JP7456404B2 - Thermal sensors and measurement methods using thermal sensors - Google Patents

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本発明は、熱式センサ、及び熱式センサを用いた計測方法に関する。 The present invention relates to a thermal sensor and a measurement method using the thermal sensor.

従来、経時変化が少なく、耐汚損性が高く、温度サイクルによって生じる熱応力を緩和した熱式ガスセンサが提案されていた。該熱式ガスセンサとしては、発熱体(5)と、発熱体を加熱制御する加熱制御手段(12)と、を有し、加熱制御手段は、発熱体を第1の温度に加熱制御する期間と、発熱体を第1の温度よりも低い第2の温度に加熱制御する期間とを設けて発熱体を加熱制御し、発熱体が第1の温度に加熱される期間よりも第2の温度に加熱される期間を長く設定するものが公知である(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a thermal gas sensor has been proposed that changes little over time, is highly resistant to contamination, and alleviates thermal stress caused by temperature cycles. A known thermal gas sensor has a heating element (5) and a heating control means (12) that controls the heating of the heating element, and the heating control means controls the heating of the heating element by setting a period during which the heating element is heated to a first temperature and a period during which the heating element is heated to a second temperature lower than the first temperature, and sets the period during which the heating element is heated to the second temperature longer than the period during which the heating element is heated to the first temperature (see, for example, Patent Document 1).

上記の熱式ガスセンサは、例えば、窒素雰囲気ガス中の酸素濃度を測定する等、微弱な物性値の違いを検知するものである。また、上記の発明においては、ヒータから生じた熱は、ヒータの周辺における流体のみならず、ヒータ及びヒータに接続された配線を伝導する。従って、例えば、ヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率の経時変化という微細な物理量の変化が、流体の熱伝導率に係る測定結果に影響を及ぼす虞があった。このような原因で、測定装置としての精度が低下する場合があった。 The above-mentioned thermal gas sensor detects slight differences in physical property values, such as by measuring oxygen concentration in nitrogen atmosphere gas, for example. Further, in the above invention, the heat generated from the heater is conducted not only through the fluid around the heater but also through the heater and the wiring connected to the heater. Therefore, for example, a minute change in physical quantity such as a change over time in the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater may affect the measurement results regarding the thermal conductivity of the fluid. Due to such causes, the accuracy of the measuring device may be reduced.

特開2014-089048号公報JP2014-089048A

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、流体の成分を測定する際に、ヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率の経時変化によるノイズの影響を除去し、測定装置としての測定精度の低下を抑制できる熱式センサを提供することを最終的な目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to eliminate the influence of noise caused by changes over time in the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater when measuring the components of a fluid. The final objective of the present invention is to provide a thermal sensor capable of suppressing a decrease in measurement accuracy as a measuring device.

上記の課題を解決するための本発明は、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記薄膜部に配置され、電源からの電力供給により発熱するヒータと、
前記薄膜部に配置され、前記ヒータまたは前記ヒータの周辺の温度を検出する温度検出器と、
前記ヒータへの供給電力を制御する制御部と、
前記ヒータへの電力供給時における、前記供給電力の値と、前記温度検出器により取得された温度上昇の値とに基づいて、雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する演算部と、
を備える熱式センサであって、
前記制御部は、前記ヒータへの供給電力を変化させ、
前記演算部は、前記供給電力の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率をさらに算出することを特徴とする、熱式センサである。
The present invention for solving the above problems is as follows:
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a heater disposed in the thin film portion and generating heat when supplied with power from a power source;
a temperature detector disposed in the thin film portion and detecting the temperature of the heater or the surroundings of the heater;
a control unit that controls power supplied to the heater;
a calculation unit that calculates a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas based on the value of the supplied power and the value of the temperature rise acquired by the temperature detector when power is supplied to the heater;
A thermal sensor comprising:
The control unit changes power supplied to the heater,
The thermal sensor is characterized in that the calculation unit further calculates an amount of change or a rate of change in a value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the change in the supplied power.

ここで、発明者らの鋭意研究により、ヒータへの供給電力の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率は、ヒータ及びヒータに接続された配線の
熱伝導率の経時変化の影響を受けづらいことがわかってきた。従って、本発明では、演算部がヒータへの供給電力の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を算出し、この値をもって、雰囲気ガスの組成の評価をすることとした。本発明によれば、雰囲気ガスの熱伝導率の測定値に含まれる、ヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率の経時変化によるノイズの影響を除去することができ、その結果、雰囲気ガスのガス組成の測定精度が低下することを抑制できる。また、雰囲気ガスの熱伝導率測定値がヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率経時変化により変化した後でも、雰囲気ガス組成の測定精度がほとんど低下しないため、測定装置として長寿命化を図ることができる。
Here, through intensive research by the inventors, the amount of change or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the change in the power supplied to the heater is the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater. It has become clear that this is not easily affected by changes over time. Therefore, in the present invention, the calculation unit calculates the amount of change or the rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the change in the power supplied to the heater, and uses this value to evaluate the composition of the atmospheric gas. I decided to do so. According to the present invention, it is possible to remove the influence of noise caused by temporal changes in the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater, which is included in the measured value of the thermal conductivity of the atmospheric gas. It is possible to suppress a decrease in the measurement accuracy of the gas composition. In addition, even after the measured value of the thermal conductivity of the atmospheric gas changes due to changes in the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater over time, the measurement accuracy of the atmospheric gas composition hardly decreases, making it possible to extend the life of the measuring device. can be achieved.

また、本発明においては、前記制御部は、前記ヒータへの供給電力を2段階に変化させ、前記演算部は、前記供給電力の2段階の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を算出することを特徴とする、熱式センサとしてもよい。ヒータは配線を通じて電源に接続されており、ヒータに電力供給することによって発生した熱は、ヒータ及びヒータに接続された配線を伝導する。このときの配線の熱伝導率は経時変化し、この経時変化が測定精度の低下の要因となりうるが、供給電力の2段階の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率はほとんど経時変化しない。従って、雰囲気ガスのガス組成の測定精度が低下することを抑制できる。 Further, in the present invention, the control unit changes the power supplied to the heater in two stages, and the calculation unit calculates a value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the two-stage change in the power supply. It may also be a thermal sensor, which is characterized by calculating the amount or rate of change in . The heater is connected to a power source through wiring, and heat generated by supplying power to the heater is conducted through the heater and the wiring connected to the heater. The thermal conductivity of the wiring at this time changes over time, and this change over time can be a factor in reducing measurement accuracy. The rate of change hardly changes over time. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the measurement accuracy of the gas composition of the atmospheric gas.

また、本発明においては、前記制御部は、前記ヒータへの供給電力をパルス状またはサイン波状に変化させることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、供給電力の2段階の変化前後における熱伝導率を取得するためにヒータから生じる熱を昇温する際に、その昇温の態様を調整することができる。ヒータへの供給電力をパルス状に変化させた場合は、急峻に昇温するため、目的とする温度に比較的速く到達する。ヒータへの供給電力をサイン波状に変化させた場合は、緩やかに昇温するため、目的とする温度に比較的精度良く到達する。 Further, in the present invention, the control section may be a thermal sensor that changes the power supplied to the heater in a pulsed or sinusoidal manner. According to this, when increasing the temperature of the heat generated from the heater in order to obtain the thermal conductivity before and after the two-step change in the supplied power, the mode of temperature increase can be adjusted. When the power supplied to the heater is changed in a pulsed manner, the temperature rises rapidly and the target temperature is reached relatively quickly. When the power supplied to the heater is changed in a sinusoidal manner, the temperature rises slowly, so that the target temperature can be reached with relatively high accuracy.

また、本発明においては、前記温度検出器は、前記薄膜部において、一対が前記ヒータを挟んで対向するように配置された二つ以上のサーモパイルを有することを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、ヒータの周囲における温度をより精度良く検出することができる。 In the present invention, the temperature detector may be a thermal sensor having two or more thermopiles arranged in the thin film portion so that a pair of thermopiles face each other across the heater. This allows the temperature around the heater to be detected more accurately.

また、本発明においては、上記の特徴を持つ熱式センサと、前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率に基づいて、前記雰囲気ガスの組成を算出する第二演算部をさらに備えることを特徴とする、ガスセンサとしてもよい。ここで、上記の熱式センサで測定される熱伝導率に対応する値の変化量または変化率は、雰囲気ガスの組成に応じて変化する。よって、雰囲気ガスを構成するガスの種類を予め特定すれば、上記の熱式センサによって雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を測定することで、雰囲気ガスの組成を算出することが可能である。雰囲気ガスの算出に際して、上記のガスセンサは、熱式センサで測定される熱伝導率に対応する値の変化量または変化率から、所定の数式に従った演算をすることで雰囲気ガスの組成を算出してもよい。あるいは、予め記憶されたテーブルから、熱式センサで測定される熱伝導率に対応する値の変化量または変化率に対応する、雰囲気ガスの組成を読み出すことで算出してもよい。なお、例えば窒素雰囲気ガス中における酸素濃度を測定する際に、アルゴンが混入すると窒素雰囲気ガスの熱伝導率に大きく誤差が生じるが、窒素雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値の変化量または変化率は、アルゴンが混入してもほとんど誤差が生じない。そのため、本発明のガスセンサによって、酸素濃度の測定精度を向上することができる。 Further, the present invention further includes a thermal sensor having the above characteristics, and a second calculation unit that calculates the composition of the atmospheric gas based on the amount of change or rate of change of the value corresponding to the thermal conductivity. It may also be used as a gas sensor. Here, the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity measured by the above-mentioned thermal sensor changes depending on the composition of the atmospheric gas. Therefore, if the type of gas that makes up the atmospheric gas is specified in advance, the composition of the atmospheric gas can be calculated by measuring the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas using the thermal sensor described above. It is possible to do so. When calculating the atmospheric gas, the above gas sensor calculates the composition of the atmospheric gas by calculating the amount or rate of change of the value corresponding to the thermal conductivity measured by the thermal sensor according to a predetermined formula. You may. Alternatively, it may be calculated by reading out from a pre-stored table the composition of the atmospheric gas that corresponds to the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity measured by the thermal sensor. For example, when measuring the oxygen concentration in a nitrogen atmosphere gas, if argon is mixed in, there will be a large error in the thermal conductivity of the nitrogen atmosphere gas, but the amount of change or change in the value corresponding to the thermal conductivity of the nitrogen atmosphere gas There is almost no error in the ratio even if argon is mixed in. Therefore, the gas sensor of the present invention can improve the measurement accuracy of oxygen concentration.

また、本発明においては、ヒータに電力供給して加熱するとともに、加熱時における雰囲気ガスの温度上昇を測定することにより、前記雰囲気ガスの特性を計測する計測方法で
あって、前記ヒータへの供給電力を変化させる供給電力変化工程と、前記ヒータへの供給電力の変化の前後において、温度上昇の値を測定する測定工程と、前記ヒータへの供給電力の変化の前後における、前記供給電力の値と、前記温度上昇の値とに基づいて、前記ヒータへの供給電力の変化の前後における前記雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する演算工程と、前記供給電力の変化による前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を算出する、第二演算工程と、を有することを特徴とする、計測方法としてもよい。
The present invention also provides a measurement method for measuring the characteristics of the atmospheric gas by supplying power to the heater to heat it and measuring the temperature rise of the atmospheric gas during heating, the method comprising: a supply power changing step of changing the power; a measurement step of measuring the value of temperature rise before and after the change in the power supply to the heater; and a value of the supply power before and after the change in the power supply to the heater. and a calculation step of calculating a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas before and after the change in the power supplied to the heater, based on the value of the temperature rise, and the thermal conductivity due to the change in the power supply. The measuring method may include a second calculation step of calculating an amount of change or a rate of change in a value corresponding to the rate.

本発明によれば、雰囲気ガスの熱伝導率の測定を繰り返し実施した場合においても、その測定精度の低下を抑制することができる。測定精度の水準を一定に保ちつつ雰囲気ガスの成分の測定が可能な方法であるため、測定装置として長寿命化を図ることができる。 According to the present invention, even when the thermal conductivity of an atmospheric gas is repeatedly measured, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy. Since this method is capable of measuring the components of the atmospheric gas while maintaining a constant level of measurement accuracy, it is possible to extend the life of the measuring device.

また、本発明においては、前記供給電力変化工程においては、前記ヒータへの供給電力を2段階に変化させることを特徴とする、計測方法としてもよい。これによれば、ヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率が経時変化しても、供給電力の2段階の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率はほとんど経時変化しないので、雰囲気ガスのガス組成の測定精度が低下することを抑制できる。 Further, in the present invention, the measurement method may be characterized in that in the supply power changing step, the power supply to the heater is changed in two stages. According to this, even if the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater changes over time, the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the two-step change in supplied power is Since there is almost no change over time, it is possible to suppress a decrease in the measurement accuracy of the gas composition of the atmospheric gas.

また、本発明においては、前記供給電力変化工程においては、前記ヒータへの供給電力をパルス状またはサイン波状に変化させることを特徴とする、計測方法としてもよい。これによれば、供給電力によってヒータから生じる熱を昇温する際に、その昇温の態様を調整することができる。 Further, in the present invention, the measurement method may be characterized in that in the supply power changing step, the power supplied to the heater is changed in a pulse shape or a sine wave shape. According to this, when increasing the temperature of the heat generated from the heater by the supplied power, the mode of temperature increase can be adjusted.

また、本発明においては、前記供給電力の変化による前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率に基づいて、前記雰囲気ガスの組成を算出するガス組成算出工程を、さらに有することを特徴とする、計測方法としてもよい。これによれば、例えば窒素雰囲気ガス中における酸素濃度を測定する際に、アルゴンが混入してもその影響をほとんど受けない。そのため、酸素濃度の測定精度を向上することができる。結果的に、熱伝導率の値がほとんど等しい窒素と酸素の識別が容易になる。 The present invention may also be a measurement method characterized by further comprising a gas composition calculation step of calculating the composition of the atmospheric gas based on the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity due to the change in the supplied power. With this, for example, when measuring the oxygen concentration in a nitrogen atmospheric gas, even if argon is mixed in, it is hardly affected. Therefore, the measurement accuracy of the oxygen concentration can be improved. As a result, it becomes easier to distinguish between nitrogen and oxygen, which have almost the same thermal conductivity values.

なお、上記の課題を解決するための手段は、可能な限り互いに組み合わせて用いることができる。 The means for solving the above problems can be used in combination with each other whenever possible.

本発明によれば、熱式センサを用いて流体の成分を測定する際に、ヒータ及びヒータに接続された配線の熱伝導率の経時変化によるノイズの影響を除去することができる。その結果、測定の対象である流体の熱伝導率についてより正確なパラメータが得られ、その流体の熱伝導率のパラメータから流体のガス組成(濃度比)を測定できる。すなわち、本発明における熱式センサの測定装置としての測定精度の低下を抑制できる。 According to the present invention, when measuring the components of a fluid using a thermal sensor, it is possible to eliminate the influence of noise caused by changes over time in the thermal conductivity of the heater and the wiring connected to the heater. As a result, a more accurate parameter regarding the thermal conductivity of the fluid to be measured can be obtained, and the gas composition (concentration ratio) of the fluid can be measured from the parameter of the thermal conductivity of the fluid. That is, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy of the thermal sensor according to the present invention as a measuring device.

実施例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す模式的な図である。1 is a schematic diagram showing an example of a sensor element constituting a thermal gas sensor in Example 1. FIG. 実施例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子において、ヒータから生じた熱が伝導する様子を示す模式的な図である。2 is a schematic diagram showing how heat generated from a heater is conducted in a sensor element that constitutes a thermal gas sensor in Example 1. FIG. 雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of an atmospheric gas. 熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process when measuring the gas composition of atmospheric gas by a thermal type gas sensor. 実施例1における熱伝導率の測定方法を示す模式的な図である。2 is a schematic diagram showing a method for measuring thermal conductivity in Example 1. FIG. 実施例1における熱式ガスセンサを用いて酸素濃度を測定する際の、アルゴンの混入の影響を示す模式的な図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the influence of argon contamination when measuring an oxygen concentration using the thermal gas sensor in Example 1.

〔適用例〕
本適用例においては、熱式センサが熱式ガスセンサである場合について説明する。本適用例に係る熱式ガスセンサは、電源からの通電によって発熱するヒータによって測定の対象となる流体(以下、「雰囲気ガス」とも記載する。)を加熱する際に、ヒータの温度を変化させ、それぞれの温度における雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する。そして、それぞれの温度における雰囲気ガスの熱伝導率の差をパラメータとする。
[Application example]
In this application example, a case where the thermal sensor is a thermal gas sensor will be described. The thermal gas sensor according to this application example changes the temperature of the heater when heating the fluid to be measured (hereinafter also referred to as "atmospheric gas") with the heater that generates heat when energized from the power supply. A value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas at each temperature is calculated. Then, the difference in thermal conductivity of the atmospheric gas at each temperature is used as a parameter.

図2は、本発明が適用可能な熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2において、ヒータ3から生じた熱が伝導する様子を示す模式的な図である。センサ素子2は、ヒータ3と、ヒータ3を挟んで対称に設けられたサーモパイル(温度検出部)4と、を備える。なお、図2では二つのサーモパイル4を示しているが、サーモパイル4は二つ以上であればその数に限定はない。ヒータ3は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。サーモパイル4の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形である。ヒータ3及びサーモパイル4は絶縁薄膜5内に設けられており、絶縁薄膜5はシリコン基板6上に形成されている。 FIG. 2 is a schematic diagram showing how heat generated from the heater 3 is conducted in the sensor element 2 constituting the thermal gas sensor 1 to which the present invention is applicable. The sensor element 2 includes a heater 3 and a thermopile (temperature detection section) 4 provided symmetrically with the heater 3 in between. Although two thermopiles 4 are shown in FIG. 2, the number of thermopiles 4 is not limited as long as there are two or more. Heater 3 is a resistor made of polysilicon, for example. The shape of each thermopile 4 is approximately rectangular in plan view. The heater 3 and the thermopile 4 are provided within an insulating thin film 5, and the insulating thin film 5 is formed on a silicon substrate 6.

図2では簡略化して示しているが、サーモパイル4はそれぞれ、複数の熱電対7(図1(b)参照)が絶縁薄膜5内に所定の間隔で並んで配置されることで構成されている。このうち、ヒータ3に近い側で接続されている箇所が温接点8(図1(b)参照)であり、ヒータ3と反対側で接続されている箇所が冷接点9(図1(b)参照)である。 Although shown in a simplified manner in FIG. 2, each thermopile 4 is composed of a plurality of thermocouples 7 (see FIG. 1(b)) arranged in a line at predetermined intervals within an insulating thin film 5. . Among these, the part connected on the side near the heater 3 is the hot junction 8 (see Fig. 1(b)), and the part connected on the opposite side to the heater 3 is the cold junction 9 (see Fig. 1(b)). ).

絶縁薄膜5における、ヒータ3及びサーモパイル4の下方のシリコン基板6には、凹部であるキャビティエリア10が設けられている。なお、キャビティエリア10に係る断面図は図1(b)に示す。ヒータ3はキャビティエリア10の開口を横断するように配置されている。また、電源11は、センサ素子2の外部に配置されており、ヒータ3に導電する電極12に導線が接続されている。電源11から電極12に電力を印加すると、ヒータ3が発熱する。 A cavity area 10 that is a recess is provided in the silicon substrate 6 below the heater 3 and thermopile 4 in the insulating thin film 5 . Note that a cross-sectional view of the cavity area 10 is shown in FIG. 1(b). The heater 3 is arranged across the opening of the cavity area 10. Further, the power source 11 is arranged outside the sensor element 2, and a conductive wire is connected to an electrode 12 that conducts electricity to the heater 3. When power is applied from the power source 11 to the electrode 12, the heater 3 generates heat.

ここで、ヒータ3から生じた熱は、雰囲気ガスのみならず、ヒータ3及びヒータ3に接続された配線(以下、単純に「配線」ともいう。)を伝導する。図2におけるλgは雰囲気ガスの熱伝導率を表し、λmは配線の熱伝導率を表す。よって、実際に測定している熱伝導率は、λgとλmとの和で表すことができる。しかし、λmは経時変化するため、実際に測定している熱伝導率(以下、単純に「総合の熱伝導率」ともいう。)の測定値に経時的な誤差が生じる場合があった。 Here, the heat generated from the heater 3 is conducted not only through the atmospheric gas but also through the heater 3 and the wiring connected to the heater 3 (hereinafter also simply referred to as "wiring"). λg in FIG. 2 represents the thermal conductivity of the atmospheric gas, and λm represents the thermal conductivity of the wiring. Therefore, the thermal conductivity actually measured can be expressed as the sum of λg and λm. However, since λm changes over time, errors in the actually measured thermal conductivity (hereinafter also simply referred to as "overall thermal conductivity") may occur over time.

図5は、本発明が適用可能な熱伝導率の測定方法を示す模式的な図である。図5(a)は総合の熱伝導率の経時変化前、図5(b)は総合の熱伝導率の経時変化後のグラフを示す。本適用例では、ヒータ3によって雰囲気ガスを加熱する際に、ヒータ3の温度を二通りの温度T1、T2(T1<T2)に変化させる。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a method for measuring thermal conductivity to which the present invention is applicable. FIG. 5(a) shows a graph before the overall thermal conductivity changes over time, and FIG. 5(b) shows a graph after the overall thermal conductivity changes over time. In this application example, when heating the atmospheric gas with the heater 3, the temperature of the heater 3 is changed to two temperatures T1 and T2 (T1<T2).

図5(a)において、経時変化前の配線の熱伝導率をλm、T1における雰囲気ガスの熱伝導率をλg1、T2における雰囲気ガスの熱伝導率をλg2とする。温度が高いほど、雰囲気ガスを構成する粒子の熱運動量が増加し、熱伝導率が高くなるため、λg1<λg2が成立する。ここで、雰囲気ガスの熱伝導率と比較して、配線の熱伝導率は温度変化によって値がほとんど変化しないため、T1におけるλmとT2におけるλmは同値であると考えてよい。経時変化前のT1における熱伝導率λ(T1)は、λg1とλmとの和で表すことができる。同様に、経時変化前のT2における熱伝導率λ(T2)は、λg2とλmとの和で表すことができる。λ(T2)とλ(T1)の差をΔλとする。 In FIG. 5A, the thermal conductivity of the wiring before aging is λm, the thermal conductivity of the atmospheric gas at T1 is λg1, and the thermal conductivity of the atmospheric gas at T2 is λg2. As the temperature is higher, the thermal momentum of the particles constituting the atmospheric gas increases and the thermal conductivity becomes higher, so λg1<λg2 holds true. Here, compared to the thermal conductivity of the atmospheric gas, the thermal conductivity of the wiring hardly changes in value due to temperature change, so it may be considered that λm at T1 and λm at T2 are the same value. The thermal conductivity λ(T1) at T1 before aging can be expressed as the sum of λg1 and λm. Similarly, the thermal conductivity λ(T2) at T2 before aging can be expressed as the sum of λg2 and λm. Let the difference between λ(T2) and λ(T1) be Δλ.

図5(b)において、経時変化後の配線の熱伝導率をλm´とする。経時変化前と同一の温度T1、T2のそれぞれにおいて、経時変化前と経時変化後で雰囲気ガスが同一であれば、λg1及びλg2は、経時変化前と経時変化後で同値である。それに対して、経時変化後のT1及びT2における配線の熱伝導率λm´はλmと比較して値が小さい。なお、λmと同様に、T1におけるλm´とT2におけるλm´は同値であると考えてよい。経時変化後のT1における熱伝導率λ´(T1)は、λg1とλm´との和で表すことができる。同様に、経時変化後のT2における熱伝導率λ´(T2)は、λg2とλm´との和で表すことができる。λ´(T2)とλ´(T1)の差をΔλ´とする。 In FIG. 5(b), the thermal conductivity of the wiring after aging is assumed to be λm'. If the atmospheric gas is the same before and after the change over time at each of the same temperatures T1 and T2 as before the change over time, λg1 and λg2 are the same values before and after the change over time. On the other hand, the thermal conductivity λm' of the wiring at T1 and T2 after aging is smaller than λm. Note that similarly to λm, λm' at T1 and λm' at T2 may be considered to have the same value. The thermal conductivity λ' (T1) at T1 after aging can be expressed as the sum of λg1 and λm'. Similarly, the thermal conductivity λ'(T2) at T2 after aging can be expressed as the sum of λg2 and λm'. Let the difference between λ'(T2) and λ'(T1) be Δλ'.

ここで、図5に示すように、Δλ≒Δλ´の関係が成立する。すなわち、配線の熱伝導率の経時変化の前後で、λ(T2)とλ(T1)の差Δλは変化しない。従って、雰囲気ガスの熱伝導率を出力する際には、Δλ(≒Δλ´)を測定値とすることで、配線の熱伝導率の経時変化の測定値への影響を除去することができる。 Here, as shown in FIG. 5, the relationship Δλ≒Δλ' holds true. That is, the difference Δλ between λ(T2) and λ(T1) does not change before and after the thermal conductivity of the wiring changes over time. Therefore, when outputting the thermal conductivity of the atmospheric gas, by using Δλ (≈Δλ') as the measured value, it is possible to eliminate the influence of the temporal change in the thermal conductivity of the wiring on the measured value.

〔実施例1〕
以下、本発明の実施例1に係るサーモパイル型センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明を熱式ガスセンサに適用した例について説明するが、本発明を酸素濃縮器等に適用しても構わない。なお、本発明に係るサーモパイル型センサは、以下の構成に限定する趣旨のものではない。
[Example 1]
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the thermopile type sensor based on Example 1 of this invention is demonstrated in detail using drawings. In the following embodiments, an example in which the present invention is applied to a thermal gas sensor will be described, but the present invention may also be applied to an oxygen concentrator or the like. Note that the thermopile type sensor according to the present invention is not limited to the following configuration.

<装置構成>
図1は、実施例1における熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の一例を示す模式的な図である。図1(a)は従来の熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の平面図、図1(b)は図1(a)の断面X-Xに係る断面図である。センサ素子2は一種のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)であり、例えば雰囲気ガスのガス組成(濃度比率)の測定に用いられる。ここで、熱式ガスセンサ1は、本発明におけるサーモパイル型センサに相当する。
<Device configuration>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a sensor element 2 that constitutes a thermal gas sensor 1 in Example 1. FIG. 1(a) is a plan view of a sensor element 2 constituting a conventional thermal gas sensor 1, and FIG. 1(b) is a sectional view taken along the section XX in FIG. 1(a). The sensor element 2 is a type of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and is used, for example, to measure the gas composition (concentration ratio) of atmospheric gas. Here, the thermal gas sensor 1 corresponds to a thermopile type sensor in the present invention.

図1(b)に示すように、サーモパイル4を構成する熱電対7は、温接点8がヒータ3における発熱を感知すると、ゼーベック効果により、冷接点9との温度差によって起電力が生じる。センサ素子2が雰囲気ガスに曝されている状態では、ヒータ3から生じた熱はヒータ3を中心に絶縁薄膜5内に拡散する。温接点8はキャビティエリア10の上部に並んで位置し、冷接点9はシリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する。ヒータ3において発生した熱は、雰囲気ガス中に放出されるため、シリコン基板6への熱の拡散は抑制される。よって、シリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する冷接点9とヒータ3の周囲に位置する温接点8との温度差がより生じやすい。ここで、絶縁薄膜5、及びシリコン基板6はそれぞれ、本発明における薄膜部、及び基板に相当する。 As shown in FIG. 1(b), when the hot junction 8 of the thermocouple 7 constituting the thermopile 4 detects the heat generation in the heater 3, an electromotive force is generated due to the temperature difference with the cold junction 9 due to the Seebeck effect. When the sensor element 2 is exposed to the ambient gas, the heat generated from the heater 3 diffuses into the insulating thin film 5 with the heater 3 at the center. The hot junctions 8 are located side by side at the top of the cavity area 10, and the cold junctions 9 are located in the area of the silicon substrate 6 other than the cavity area 10. Since the heat generated in the heater 3 is released into the ambient gas, the diffusion of heat to the silicon substrate 6 is suppressed. Therefore, a temperature difference is more likely to occur between the cold junction 9 located in the area of the silicon substrate 6 other than the cavity area 10 and the hot junction 8 located around the heater 3. Here, the insulating thin film 5 and the silicon substrate 6 correspond to the thin film portion and the substrate in the present invention, respectively.

電源11から電極12を介してセンサ素子2に電力を供給することで、ヒータ3が発熱する。ヒータ3において発生した熱の温度をサーモパイル4で測定することで、センサ素子2の周囲の雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を測定できる。熱伝導率はガスの種類によって固有の値であるため、センサ素子2の周囲の雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を測定することで、雰囲気ガスのガス組成を測定できる。例えば雰囲気ガスが空気である場合は、空気中の酸素濃度を測定することも可能である。ここで、電源11から供給される電力は、定電圧であっても定電流であってもよい。 The heater 3 generates heat by supplying power from the power source 11 to the sensor element 2 via the electrode 12. By measuring the temperature of the heat generated in the heater 3 with the thermopile 4, a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas around the sensor element 2 can be measured. Since thermal conductivity is a unique value depending on the type of gas, by measuring a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas around the sensor element 2, the gas composition of the atmospheric gas can be measured. For example, when the atmospheric gas is air, it is also possible to measure the oxygen concentration in the air. Here, the power supplied from the power source 11 may be a constant voltage or a constant current.

センサ素子2において、ヒータ3における電力をW、サーモパイル4で測定された温度の昇温量をΔTとすると、雰囲気ガスの熱伝導率λについて、λ=W/ΔTの関係が成立
する。λの値に基づいて、雰囲気ガスのガス組成を測定できる。
In the sensor element 2, when the electric power in the heater 3 is W and the amount of temperature increase measured by the thermopile 4 is ΔT, the relationship λ=W/ΔT holds true for the thermal conductivity λ of the atmospheric gas. Based on the value of λ, the gas composition of the atmospheric gas can be measured.

ここで、図2の説明に戻る。上述の通り、ヒータ3の周辺の熱伝導率λについて、λ=λg+λm(=W/ΔT)の関係が成立する。すなわち、実際にはヒータ3から生じた熱はヒータ3の周辺における雰囲気ガスのみならず、配線を伝導するため、昇温量から算出するλにはλmの因子も含まれる。そして、λmが経時変化することによってλも経時的に変化する。 Here, we return to the explanation of FIG. 2. As described above, regarding the thermal conductivity λ around the heater 3, the relationship λ=λg+λm (=W/ΔT) holds true. That is, in reality, the heat generated from the heater 3 is conducted not only through the atmospheric gas around the heater 3 but also through the wiring, so λ calculated from the amount of temperature increase also includes the factor of λm. As λm changes over time, λ also changes over time.

図3は、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサ1の機能構成を示すブロック図である。熱式ガスセンサ1は、制御部13と、それぞれ無線または有線で制御部13に接続されている、入力部14及び測定部15及び第一記憶部16及び第二記憶部17及び出力部18とを備えている。 FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the thermal gas sensor 1 when measuring the gas composition of atmospheric gas. The thermal gas sensor 1 includes a control section 13, and an input section 14, a measurement section 15, a first storage section 16, a second storage section 17, and an output section 18, which are connected to the control section 13 wirelessly or by wire. We are prepared.

制御部13には、CPU、ROM、RAM等を用いて演算処理を実行する演算部(不図示)及び第二演算部(不図示)が含まれ、例えばガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報が蓄積されている。演算部は、例えばヒータ3の二通りの温度のそれぞれにおける熱伝導率の差を算出する機能を有する。第二演算部は、例えば演算部が算出した熱伝導率の差に基づいて雰囲気ガスのガス組成を算出する機能を有する。 The control unit 13 includes a calculation unit (not shown) and a second calculation unit (not shown) that perform calculation processing using a CPU, ROM, RAM, etc. Conductivity information is stored. The calculation unit has a function of calculating the difference in thermal conductivity at each of two temperatures of the heater 3, for example. The second calculation unit has a function of calculating the gas composition of the atmospheric gas, for example, based on the difference in thermal conductivity calculated by the calculation unit.

入力部14には、例えば測定対象の雰囲気ガスに含まれるガスの種類を予め入力する機能が備えられる。これにより、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を測定することで、雰囲気ガスにおける、入力したそれぞれのガスのガス組成を測定することができる。 The input unit 14 is equipped with a function of inputting in advance the type of gas contained in the atmospheric gas to be measured, for example. Thereby, by measuring the value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas that has flowed into the sensor element 2, it is possible to measure the gas composition of each input gas in the atmospheric gas.

測定部15には、ガス流路(不図示)やヒータ3やサーモパイル4等が含まれ、例えばヒータ3の電力やヒータ3から生じた熱の温度等のパラメータの測定を行う。測定されたパラメータは第一記憶部16及び第二記憶部17に蓄積される。 The measurement unit 15 includes a gas flow path (not shown), a heater 3, a thermopile 4, and the like, and measures parameters such as the electric power of the heater 3 and the temperature of heat generated from the heater 3, for example. The measured parameters are stored in the first storage section 16 and the second storage section 17.

制御部13において、測定部15におけるサーモパイル4の出力と、第一記憶部16に蓄積されたパラメータに基づいて、雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する。このとき、電源11から供給する電力を二通りに変化させ、それぞれの場合において、サーモパイル4の出力と、第一記憶部16に蓄積されたパラメータに基づいて、二通りの雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出することができる。そして、第一記憶部16に蓄積されたパラメータに基づいて、演算部が二通りの雰囲気ガスの熱伝導率の差を算出し、第二演算部がこの熱伝導率の差及び第二記憶部17に蓄積されたパラメータに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する。算出したガス組成は、出力部18に表示される。出力部18は、例えば液晶モニターである。なお、制御部13において算出される雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値は、ガス組成と一対一に対応する値であればよく、正確に熱伝導率の値でなくてもよい。 The control unit 13 calculates a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas based on the output of the thermopile 4 in the measurement unit 15 and the parameters stored in the first storage unit 16. At this time, the power supplied from the power source 11 is changed in two ways, and in each case, two types of thermal conductivity of the atmospheric gas are determined based on the output of the thermopile 4 and the parameters stored in the first storage section 16. The value corresponding to can be calculated. Then, based on the parameters stored in the first storage section 16, the calculation section calculates the difference in thermal conductivity between the two atmospheric gases, and the second calculation section calculates the difference in thermal conductivity and the second storage section 16. Based on the parameters accumulated in step 17, the gas composition of the atmospheric gas is calculated. The calculated gas composition is displayed on the output section 18. The output unit 18 is, for example, a liquid crystal monitor. Note that the value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas calculated by the control unit 13 may be a value that corresponds one-to-one to the gas composition, and may not be an exact value of thermal conductivity.

図4は、熱式ガスセンサ1による、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。以下、図4を用いて処理の流れについて説明する。本フローチャートでは、まず、熱式ガスセンサ1に、入力部14においてガスの種類を特定した雰囲気ガスを流入する(S101)。流入した雰囲気ガスは、電源11から供給する電力W1によって発熱するヒータ3によって加熱される(S102)。次に、制御部13において、サーモパイル4によって検出される雰囲気ガスの昇温量と、第一記憶部16に蓄積されたパラメータに基づいて、W1における雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する(S103)。ここで、S103は、本発明における測定工程、及び演算工程に相当する。同様に、雰囲気ガスは、電源11から供給する電力W2によって発熱するヒータ3によって加熱され(S104)、制御部13において、雰囲気ガスの昇温量と、第一記憶部16に
蓄積されたパラメータに基づいて、W2における雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する(S105)。ここで、S104は、本発明における供給電力変化工程に相当する。また、S105も、本発明における測定工程、及び演算工程に相当する。そして、制御部13において、二通りの熱伝導率に対応する値と、第一記憶部16に蓄積されたパラメータに基づいて、二通りの熱伝導率の差を算出し、この二通りの熱伝導率の差と、第二記憶部17に蓄積されたパラメータに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する(S106)。ここで、S106は、本発明における第二演算工程、及びガス組成算出工程に相当する。測定した雰囲気ガスのガス組成のパラメータは新たに第二記憶部17に蓄積される。最後に、出力部18に雰囲気ガスのガス組成が表示される(S107)。これによれば、例えば雰囲気ガスにおける特定のガスの濃度を把握できる。なお、W1はT1における電力の値、W2はT2における電力の値とし、以下も同様に考える。
FIG. 4 is a flowchart showing a process when the thermal gas sensor 1 measures the gas composition of the atmospheric gas. The flow of processing will be described below using FIG. 4. In this flowchart, first, an atmospheric gas whose type is specified in the input section 14 is introduced into the thermal gas sensor 1 (S101). The atmospheric gas that has flowed in is heated by the heater 3, which generates heat using the electric power W1 supplied from the power source 11 (S102). Next, the control unit 13 calculates a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas at W1 based on the amount of temperature rise of the atmospheric gas detected by the thermopile 4 and the parameters stored in the first storage unit 16. (S103). Here, S103 corresponds to a measurement step and a calculation step in the present invention. Similarly, the atmospheric gas is heated by the heater 3 that generates heat by the electric power W2 supplied from the power source 11 (S104), and the control unit 13 calculates the amount of temperature rise of the atmospheric gas and the parameters stored in the first storage unit 16. Based on this, a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas at W2 is calculated (S105). Here, S104 corresponds to the supply power changing step in the present invention. Further, S105 also corresponds to a measurement step and a calculation step in the present invention. Then, the control unit 13 calculates the difference between the two types of thermal conductivity based on the values corresponding to the two types of thermal conductivity and the parameters stored in the first storage unit 16, and calculates the difference between the two types of thermal conductivity. The gas composition of the atmospheric gas is calculated based on the difference in conductivity and the parameters stored in the second storage unit 17 (S106). Here, S106 corresponds to a second calculation step and a gas composition calculation step in the present invention. The measured parameters of the gas composition of the atmospheric gas are newly stored in the second storage section 17. Finally, the gas composition of the atmospheric gas is displayed on the output section 18 (S107). According to this, for example, the concentration of a specific gas in the atmospheric gas can be grasped. Note that W1 is the power value at T1, W2 is the power value at T2, and the following is similarly considered.

ここで、図5の説明に戻る。上述の通り、ヒータ3の温度変化によって取得した二通りの雰囲気ガスの熱伝導率の差Δλ(≒Δλ´)を算出することで、配線の熱伝導率の経時変化によるノイズの影響を除去することができる。Δλはヒータ3の二通りの温度T1、T2、及び二通りの電力W1、W2に基づくパラメータである。また、Δλを算出することで、例えば絶縁薄膜5の熱伝導率の経時変化や、ヒータ3の周辺における環境温度変化及び気圧変化等、ヒータ3の温度依存性を持たない外乱要因の影響も同様に除去または低減することができる。他に、電源11における電圧の経時変化や、ヒータ3の抵抗温度係数の経時変化や、ブリッジ回路を組んだ場合のブリッジ固定抵抗の経時変化等、回路定数の経時変化によるノイズの影響についても同様に除去または低減することができる。 Here, we return to the explanation of FIG. 5. As mentioned above, by calculating the difference Δλ (≒Δλ') between the thermal conductivities of the two atmospheric gases obtained by the temperature change of the heater 3, the influence of noise due to the change in the thermal conductivity of the wiring over time is removed. be able to. Δλ is a parameter based on two types of temperatures T1 and T2 of the heater 3 and two types of electric power W1 and W2. In addition, by calculating Δλ, the effects of disturbance factors that are not temperature-dependent on the heater 3, such as changes in the thermal conductivity of the insulating thin film 5 over time, and changes in the environmental temperature and atmospheric pressure around the heater 3, can also be calculated. can be removed or reduced. In addition, the same applies to the effects of noise due to changes in circuit constants over time, such as changes in the voltage in the power supply 11 over time, changes in the temperature coefficient of resistance of the heater 3 over time, and changes in the bridge fixed resistance over time when a bridge circuit is constructed. can be removed or reduced.

制御部13は、電源11からヒータ3に供給する電力をパルス状、あるいはサイン波状に変化させる。ヒータ3の温度をT1からT2に昇温する際に、電力をパルス状、あるいはサイン波状に変化させることによって昇温の度合いを調整できる。具体的には、電力をパルス状に変化させた場合は、急峻に昇温するため、T1からT2に比較的速く到達する。電力をサイン波状に変化させた場合は、緩やかに昇温するため、T1からT2に比較的精度良く到達する。 The control unit 13 changes the power supplied from the power supply 11 to the heater 3 in a pulse shape or a sine wave shape. When increasing the temperature of the heater 3 from T1 to T2, the degree of temperature increase can be adjusted by changing the electric power in a pulsed or sinusoidal manner. Specifically, when the power is changed in a pulsed manner, the temperature rises steeply, so that the temperature reaches T2 from T1 relatively quickly. When the power is changed in a sinusoidal manner, the temperature rises slowly, so that the temperature reaches T2 from T1 with relatively high accuracy.

図6は、実施例1における熱式ガスセンサ1を用いて酸素濃度を測定する際の、アルゴンの混入の影響を示す模式的な図である。図6のグラフはそれぞれ、酸素と窒素とアルゴンの三成分系のそれぞれについて、熱伝導率、及び熱伝導率変化、及び熱伝導率変化率(後述)を示す。熱伝導率、または熱伝導率変化、または熱伝導率変化率のいずれかの値を用いて酸素濃度を測定するかに依存して、アルゴンの混入の影響が変化する。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the influence of argon mixing when measuring oxygen concentration using the thermal gas sensor 1 in Example 1. The graphs in FIG. 6 each show the thermal conductivity, the change in thermal conductivity, and the rate of change in thermal conductivity (described later) for each of the three-component systems of oxygen, nitrogen, and argon. The effect of argon inclusion changes depending on whether the oxygen concentration is measured using thermal conductivity, thermal conductivity change, or thermal conductivity change rate.

図6(a)には、三成分系それぞれについての酸素で規格化した熱伝導率λを示す。酸素のλと窒素のλは近い値であるが、窒素のλとアルゴンのλは値に大きな差がある。よって、窒素雰囲気ガス中の酸素濃度を測定する際に、アルゴンが混入した場合、その量が微量であっても混合気体のλの測定値に誤差が生じ、結果的に酸素濃度の測定値に誤差が生じる。図6(b)には、三成分系それぞれについての酸素で規格化した温度による熱伝導率変化Δλを示す。図6(a)に示すそれぞれのλの値と比較して、酸素のΔλと窒素のΔλの値の差は拡大し、窒素のΔλとアルゴンのΔλの値の差は縮小している。よって、Δλの値を用いて窒素雰囲気ガス中の酸素濃度を測定する場合、相対的にアルゴンの混入の影響を抑制し、より正確な酸素濃度の測定値を取得できる。図6(c)には、三成分系それぞれについての酸素で規格化した温度による熱伝導率変化率を示す。ここで、熱伝導率変化率とは、Δλを温度変化前におけるλで除算した値(以下、Δλ/λと表記)のことである。図6(b)に示すそれぞれのΔλの値と比較して、窒素のΔλ/λとアルゴンのΔλ/λは近い値である。よって、Δλ/λの値を用いて窒素雰囲気ガス中の酸素濃度を測定する場合、アルゴンの混入の影響をほとんど無視することができる。Δλの代わりにΔλ/λの値を用いることで、アルゴンの混入の影響をさらに低減し、酸素に対する
選択性を向上することができる。
FIG. 6(a) shows the thermal conductivity λ normalized by oxygen for each of the three component systems. λ of oxygen and λ of nitrogen are close in value, but λ of nitrogen and λ of argon have a large difference in value. Therefore, when measuring the oxygen concentration in a nitrogen atmosphere, if argon is mixed in, even if the amount is very small, an error will occur in the measured value of λ of the mixed gas, resulting in an error in the measured value of the oxygen concentration. An error will occur. FIG. 6(b) shows the thermal conductivity change Δλ depending on the temperature normalized by oxygen for each of the three component systems. Compared to the respective values of λ shown in FIG. 6(a), the difference between the values of Δλ of oxygen and Δλ of nitrogen increases, and the difference between the values of Δλ of nitrogen and Δλ of argon decreases. Therefore, when measuring the oxygen concentration in the nitrogen atmosphere gas using the value of Δλ, the influence of argon mixing can be relatively suppressed, and a more accurate measured value of the oxygen concentration can be obtained. FIG. 6(c) shows the rate of change in thermal conductivity depending on temperature normalized by oxygen for each of the three component systems. Here, the rate of change in thermal conductivity is a value obtained by dividing Δλ by λ before temperature change (hereinafter expressed as Δλ/λ). Compared to the respective values of Δλ shown in FIG. 6(b), Δλ/λ of nitrogen and Δλ/λ of argon are close values. Therefore, when measuring the oxygen concentration in the nitrogen atmosphere gas using the value of Δλ/λ, the influence of argon inclusion can be almost ignored. By using the value of Δλ/λ instead of Δλ, the influence of argon contamination can be further reduced and the selectivity to oxygen can be improved.

また、制御部13において、第二演算部は、Δλの値と第二記憶部17に蓄積されたパラメータに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出できるのと同様に、Δλ/λの値と第二記憶部17に蓄積されたパラメータに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出できる。 Further, in the control unit 13, the second calculation unit calculates the value of Δλ/λ and the gas composition of the atmospheric gas based on the value of Δλ and the parameters stored in the second storage unit 17. Based on the parameters stored in the second storage unit 17, the gas composition of the atmospheric gas can be calculated.

なお、上記の実施例においては、温度検出器としてサーモパイル4を用いたサーモパイル型センサを例にとって説明したが、本発明が適用されるセンサは、サーモパイル型センサに限られない。例えば、サーモパイル以外の温度センサを有するセンサや、サーモパイルを備えず、ヒータに電力供給してヒータの温度を上昇させ、ヒータ自体の抵抗値の変化によって温度を検知するガスセンサ等に適用することが可能である。 In the above embodiment, a thermopile type sensor using a thermopile 4 as a temperature detector has been described as an example, but the sensor to which the present invention is applied is not limited to a thermopile type sensor. For example, it can be applied to sensors that have a temperature sensor other than a thermopile, or to gas sensors that do not have a thermopile, but instead supply power to the heater to raise the temperature of the heater and detect the temperature based on changes in the resistance of the heater itself. It is.

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
<発明1>
表面にキャビティエリア(10)の開口部を有する基板(6)と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部(5)と、
前記薄膜部に配置され、電源(11)からの電力供給により発熱するヒータ(3)と、
前記薄膜部に配置され、前記ヒータまたは前記ヒータの周辺の温度を検出する温度検出器(4)と、
前記ヒータへの供給電力を制御する制御部(13)と、
前記ヒータへの電力供給時における、前記供給電力の値と、前記温度検出器により取得された温度上昇の値とに基づいて、雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する演算部と、
を備える熱式センサ(1)であって、
前記制御部は、前記ヒータへの供給電力を変化させ、
前記演算部は、前記供給電力の変化前後において算出された熱伝導率に対応する値の変化量または変化率をさらに算出することを特徴とする、熱式センサ。
Note that in order to make it possible to compare the constituent features of the present invention and the configurations of the embodiments, the constituent features of the present invention will be described below with reference numerals in the drawings.
<Invention 1>
a substrate (6) having a cavity area (10) opening on its surface;
a thin film portion (5) formed to cover the opening of the cavity area;
a heater (3) disposed in the thin film portion and generating heat when supplied with power from a power source (11);
a temperature detector (4) disposed in the thin film portion and configured to detect the temperature of the heater or the vicinity of the heater;
a control unit (13) that controls power supplied to the heater;
a calculation unit that calculates a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas based on the value of the supplied power and the value of the temperature rise acquired by the temperature detector when power is supplied to the heater;
A thermal sensor (1) comprising:
The control unit changes power supplied to the heater,
The thermal sensor, wherein the calculation unit further calculates an amount of change or a rate of change in a value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the change in the supplied power.

1 :熱式ガスセンサ
2 :センサ素子
3 :ヒータ
4 :サーモパイル
5 :絶縁薄膜
6 :シリコン基板
7 :熱電対
8 :温接点
9 :冷接点
10 :キャビティエリア
11 :電源
12 :電極
13 :制御部
14 :入力部
15 :測定部
16 :第一記憶部
17 :第二記憶部
18 :出力部
1: Thermal gas sensor 2: Sensor element 3: Heater 4: Thermopile 5: Insulating thin film 6: Silicon substrate 7: Thermocouple 8: Hot junction 9: Cold junction 10: Cavity area 11: Power supply 12: Electrode 13: Control unit 14 : Input section 15 : Measurement section 16 : First storage section 17 : Second storage section 18 : Output section

Claims (9)

表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記薄膜部に配置され、電源からの電力供給により発熱するヒータと、
前記薄膜部に配置され、前記ヒータまたは前記ヒータの周辺の温度を検出する温度検出器と、
前記ヒータへの供給電力を制御する制御部と、
前記ヒータへの電力供給時における、前記供給電力の値と、前記温度検出器により取得された温度上昇の値とに基づいて、雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する演算部と、
を備える熱式センサであって、
前記制御部は、前記ヒータへの供給電力を変化させ、
前記演算部は、前記供給電力の変化前後において算出された前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率をさらに算出することを特徴とする、熱式センサ。
a substrate having a cavity area opening on its surface;
a thin film portion formed to cover the opening of the cavity area;
a heater disposed in the thin film portion and generating heat when supplied with power from a power source;
a temperature detector disposed in the thin film portion and detecting the temperature of the heater or the surroundings of the heater;
a control unit that controls power supplied to the heater;
a calculation unit that calculates a value corresponding to the thermal conductivity of the atmospheric gas based on the value of the supplied power and the value of the temperature rise acquired by the temperature detector when power is supplied to the heater;
A thermal sensor comprising:
The control unit changes power supplied to the heater,
The thermal sensor, wherein the calculation unit further calculates an amount of change or a rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the change in the supplied power.
前記制御部は、前記ヒータへの供給電力を2段階に変化させ、
前記演算部は、前記供給電力の2段階の変化前後において算出された前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を算出することを特徴とする、請求項1に記載の熱式センサ。
The control unit changes power supplied to the heater in two stages,
The thermal sensor according to claim 1, wherein the calculation unit calculates an amount of change or a rate of change of the value corresponding to the thermal conductivity calculated before and after the two-step change in the supplied power. .
前記制御部は、前記ヒータへの供給電力をパルス状またはサイン波状に変化させることを特徴とする、請求項1に記載の熱式センサ。 The thermal sensor according to claim 1, wherein the control unit changes the power supplied to the heater in a pulse shape or a sine wave shape. 前記温度検出器は、前記薄膜部において、一対が前記ヒータを挟んで対向するように配置された二つ以上のサーモパイルを有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱式センサ。 4 . The temperature sensor according to claim 1 , wherein the temperature sensor includes two or more thermopiles arranged in the thin film portion such that a pair of thermopiles face each other with the heater in between. thermal sensor. 請求項1から4のいずれか一項に記載の熱式センサと、
前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率に基づいて、前記雰囲気ガスの組成を算出する第二演算部をさらに備えることを特徴とする、ガスセンサ。
The thermal sensor according to any one of claims 1 to 4,
A gas sensor further comprising a second calculation unit that calculates the composition of the atmospheric gas based on the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity.
ヒータに電力供給して加熱するとともに、加熱時における雰囲気ガスの温度上昇を測定することにより、前記雰囲気ガスの特性を計測する計測方法であって、
前記ヒータへの供給電力を変化させる供給電力変化工程と、
前記ヒータへの供給電力の変化の前後において、温度上昇の値を測定する測定工程と、
前記ヒータへの供給電力の変化の前後における、前記供給電力の値と、前記温度上昇の値とに基づいて、前記ヒータへの供給電力の変化の前後における前記雰囲気ガスの熱伝導率に対応する値を算出する演算工程と、
前記供給電力の変化による前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率を算出する、第二演算工程と、を有することを特徴とする、計測方法。
A measurement method for measuring the characteristics of the atmospheric gas by supplying power to a heater to heat it and measuring the temperature rise of the atmospheric gas during heating, the method comprising:
a power supply changing step of changing the power supplied to the heater;
a measuring step of measuring a temperature increase before and after the change in power supplied to the heater;
The thermal conductivity of the atmospheric gas before and after the change in the power supplied to the heater is based on the value of the power supply and the value of the temperature increase before and after the change in the power supplied to the heater. an arithmetic process for calculating a value;
A measuring method comprising: a second calculation step of calculating an amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity due to a change in the supplied power.
前記供給電力変化工程においては、前記ヒータへの供給電力を2段階に変化させることを特徴とする、請求項6に記載の計測方法。 7. The measuring method according to claim 6, wherein in the power supply changing step, the power supplied to the heater is changed in two stages. 前記供給電力変化工程においては、前記ヒータへの供給電力をパルス状またはサイン波状に変化させることを特徴とする、請求項6または7に記載の計測方法。 8. The measuring method according to claim 6, wherein in the power supply changing step, the power supplied to the heater is changed in a pulse shape or a sine wave shape. 前記供給電力の変化による前記熱伝導率に対応する値の変化量または変化率に基づいて、前記雰囲気ガスの組成を算出するガス組成算出工程を、さらに有することを特徴とする
、請求項6から8のいずれか一項に記載の計測方法。
From claim 6, further comprising a gas composition calculation step of calculating the composition of the atmospheric gas based on the amount or rate of change in the value corresponding to the thermal conductivity due to the change in the supplied power. 8. The measurement method according to any one of 8.
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