ_２ガスの濃度を検出するものであり、サーミスタＲｄ３は環境温度を検出するものである。

サーミスタＲｄ１は、ヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱される。ヒータ抵抗ＭＨ１によるサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば１５０℃である。サーミスタＲｄ１を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、サーミスタＲｄ１の抵抗値の変化となって現れる。このため、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｄ１の接続点に現れる検出電圧Ｖｇは、ＣＯ_２ガスの濃度によって変化する。一方、抵抗Ｒ２とサーミスタＲｄ３の接続点からは、センサ部Ｓ３の検出電圧Ｖｔが出力される。検出電圧Ｖｔは環境温度を示している。検出電圧Ｖｇ，Ｖｔは、いずれも信号処理回路２０に入力される。

信号処理回路２０は、第１インピーダンス変換部２１、第２インピーダンス変換部２２、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２３、ＭＰＵ２４、ヒータ電圧源２５及び定電圧電源２６を備えている。第１インピーダンス変換部２１は、検出電圧Ｖｇをインピーダンス変換してＡＤコンバータ２３に供給する回路であり、例えば差動アンプなどを用いることができる。第２インピーダンス変換部２２は、検出電圧Ｖｔをインピーダンス変換してＡＤコンバータ２３に供給する回路であり、例えばボルテージフォロアなどを用いることができる。

ＡＤコンバータ２３は、インピーダンス変換された検出電圧Ｖｇ，Ｖｔをデジタル値に変換し、その値をＭＰＵ２４に供給する。ＭＰＵ２４は、検出電圧Ｖｇのデジタル値に基づいて所定の演算を行い、これによって現在のＣＯ_２ガスの濃度を示す出力信号Ｖｏｕｔを算出する。かかる演算には、検出電圧Ｖｇを出力信号Ｖｏｕｔに変換するための変換式又は変換テーブルが用いられる。また、ＭＰＵ２４は、検出電圧Ｖｔのデジタル値に基づいて所定の演算を行い、これによってヒータ電圧源２５に指示値を与える。ヒータ電圧源２５は、指示値に基づいてヒータ抵抗ＭＨ１に印加する制御電圧Ｖｍｈ１を生成する。

ＭＰＵ２４は、測定動作時においては、環境温度に関わらずサーミスタＲｄ１が所定の温度（例えば１５０℃）に加熱されるよう、指示値を算出する。一方、ＭＰＵ２４は、キャリブレーション動作時においては、サーミスタＲｄ１が２種類の温度に加熱されるよう、指示値を算出する。キャリブレーション動作の詳細については後述する。

図２は、センサ部１０の構成を説明するための上面図である。また、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。尚、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、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。

センサ部１０は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のセンサであり、図２及び図３に示すように、２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ３と、これらセンサ部Ｓ１，Ｓ３を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。

セラミックパッケージ５１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５２が設けられている。リッド５２は複数の通気口５３を有しており、これにより、雰囲気中のＣＯ_２ガスがセラミックパッケージ５１内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図２においてはリッド５２が省略されている。

特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板６１上に２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ３が集積されている。基板６１には、２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ３にそれぞれ対応する２つのキャビティ６１ａ，６１ｃが形成されている。

基板６１の裏面には絶縁膜６２が設けられている。また、基板６１の上面には、絶縁膜６３と、絶縁膜６３上に設けられたヒータ抵抗ＭＨ１と、ヒータ抵抗ＭＨ１を覆うヒータ保護膜６４と、キャビティ６１ａ，６１ｃと重なる位置においてそれぞれヒータ保護膜６４上に設けられたサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，６５と、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，６５を覆うサーミスタ保護膜６６とが設けられている。

基板６１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。絶縁膜６２，６３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。ヒータ抵抗ＭＨ１は、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。サーミスタＲｄ１，Ｒｄ３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からなる。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタを用いているのは、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。ヒータ保護膜６４の材料としては、絶縁膜６３と同じ材料を用いることができる。

サーミスタ電極３５，６５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極３５間にサーミスタＲｄ１が設けられ、一対のサーミスタ電極６５間にサーミスタＲｄ３が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５，６５間における抵抗値は、それぞれサーミスタＲｄ１，Ｒｄ３の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５，６５の材料としては、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。

図２に示すように、ヒータ抵抗ＭＨ１の両端は電極パッド３７ａ，３７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極３５の両端は電極パッド３７ｃ，３７ｄにそれぞれ接続され、サーミスタ電極６５の両端は電極パッド６７ａ，６７ｂにそれぞれ接続される。これらの電極パッドは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。パッケージ電極５４は、セラミックパッケージ５１の裏面に設けられた外部端子５６を介して、図１に示す信号処理回路２０に接続される。

以上が本実施形態によるガスセンサ１の構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ１の動作について説明する。

本実施形態によるガスセンサ１は、ＣＯ_２ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、ＣＯ_２ガスの濃度によるサーミスタＲｄ１の放熱特性の変化を検出電圧Ｖｇとして取り出す。本実施形態によるガスセンサ１は、環境温度が変化しても、サーミスタＲｄ１の加熱温度が一定となるよう、検出電圧Ｖｔに基づいて制御電圧Ｖｍｈ１のレベルが調整される。さらに、本実施形態によるガスセンサ１は、出力信号Ｖｏｕｔの算出において、サーミスタＲｄ１の経時変化による感度誤差がキャンセルされるよう、検出電圧Ｖｇに基づいて出力信号Ｖｏｕｔを算出する際に用いる感度情報、つまり、変換式や変換テーブルをキャリブレーション動作によって校正する。

図４は、本実施形態によるガスセンサ１の動作を説明するためのフローチャートである。

ガスセンサ１の動作においては、まずキャリブレーション動作が行われる（ステップＳ１０）。キャリブレーション動作は、環境温度や測定対象ガスの濃度が安定した状態で、サーミスタＲｄ１を２種類の温度に加熱し、それぞれの場合に得られる検出電圧Ｖｇに基づいてサーミスタＲｄ１の感度情報を算出する動作である。キャリブレーション動作は、ガスセンサ１の起動時に実行する他、起動後においても一定期間ごとに実行しても構わない。

キャリブレーション動作においては、まず、制御電圧Ｖｍｈ１を第１のレベル（Ｖ１）に設定することによって、サーミスタＲｄ１を第１の温度（Ｔ１）に加熱する（ステップＳ１１）。そして、この状態で得られる検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ１）を記録する（ステップＳ１２）。次に、制御電圧Ｖｍｈ１を第２のレベル（Ｖ２）に設定することによって、サーミスタＲｄ１を第２の温度（Ｔ２）に加熱する（ステップＳ１３）。そして、この状態で得られる検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ２）を記録する（ステップＳ１４）。Ｖ１とＶ２の差は、サーミスタＲｄ１が第１の温度（Ｔ１）に加熱された場合の抵抗値（ｒ１）と、サーミスタＲｄ１が第２の温度（Ｔ２）に加熱された場合の抵抗値（ｒ２）の差（ｒ１－ｒ２）が１％以下となるよう、つまり、（ｒ１－ｒ２）／ｒ１≦１％となるよう調整することが好ましい。これは、サーミスタＲｄ１の抵抗値は温度に対して直線的ではなく曲線的に変化するため、抵抗値の差（ｒ１－ｒ２）を小さく設定することによって、直線近似するためである。一例として、第１の温度（Ｔ１）を１５０．０℃とし、第２の温度（Ｔ２）を１５０．１℃又は１４９．９℃とすることができる。

そして、ステップＳ１２で記録した検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ１）と、ステップＳ１４で記録した検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ２）に基づいて感度情報を算出し、更新する。ここで、第１の温度（Ｔ１）が測定動作時における加熱温度であり、第２の温度（Ｔ２）が測定動作時における加熱温度から僅かにずれた温度であるとすれば、サーミスタＲｄ１を第１の温度（Ｔ１）に加熱した状態で得られる検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ１）は、測定対象ガスの濃度が基準値である場合に得られる値に相当し、サーミスタＲｄ１を第２の温度（Ｔ２）に加熱した状態で得られる検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ２）は、測定対象ガスの濃度が基準値とは異なる濃度である場合に得られる値に相当する。つまり、ステップＳ１３，Ｓ１４は、ガス検出を行っている状態を擬似的に再現する動作と言える。

一例として、ステップＳ１１，Ｓ１２はＣＯ_２ガスの濃度が大気中と同じ４００ｐｐｍである場合のガス検出動作を再現し、ステップＳ１３，Ｓ１４はＣＯ_２ガスの濃度が大気中より高い例えば１００００ｐｐｍである場合のガス検出動作を再現しても構わない。この場合、ＣＯ_２ガスの濃度が４００ｐｐｍである場合の検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ１）と、ＣＯ_２ガスの濃度が１００００ｐｐｍである場合の検出電圧Ｖｇのレベル（Ｖｇ２）から、サーミスタＲｄ１の感度を算出することができる。

図５は、サーミスタＲｄ１の加熱温度と抵抗値の関係を説明するための模式的なグラフである。

図５に示す特性Ａは、初期状態におけるサーミスタＲｄ１の特性を示しており、加熱温度が高くなるほど抵抗値が低下する。そして、測定雰囲気中に存在するＣＯ_２ガスの濃度が高くなるほど放熱性が低下することから、サーミスタＲｄ１がより高温となり、これによって抵抗値が低下する。かかる抵抗値の変化は、検出電圧Ｖｇとして現れる。特性Ａにおいては、サーミスタＲｄ１を第１の温度（Ｔ１）に加熱した場合の抵抗値は（ｒ１）であり、これに対応する検出電圧Ｖｇは（Ｖｇ１）である。一方、サーミスタＲｄ１を第２の温度（Ｔ２）に加熱した場合の抵抗値は（ｒ２Ａ）であり、これに対応する検出電圧Ｖｇは（Ｖｇ２Ａ）である。したがって、ＭＰＵ２４は、Ｖｇ１－Ｖｇ２Ａを算出することにより、サーミスタＲｄ１の感度、つまり、特性Ａの傾きを特定することができる。

図５に示す特性Ｂは、経時変化した状態におけるサーミスタＲｄ１の特性を示している。特性Ｂにおいては、サーミスタＲｄ１を第１の温度（Ｔ１）に加熱した場合の抵抗値は（ｒ１）であり、これに対応する検出電圧Ｖｇは（Ｖｇ１）である。一方、サーミスタＲｄ１を第２の温度（Ｔ２）に加熱した場合の抵抗値は（ｒ２Ｂ）であり、これに対応する検出電圧Ｖｇは（Ｖｇ２Ｂ）である。したがって、ＭＰＵ２４は、Ｖｇ１－Ｖｇ２Ｂを算出することにより、サーミスタＲｄ１の感度、つまり、特性Ｂの傾きを特定することができる。

図５に示す例では、経時変化によってサーミスタＲｄ１の感度が低下しているが、上述したキャリブレーション動作を行うことにより、サーミスタＲｄ１の現在の感度を特定することが可能となる。

一連のキャリブレーション動作（ステップＳ１０）が完了した後、実際に測定対象ガスの濃度を測定する測定動作を行う（ステップＳ２０）。測定動作は、所定期間ごとに間欠的に行っても構わない。測定動作においては、制御電圧Ｖｍｈ１を第１のレベル（Ｖ１）に設定することによって、サーミスタＲｄ１を第１の温度（Ｔ１）に加熱する（ステップＳ２１）。そして、この状態で得られる検出電圧Ｖｇのレベルから出力信号Ｖｏｕｔを算出するとともに、測定回数のカウントを行う（ステップＳ２２）。出力信号Ｖｏｕｔの算出においては、キャリブレーション動作によって得られた感度情報、つまり変換式又は変換テーブルを用いる。かかる動作は、測定動作を終了するまで繰り返し実行する（ステップＳ２３，Ｓ２４）。

そして、カウント値があらかじめ設定された規定値に達した場合、カウント値をリセットした後（ステップＳ２５）、キャリブレーション動作（ステップＳ１０）に戻る。これにより、測定動作を所定回数行うたびにキャリブレーション動作が実行されることから、経時変化による感度誤差を考慮した測定動作を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１は、サーミスタＲｄ１の経時変化による感度誤差がキャリブレーション動作によって校正されることから、より正確なガス濃度の測定が可能となる。しかも、キャリブレーション動作時においては、ヒータ電圧源２５から出力される制御電圧Ｖｍｈ１を２種類にレベルに設定していることから、第１インピーダンス変換部２１、ＡＤコンバータ２３、ＭＰＵ２４及びヒータ電圧源２５を含めた制御ループ全体の経時変化がキャンセルされる。

図６は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の構成を示す回路図である。

図６に示すように、第２の実施形態によるガスセンサ２は、図１に示したセンサ部１０がセンサ部１０Ａに置き換えられている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１と相違している。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１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。

センサ部１０Ａは、図１に示した抵抗Ｒ１がセンサ部Ｓ２に置き換えられている点において、図１に示したセンサ部１０と相違している。センサ部Ｓ２は、第２の感温抵抗素子であるサーミスタＲｄ２及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ２からなる。ヒータ抵抗ＭＨ２によるサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３００℃である。この場合、サーミスタＲｄ２を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。これは、３００℃の温度環境下では、ＣＯ_２ガスの熱伝導率と空気の熱伝導率にほとんど差がないからである。サーミスタＲｄ２とサーミスタＲｄ１は直列に接続されており、その接続点から検出電圧Ｖｇが出力される。

図７は、センサ部１０Ａの構成を説明するための上面図である。また、図８は、図７に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。尚、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、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。

図７及び図８に示すように、センサ部１０Ａは、図２及び図３に示したセンサ部１０にセンサ部Ｓ２が追加された構成を有している。図７及び図８に示す例では、センサ部Ｓ１とセンサ部Ｓ２の間にセンサ部Ｓ３が配置されている。

特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板６１上に３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３が集積されている。基板６１には、３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３にそれぞれ対応する３つのキャビティ６１ａ～６１ｃが形成されている。

基板６１の上面には、絶縁膜６３と、絶縁膜６３上に設けられたヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２と、ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２を覆うヒータ保護膜６４と、キャビティ６１ａ～６１ｃと重なる位置においてそれぞれヒータ保護膜６４上に設けられたサーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５と、サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５を覆うサーミスタ保護膜６６とが設けられている。

サーミスタ電極４５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極４５間にサーミスタＲｄ２が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極４５間における抵抗値は、サーミスタＲｄ２の抵抗値によって決まる。図７に示すように、ヒータ抵抗ＭＨ２の両端は電極パッド４７ａ，４７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極４５の両端は電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続される。

以上が本実施形態によるガスセンサ２の構成である。本実施形態によるガスセンサ２は、環境温度が変化しても、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度がそれぞれ一定となるよう、検出電圧Ｖｔに基づいて制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルが調整される。さらに、本実施形態によるガスセンサ２は、出力信号Ｖｏｕｔの算出において、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の経時変化による感度誤差がキャンセルされるよう、検出電圧Ｖｇに基づいて出力信号Ｖｏｕｔを算出する際に用いる感度情報をキャリブレーション動作によって校正する。

本実施形態によるガスセンサ２の基本的な動作は、第１の実施形態によるガスセンサ１の動作と同じである。まず、測定動作時においては、センサ部Ｓ１に含まれるサーミスタＲｄ１と、センサ部Ｓ２に含まれるサーミスタＲｄ２を互いに異なる温度に加熱する。例えば、サーミスタＲｄ１を１５０℃に加熱し、サーミスタＲｄ２を３００℃に加熱する。これにより、サーミスタＲｄ１の抵抗値はＣＯ_２ガスの濃度に応じて変化する一方、サーミスタＲｄ２の抵抗値はＣＯ_２ガスの濃度に関わらずほとんど変化しないことから、両者の接続点に現れる検出電圧Ｖｇのレベルは、雰囲気中のＣＯ_２ガスの濃度を示すことになる。このように、本実施形態においては、抵抗Ｒ１の代わりにサーミスタＲｄ２を用いていることから、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を所定の温度に加熱した場合の抵抗値の経時変化をハードウェア的にキャンセルすることができる。

さらに、キャリブレーション動作時においては、環境温度や測定対象ガスの濃度が安定した状態で、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２をそれぞれ２種類の温度に加熱し、それぞれの場合に得られる検出電圧Ｖｇに基づいてサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の感度情報を算出する。これにより、サーミスタＲｄ１の経時変化による感度誤差だけではなく、サーミスタＲｄ２の経時変化による感度誤差についても校正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。

例えば、上記実施形態は、ＣＯ_２ガスを検出するための熱伝導式のガスセンサを例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、ＣＯガスなどの可燃性ガスを検出するための接触燃焼式のガスセンサに応用することも可能である。この場合、サーミスタＲｄ１の表面に可燃性ガスの燃焼を促進する触媒を設ければ良い。

また、上記実施形態においては感温抵抗素子としてサーミスタを用いているが、サーミスタ以外の感温抵抗素子を用いても構わない。

１，２ガスセンサ
１０，１０Ａセンサ部
２０信号処理回路
２１第１インピーダンス変換部
２２第２インピーダンス変換部
２３ＡＤコンバータ
２４ＭＰＵ
２５ヒータ電圧源
２６定電圧電源
３５，４５，６５サーミスタ電極
３７ａ～３７ｄ，４７ａ～４７ｄ，６７ａ，６７ｂ電極パッド
５１セラミックパッケージ
５２リッド
５３通気口
５４パッケージ電極
５５ボンディングワイヤ
５６外部端子
６１基板
６１ａ～６１ｃキャビティ
６２，６３絶縁膜
６４ヒータ保護膜
６６サーミスタ保護膜
ＭＨ１，ＭＨ２ヒータ抵抗
Ｒ１，Ｒ２抵抗
Ｒｄ１～Ｒｄ３サーミスタ
Ｓ１～Ｓ３センサ部
Ｖｇ，Ｖｔ検出電圧
Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２制御電圧
Ｖｏｕｔ出力信号

Claims

測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の感温抵抗素子と、前記第１の感温抵抗素子を加熱する第１のヒータ抵抗を含むセンサ部と、
前記センサ部から出力される検出電圧に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を算出する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路は、前記第１の感温抵抗素子を第１の温度に加熱した場合に得られる前記検出電圧のレベルと、前記第１の感温抵抗素子を前記第１の温度とは異なる第２の温度に加熱した場合に得られる前記検出電圧のレベルに基づいて、前記測定対象ガスの濃度を算出する際に用いる前記第１の感温抵抗素子の感度情報を校正することを特徴とするガスセンサ。
前記信号処理回路は、前記検出電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、前記デジタル値に基づいて演算を行うＭＰＵと、前記ＭＰＵから出力される指示値を前記第１のヒータ抵抗に印加するヒータ電圧に変換するヒータ電圧源とを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記センサ部は、前記第１の感温抵抗素子に対して直列に接続された第２の感温抵抗素子と、前記第２の感温抵抗素子を加熱する第２のヒータ抵抗をさらに含み、
前記検出電圧は、前記第１の感温抵抗素子と前記第２の感温抵抗素子の接続点から出力されることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１の感温抵抗素子はサーミスタであり、
前記第１の感温抵抗素子を前記第１の温度に加熱した場合の第１の抵抗値と、前記第１の感温抵抗素子を前記第２の温度に加熱した場合の第２の抵抗値の差が、前記第１の抵抗値の１％以下である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。