JPH09145654A - Temperature controller for sensor used in high-temperature environment - Google Patents

Temperature controller for sensor used in high-temperature environment

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Publication number
JPH09145654A
JPH09145654A JP7328395A JP32839595A JPH09145654A JP H09145654 A JPH09145654 A JP H09145654A JP 7328395 A JP7328395 A JP 7328395A JP 32839595 A JP32839595 A JP 32839595A JP H09145654 A JPH09145654 A JP H09145654A
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JP
Japan
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heater
temperature
gas
insulating substrate
control circuit
Prior art date
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Application number
JP7328395A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Yaguchi
修 矢口
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH09145654A publication Critical patent/JPH09145654A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify structure and reduce a cost by fitting a gas detecting part on one face of a thermal conductive insulation substrate and controlling the temperature of the gas detecting part constantly according to the resistance value of a heater fixing on the other face thereof. SOLUTION: A porous gas detecting part 3 is between electrodes 6, and one face thereof is in contact with a gas to be detected, while the other face thereof is in contact with the air. A wire heater 4 is formed on a porous substrate 7, and a thermal conductive insulation film 2 is applied thereto, further an electrode 6 is formed thereon. The substrate 7 includes the electrode 6 therein, facing the other substrate, and its inside is filled with a substance, e.g. porous sintered body of tin oxide or lead oxide, to sense the gas concentration. A control circuit supplies a constant current to a heater 4 to keep the gas detecting part entirely at a constant temperature. The thinner the insulation film 2 is, the smaller the thermal resistance is, so that one with a higher thermal conductivity can reduce measuring errors.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、O2ガスセンサやNO
xガスセンサ等の高温環境で使用されるセンサの温度制
御装置に関する。
The present invention relates to an O2 gas sensor and a NO
The present invention relates to a temperature control device for a sensor used in a high temperature environment such as an x gas sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば300〜400度Cの高温環境で
使用される加熱型センサは、特開昭60−114758
号公報の「加熱型センサの温度制御方法」に記載されて
いる。この温度制御方法は、気体の濃度を測定する加熱
型センサの空間を隔てた近傍に測温体を配置して周囲温
度を測定し、この測定結果を基づいてセンサを加熱する
ヒータの給電を制御することによって、センサの温度を
一定に保持している。
2. Description of the Related Art For example, a heating type sensor used in a high temperature environment of 300 to 400 ° C. is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-114758.
No. 5,986,086, entitled "Method of controlling temperature of heating sensor". This temperature control method measures the ambient temperature by arranging a temperature measuring element near the space of a heating type sensor that measures the concentration of gas, and controls the power supply of a heater that heats the sensor based on the measurement result. By doing so, the temperature of the sensor is kept constant.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この方法は、周囲温度
を測定する測温体を必要とするために加熱型センサの構
造が複雑になり、加熱型センサを加熱するヒータ制御回
路も複雑になる。また、測温体が高温によって劣化する
のを防止するためにセンサの温度を空間を隔てて間接的
に測定したので、空間を流れるガスの状態によってセン
サの温度が変化し、高精度が期待できない。更に、温度
の伝播速度によって制御系に位相遅れが生じ、センサの
温度が目標とは異なった値に収束したり、最悪の場合発
散して途轍もなく高温になったり低温になったりする恐
れがある。
In this method, the structure of the heating type sensor is complicated because a temperature measuring element for measuring the ambient temperature is required, and the heater control circuit for heating the heating type sensor is also complicated. . In addition, the temperature of the sensor is measured indirectly across the space to prevent the temperature measuring element from deteriorating due to high temperature, so the temperature of the sensor changes depending on the state of the gas flowing in the space, and high accuracy cannot be expected. . Furthermore, a phase delay occurs in the control system due to the temperature propagation speed, and the temperature of the sensor may converge to a value different from the target, or in the worst case, the temperature may diverge and become extremely high or low. is there.

【0004】また、1992年1月20日号の日経エレ
クトロニクスの111頁には、1.5mm角のシリコン
基板チップ1に4組形成される酸化錫薄膜ガス・センサ
が開示されている。このガス・センサは、図1に示すよ
うに酸化錫の薄膜のガス検出部3と加熱用の白金電極4
とを二酸化シリコン薄膜2上に形成即ち蒸着し、この蒸
着部分をSiマイクロマシーニング技術によってシリコ
ン基板から掘り出して、ガス検出部3を空気中に突出さ
せている。従って、400度Cの高温を測定し得る測温
体を検出部近傍に設けることは困難である。
On page 111 of Nikkei Electronics on January 20, 1992, there is disclosed a tin oxide thin film gas sensor formed in four sets on a silicon substrate chip 1 of 1.5 mm square. As shown in FIG. 1, the gas sensor comprises a gas detector 3 of a thin film of tin oxide and a platinum electrode 4 for heating.
Are formed or vapor-deposited on the silicon dioxide thin film 2, and the vapor-deposited portion is dug out from the silicon substrate by the Si micromachining technique to make the gas detection unit 3 protrude into the air. Therefore, it is difficult to provide a thermometer capable of measuring a high temperature of 400 ° C. in the vicinity of the detector.

【0005】本発明は、上記事情に鑑み、ガス検出部を
略直接的に加熱するヒータを測温体として兼用する高温
環境で使用されるセンサの温度制御装置を提供すること
を目的とする。勿論、ガス検出部とヒータとの間に設け
られる基板は、熱伝導率の良いものが用いられ、またそ
の値が変動しないものが用いられる。
[0005] In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a temperature control device for a sensor used in a high-temperature environment in which a heater for heating a gas detector substantially directly also serves as a temperature measuring element. As a matter of course, a substrate provided between the gas detection unit and the heater has good thermal conductivity, and a substrate whose value does not change is used.

【0006】また、本発明は、高温環境で使用されるガ
ス検出部を主に加熱する主ヒータと、この主ヒータの加
熱変動即ちガス検出部の温度変動を補償する補助ヒータ
とを用いて構造が簡単で安価に構成できる加熱型センサ
の温度制御装置を提供することを目的としている。
Further, the present invention has a structure using a main heater for mainly heating a gas detector used in a high-temperature environment, and an auxiliary heater for compensating for a heating fluctuation of the main heater, that is, a temperature fluctuation of the gas detector. It is an object of the present invention to provide a temperature control device for a heating-type sensor that can be configured simply and at low cost.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の高温環境で使用
されるセンサの温度制御装置は、ガス検出部が熱伝導性
絶縁基板の一面に固定される。この絶縁基板の他面に
は、前記ガス検出部の領域と位置合わせされてヒータが
固定され、制御回路がこのヒータの抵抗値に基づいて前
記ガス検出部の温度を一定に制御している。
According to the temperature control device for a sensor used in a high-temperature environment of the present invention, a gas detecting portion is fixed to one surface of a heat conductive insulating substrate. A heater is fixed on the other surface of the insulating substrate so as to be aligned with the region of the gas detection unit, and a control circuit controls the temperature of the gas detection unit to be constant based on the resistance value of the heater.

【0008】前記温度制御装置の変形例において、前記
熱伝導性絶縁基板の他面には、主ヒータが前記ガス検出
部の領域と位置合わせされて固定され、この主ヒータの
回りに補助ヒータが配置されて、制御回路がこの補助ヒ
ータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を一定に
制御している。この絶縁基板は、ガス検出部の支持板と
して用いられる窒化アルミニウム、シリコンカーバイド
等の熱伝導率が金属に近いセラミック基板、或いは支持
体に配置されたヒータ上に形成される蒸着膜或は塗布膜
である。
In a modification of the temperature control device, a main heater is fixed to the other surface of the heat conductive insulating substrate so as to be aligned with a region of the gas detecting section, and an auxiliary heater is provided around the main heater. The control circuit is configured to control the temperature of the gas detection unit to be constant based on the resistance value of the auxiliary heater. This insulating substrate may be a ceramic substrate such as aluminum nitride or silicon carbide used as a support plate of the gas detection unit and having a thermal conductivity close to that of a metal, or a vapor-deposited film or a coating film formed on a heater disposed on a support. It is.

【0009】本発明の更に別の態様の温度制御装置は、
ガス検出部が絶縁基板の一面に固定されている。この絶
縁基板の一面には、ヒータが前記ガス検出部と平行に固
定され、或いは変形例において主ヒータ及びこの主ヒー
タの回りに配置された補助ヒータが固定されて、前記ヒ
ータ又は補助ヒータの抵抗値に基づいて制御回路が前記
ガス検出部の温度を一定に制御している。この絶縁基板
は例えば二酸化シリコン膜である。
A temperature control device according to still another aspect of the present invention includes:
The gas detector is fixed on one surface of the insulating substrate. On one surface of the insulating substrate, a heater is fixed in parallel with the gas detector, or in a modification, a main heater and an auxiliary heater disposed around the main heater are fixed, and the resistance of the heater or the auxiliary heater is fixed. A control circuit controls the temperature of the gas detection unit to be constant based on the value. This insulating substrate is, for example, a silicon dioxide film.

【0010】前記制御回路は、前記ヒータに直列接続さ
れた基準抵抗と、出力端が前記基準抵抗及び前記ヒータ
を経て接地されると共に反転入力端が前記基準抵抗及び
前記ヒータの接続点に接続され非反転入力端が第1基準
電圧に接続され得る増幅器と、前記出力端の電圧と第2
基準電圧とを比較してこの比較結果に基づいて前記増幅
器に供給される前記第1基準電圧を変化させる比較器と
を備える。
The control circuit includes a reference resistor connected in series to the heater, an output terminal grounded through the reference resistor and the heater, and an inverting input terminal connected to a connection point between the reference resistor and the heater. An amplifier having a non-inverting input terminal connected to a first reference voltage;
A comparator for comparing the first reference voltage supplied to the amplifier based on a result of the comparison with a reference voltage.

【0011】前記制御回路は、前記主ヒータに直列接続
された基準抵抗と、出力端が前記基準抵抗及び前記主ヒ
ータを経て接地されると共に反転入力端が前記基準抵抗
及び前記ヒータの接続点に接続され非反転入力端が第1
基準電圧に接続され得る第1増幅器と、非反転入力端が
前記第1増幅器の出力端に接続され反転入力端が第2基
準電圧に接続され出力端が前記補助ヒータを経て接地さ
れた第2増幅器とを備える。
The control circuit includes a reference resistor connected in series to the main heater, an output terminal grounded via the reference resistor and the main heater, and an inverting input terminal connected to a connection point between the reference resistor and the heater. Connected and non-inverting input terminal is first
A first amplifier that can be connected to a reference voltage; a second amplifier having a non-inverting input terminal connected to the output terminal of the first amplifier, an inverting input terminal connected to a second reference voltage, and an output terminal grounded via the auxiliary heater. And an amplifier.

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。まず、従来の酸化錫薄膜ガス・センサは、図
1に示されるように、1.5mm角のシリコン基板チッ
プ1の角部分から内方向に突出した二酸化シリコン薄膜
突起基板2を4枚形成し、各突起基板2の一面に酸化錫
の薄膜のガス検出部3と加熱用の白金電極4とを蒸着し
ている。各白金電極4は、各検出部3を加熱する消費電
力が20mWであり、400度Cに加熱した時の抵抗値
が予め決定されている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 1, the conventional tin oxide thin film gas sensor forms four silicon dioxide thin film projection substrates 2 projecting inward from the corners of a 1.5 mm square silicon substrate chip 1. On one surface of each protruding substrate 2, a gas detecting portion 3 of a thin film of tin oxide and a platinum electrode 4 for heating are deposited. Each of the platinum electrodes 4 consumes 20 mW of power for heating each of the detection units 3, and the resistance value when heated to 400 ° C. is determined in advance.

【0013】次に、高温環境で使用されるセンサは、図
2に示されるように、例えば多孔性ガス検出部3が2つ
の電極6間に挟まれ、このガス検出部3の一面が検査さ
れるべきガスと接触し、他面が大気に接触している。こ
の場合、多孔性基板7上には、白金製薄膜又はワイヤヒ
ータ4が形成され、その上に耐熱性好ましくは熱伝導性
絶縁膜2が塗布され、更にその上に電極6が形成され
る。このように形成された2つの多孔性基板7は、電極
6を内側にして対向して組立てられ内部にガス濃度を感
知する物質例えば酸化錫又は酸化鉛の多孔性焼結体3が
充填される。
Next, in a sensor used in a high-temperature environment, for example, as shown in FIG. 2, a porous gas detector 3 is sandwiched between two electrodes 6, and one surface of the gas detector 3 is inspected. Contact with the gas to be made and the other side in contact with the atmosphere. In this case, a platinum thin film or a wire heater 4 is formed on the porous substrate 7, a heat-resistant, preferably heat-conductive insulating film 2 is applied thereon, and an electrode 6 is further formed thereon. The two porous substrates 7 formed as described above are assembled facing each other with the electrode 6 inside, and the inside thereof is filled with a substance for sensing a gas concentration, for example, a porous sintered body 3 of tin oxide or lead oxide. .

【0014】従って、白金製薄膜又はワイヤヒータ4
は、例えば410度Cに加熱されて、ガス検出部全体を
400度Cに維持している。上記絶縁膜2は、薄ければ
薄いほど熱抵抗が低くまた熱伝導率の良いものが用いら
れて、測定誤差を最小にすることができる。
Therefore, a platinum thin film or wire heater 4
Is heated to, for example, 410 ° C., and the entire gas detector is maintained at 400 ° C. The thinner the insulating film 2, the lower the thermal resistance and the better the thermal conductivity are used, and the measurement error can be minimized.

【0015】次に、高温環境で使用されるセンサは、図
3に示されるように、熱伝導性絶縁基板2に平面的にガ
ス検出部(図示略)が形成され、両端に2つの電極(図
示略)が形成されている。この場合、この絶縁基板2の
他面即ち裏面には、ガス検出部の感知領域と位置合わせ
されて白金製薄膜ヒータ4が固定される。この白金製薄
膜ヒータ4は、白金製補助ヒータ13が周辺に配置され
た時に、主ヒータ4として機能する。
Next, in a sensor used in a high-temperature environment, as shown in FIG. 3, a gas detecting portion (not shown) is formed in a plane on a thermally conductive insulating substrate 2 and two electrodes (not shown) are provided at both ends. (Not shown) is formed. In this case, a platinum thin-film heater 4 is fixed on the other surface, that is, the back surface, of the insulating substrate 2 so as to be aligned with the sensing region of the gas detection unit. The platinum thin film heater 4 functions as the main heater 4 when the platinum auxiliary heater 13 is disposed around.

【0016】図4は、ガス検出部を例えば400度Cに
加熱するヒータ4をマイクロコンピュータで制御する本
発明の第1実施例の制御回路を示す。この制御回路は、
高温環境で使用されるガス検出部を加熱するヒータ4に
一定電流を供給し、このヒータ4の両端間の電圧を検出
してヒータ4の抵抗値を求め、この抵抗値が所定の温度
に対応した抵抗値になるように一定電流を増減させてい
る。
FIG. 4 shows a control circuit according to a first embodiment of the present invention, in which a microcomputer controls a heater 4 for heating a gas detector to, for example, 400 ° C. This control circuit
A constant current is supplied to a heater 4 for heating a gas detection unit used in a high-temperature environment, and a voltage between both ends of the heater 4 is detected to obtain a resistance value of the heater 4, and the resistance value corresponds to a predetermined temperature. The constant current is increased or decreased so that the resistance value becomes constant.

【0017】従って、ワンチップマイクロコンピュータ
システム14は、各入力がヒータ4の両端及び定電流駆
動トランジスタ15のエミッタに接続される多チャンネ
ルのA/D変換器16と、出力が同ベースに接続される
D/A変換器17とを含む。
Accordingly, the one-chip microcomputer system 14 has a multi-channel A / D converter 16 whose inputs are connected to both ends of the heater 4 and the emitter of the constant current drive transistor 15, and an output which is connected to the same base. And a D / A converter 17.

【0018】図5は、本発明の第2実施例の制御回路図
を示す。この図において、前記ガス検出部を高温に加熱
するヒータ4と直列接続された基準抵抗21は、増幅器
22の出力端及び接地間に接続されている。この増幅器
22は、オペアンプ23の出力端が保護抵抗24を経て
電流増幅用の電圧即ちエミッタフォロアのトランジスタ
25のベースに接続されている。従って、このエミッタ
を以後出力端と称する。また図1のガス検出部3を用い
た場合には、エミッタフォロアを省くことができる。
FIG. 5 shows a control circuit diagram of a second embodiment of the present invention. In this figure, a reference resistor 21 connected in series with a heater 4 for heating the gas detector to a high temperature is connected between the output terminal of an amplifier 22 and ground. In the amplifier 22, the output terminal of the operational amplifier 23 is connected to the voltage for current amplification, that is, the base of the transistor 25 of the emitter follower via the protection resistor 24. Therefore, this emitter is hereinafter referred to as an output terminal. When the gas detector 3 of FIG. 1 is used, the emitter follower can be omitted.

【0019】この増幅器22は、ヒータ4と基準抵抗2
1との接続点26が反転入力端に接続されているので、
この接続点26の電位が第1基準電源27の電圧Vr1
と等しくなるように電流が基準抵抗21及びヒータ4に
流されている。この第1基準電源27は、負極が接地さ
れ、正極が分圧回路28の抵抗29(抵抗値R1)を経
由して増幅器22の非反転入力端に接続されている。増
幅器22は反転入力端への電流が無視できる程度であ
る。このヒータ4の抵抗値RHは、未通電時に低く、通
電すると徐々に高くなって例えば400度Cに目標抵抗
値に到達する。
The amplifier 22 includes a heater 4 and a reference resistor 2.
1 is connected to the inverting input terminal,
The potential of the connection point 26 is equal to the voltage Vr1 of the first reference power supply 27.
The current is supplied to the reference resistor 21 and the heater 4 so as to be equal to. The first reference power supply 27 has a negative electrode grounded and a positive electrode connected to a non-inverting input terminal of the amplifier 22 via a resistor 29 (resistance value R1) of a voltage dividing circuit 28. The amplifier 22 has negligible current to the inverting input. The resistance value RH of the heater 4 is low when power is not supplied, gradually increases when power is supplied, and reaches the target resistance value, for example, at 400 ° C.

【0020】従って、基準抵抗21の出力端側の電圧
は、同じ電流値がヒータ4にも流れるので、未通電時に
高く、通電すると徐々に低くなって、ヒータ4が400
度Cになった時に目標電圧値VTに到達する。このヒー
タ4が400度Cになった時を検知し維持するために、
比較器31及び目標電圧値と等しい電圧Vr2を有する
第2基準電源32が用いられる。
Therefore, the voltage at the output end of the reference resistor 21 is the same when the heater 4 is not energized.
When the temperature reaches the degree C, the target voltage value VT is reached. In order to detect and maintain when the temperature of the heater 4 reaches 400 degrees C,
A comparator 31 and a second reference power supply 32 having a voltage Vr2 equal to the target voltage value are used.

【0021】この比較器31は、非反転入力端が増幅器
22の出力端に接続され、反転入力端が第2基準電源3
2の正極と接続されて、第2基準電源32の負極が第1
基準電源27の正極に接続されている。従って、検出電
圧が第2基準電圧Vr2と比較されて、比較結果に基づ
いて第1基準電圧を変化させている。或は、比較器31
の比較出力は、鋸波状に掃引された第1基準電源27の
電圧を目標値にサンプル・ホールドしてもよい。
The comparator 31 has a non-inverting input terminal connected to the output terminal of the amplifier 22 and an inverting input terminal connected to the second reference power source 3.
2 and the negative electrode of the second reference power source 32 is connected to the first positive electrode.
Connected to the positive electrode of reference power supply 27. Therefore, the detected voltage is compared with the second reference voltage Vr2, and the first reference voltage is changed based on the comparison result. Or the comparator 31
The comparison output may sample and hold the voltage of the first reference power supply 27 swept in a sawtooth waveform to a target value.

【0022】本実施例では、比較器31の出力端と分圧
回路28の残りの抵抗30(抵抗値R2)との間に、発
振回路(図示略)からのクロックによってオンオフ制御
されるアナログスイッチ33が接続される。このアナロ
グスイッチ33は、例えばシリコニックス社製のデュア
ルモノリシックSPST−CMOSアナログスイッチ3
3が用いられ、制御入力端に印加されるロジックレベル
によって、スイッチ素子がオン・オフされる。
In this embodiment, an analog switch which is turned on / off by a clock from an oscillation circuit (not shown) is provided between the output terminal of the comparator 31 and the remaining resistor 30 (resistance value R2) of the voltage dividing circuit 28. 33 are connected. The analog switch 33 is, for example, a dual monolithic SPST-CMOS analog switch 3 manufactured by Siliconix.
3 is used, and the switch element is turned on / off by a logic level applied to the control input terminal.

【0023】このスイッチ素子は、例えばオフ抵抗が1
0Mオーム以上であり、オン抵抗が100オーム以下で
あるので、オン抵抗値が分圧回路28の残りの抵抗30
の値R2に含まれるものとする。このクロックの周波数
は、少なくとも100Hz程度あれば実用上支障はな
い。従って、加熱期間と比較期間とが交互に実行され
る。
This switch element has, for example, an off-resistance of 1
0 M ohms or more and the on-resistance is 100 ohms or less.
Is included in the value R2. As long as the frequency of this clock is at least about 100 Hz, there is no practical problem. Therefore, the heating period and the comparison period are executed alternately.

【0024】まず通電において、加熱期間には、第1基
準電圧が非反転入力端に印加されてヒータ4が加熱され
てヒータ4の抵抗値が上昇し、同時にヒータ温度即ちガ
ス検出部の温度も徐々に上昇する。次に比較期間におい
て、比較器31は、増幅器22の出力端の検出電圧が第
2基準電圧よりも高い時に、図6の左側に示されるよう
に、論理レベルのHを出力する。
First, in the energization, during the heating period, the first reference voltage is applied to the non-inverting input terminal to heat the heater 4 and increase the resistance value of the heater 4, and at the same time, the heater temperature, that is, the temperature of the gas detection unit. Gradually rise. Next, during the comparison period, when the detection voltage at the output terminal of the amplifier 22 is higher than the second reference voltage, the comparator 31 outputs a logic level H as shown on the left side of FIG.

【0025】従って第1基準電圧より高い電圧が非反転
入力端に印加されてヒータ4を加熱期間のそれより更に
加熱して、ヒータ4の抵抗値を上昇させる。これら加熱
期間及び比較期間を交互に繰り返すことによって、ヒー
タ4の抵抗値が低い方から目標値に上昇する。
Accordingly, a voltage higher than the first reference voltage is applied to the non-inverting input terminal to heat the heater 4 further than during the heating period, thereby increasing the resistance value of the heater 4. By alternately repeating the heating period and the comparison period, the resistance value of the heater 4 increases from a lower value to a target value.

【0026】通電後暫くした比較期間において、比較器
31は、検出電圧が第2基準電圧と一致した時に、図6
の略中央に示されるように、第1基準電圧と同じ電圧を
出力する。従って、ヒータ4の抵抗値が目標値になると
共に、設定した温度にガス検出部を加熱して平衡する。
In the comparison period a short time after the energization, the comparator 31 detects when the detected voltage matches the second reference voltage.
, The same voltage as the first reference voltage is output. Therefore, the resistance value of the heater 4 becomes the target value, and the gas detection unit is heated to the set temperature and equilibrated.

【0027】もし比較期間において、比較器31は、ヒ
ータ4の抵抗値が目標値よりも高いならば、ガス検出部
の温度は目標温度より高くなっており、図6の右側に示
されるように、検出電圧が第2基準電圧より低くなり、
論理レベルのLを出力する。この場合、比較器は、汎用
オペアンプを用いた時に例えば0.5ボルト以下の飽和
電圧を持っているが無視する。従って、第1基準電圧の
分圧電圧が分圧回路28の分圧点35から非反転入力端
に印加されてヒータ4が加熱される。
In the comparison period, if the resistance value of the heater 4 is higher than the target value, the comparator 31 determines that the temperature of the gas detector is higher than the target temperature, as shown on the right side of FIG. , The detection voltage becomes lower than the second reference voltage,
The logic level L is output. In this case, the comparator has a saturation voltage of, for example, 0.5 volt or less when the general-purpose operational amplifier is used, but ignores it. Therefore, the divided voltage of the first reference voltage is applied from the voltage dividing point 35 of the voltage dividing circuit 28 to the non-inverting input terminal, and the heater 4 is heated.

【0028】図6は、ヒータ4が目標温度以下の時、目
標温度に達した時及び目標温度を越えた時の印加電圧の
波形図を示す。また基準抵抗21は、室温中に配置され
るが電流の変化による抵抗値変動を防止するために温度
補償された抵抗を用いたり、或は許容ワット数の大きい
抵抗又は放熱フィンを取付けた抵抗が用いられる。
FIG. 6 is a waveform diagram of the applied voltage when the heater 4 is at or below the target temperature, when it reaches the target temperature, and when it exceeds the target temperature. The reference resistor 21 is disposed at room temperature, but uses a temperature-compensated resistor to prevent a change in the resistance value due to a change in current, or a resistor having a large allowable wattage or a resistor having a radiation fin attached. Used.

【0029】従って、ヒータ4は、目標の抵抗値にな
り、また目標の温度、例えばガス検出部との間に介挿さ
れる基板又は膜2の熱抵抗による損失を考慮して410
度Cに加熱制御される。このため、ヒータ自身の発熱変
動或いは周囲温度の変化によるガス検出部の温度変化が
補償され、ガス検出部の感度特性が安定する。
Therefore, the heater 4 has a target resistance value and considers the target temperature, for example, the loss due to the thermal resistance of the substrate or the film 2 inserted between the gas detector and the target temperature 410.
The heating is controlled to the degree C. For this reason, the temperature change of the gas detection unit due to the heat generation fluctuation of the heater itself or the change of the ambient temperature is compensated, and the sensitivity characteristic of the gas detection unit is stabilized.

【0030】図3を再度参照すると、高温に加熱される
ガス検出部3を有するガス検出部の支持基板2の裏側に
配置された本発明による主ヒータ4及び補助ヒータ13
が示されている。この図において、支持基板2の裏面に
は、加熱領域がガス検出部の領域より僅かに広いように
位置合わせされて、例えば410度Cで目標抵抗値RH
を持つ主ヒータ4と、補助ヒータ13とが直線状に配置
されている。これら主ヒータ4及び補助ヒータ13は白
金薄膜又は蛇行させた白金線で配置されてもよい。
Referring again to FIG. 3, the main heater 4 and the auxiliary heater 13 according to the present invention, which are arranged on the back side of the support substrate 2 of the gas detecting section having the gas detecting section 3 heated to a high temperature.
It is shown. In this figure, the heating region is positioned on the back surface of the support substrate 2 so that the heating region is slightly wider than the region of the gas detection unit.
, And an auxiliary heater 13 are linearly arranged. The main heater 4 and the auxiliary heater 13 may be arranged by a platinum thin film or a meandering platinum wire.

【0031】図7は、図3に示す主及び補助ヒータ用の
制御回路図である。図において、図5に示す部品と類似
するものには同じ符号を付して説明を省略する。まず、
比較器即ち第2増幅器31の出力端と接地との間には補
助ヒータ13が接続されている。この第2増幅器31
は、2つの抵抗32、33によって増幅率が適宜設定さ
れている。
FIG. 7 is a control circuit diagram for the main and auxiliary heaters shown in FIG. In the figure, components similar to those shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. First,
The auxiliary heater 13 is connected between the output terminal of the comparator, that is, the second amplifier 31 and the ground. This second amplifier 31
The amplification factor is appropriately set by the two resistors 32 and 33.

【0032】動作において、第1増幅器22は、第1基
準電圧と同じ電圧が主ヒータ4に印加されるように主ヒ
ータ4を給電する。従って、加熱中の主ヒータ4は、例
えば410度Cに近ずくにつれて、抵抗値が目標値に上
昇する。この場合、第2増幅器31は、検出電圧が第2
基準電圧よりも高いので、Hレベルを出力して、補助ヒ
ータをフル加熱する。
In operation, the first amplifier 22 supplies power to the main heater 4 so that the same voltage as the first reference voltage is applied to the main heater 4. Therefore, the resistance value of the main heater 4 during heating rises to the target value as the temperature approaches 410 ° C., for example. In this case, the second amplifier 31 outputs the second detected voltage.
Since the voltage is higher than the reference voltage, the H level is output to fully heat the auxiliary heater.

【0033】主ヒータ4の抵抗値が目標値に近づいた時
には、ガス検出部の温度も目標温度に近づき、従って補
助ヒータ13の加熱度が徐々に下げられる。従って主ヒ
ータ4の抵抗値が目標値に一致した時に、補助ヒータ1
3の加熱度が半分になるように、第2増幅器31の利得
及びオフセット量が調整される。
When the resistance value of the main heater 4 approaches the target value, the temperature of the gas detecting section also approaches the target temperature, so that the heating degree of the auxiliary heater 13 is gradually reduced. Therefore, when the resistance value of the main heater 4 matches the target value, the auxiliary heater 1
The gain and offset amount of the second amplifier 31 are adjusted so that the heating degree of No. 3 becomes half.

【0034】主ヒータ4の抵抗値が目標値を越えた時に
は、ガス検出部の温度も目標温度を越え、補助ヒータ1
3の加熱度が半分以下に下げられる。従って、補助ヒー
タ13の加熱量がガス検出部の許容温度補償範囲によっ
て決定される。
When the resistance value of the main heater 4 exceeds the target value, the temperature of the gas detector also exceeds the target temperature, and the auxiliary heater 1
The heating degree of No. 3 is reduced to less than half. Therefore, the heating amount of the auxiliary heater 13 is determined by the allowable temperature compensation range of the gas detection unit.

【0035】このため、ガス検出部自身の発熱変動或は
周囲温度の変化によるガス検出部又はヒータの温度変化
が補償されるようになる。従って、ガス検出部の感知特
性が安定する。
For this reason, a change in the temperature of the gas detector or the heater due to a change in heat generation of the gas detector itself or a change in the ambient temperature is compensated. Therefore, the sensing characteristics of the gas detector are stabilized.

【0036】図5及び図7に示した本発明による制御回
路は、ヒータ4を接地側に配置し、基準抵抗21を増幅
器22の出力側に配置している。従って、これらヒータ
4及び基準抵抗21を入れ換えることができる。この場
合、比較器31の入力側の接続が入れ替わるだけで、動
作は上記回路と同じである。また、主ヒータと補助ヒー
タとを同心円状に配置することもできる。
In the control circuit according to the present invention shown in FIGS. 5 and 7, the heater 4 is arranged on the ground side, and the reference resistor 21 is arranged on the output side of the amplifier 22. Therefore, the heater 4 and the reference resistor 21 can be exchanged. In this case, the operation is the same as that of the above circuit, except that the connection on the input side of the comparator 31 is switched. Further, the main heater and the auxiliary heater can be arranged concentrically.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高温環境
で使用されるセンサの温度制御装置は、ヒータの発熱或
は周囲温度変動下のガス検出部を例えば400度Cの高
温に一定に維持し、信頼性を高めると共に、構造が簡単
で安価に構成することができる。
As described above, the temperature control apparatus for a sensor used in a high-temperature environment according to the present invention is capable of keeping the temperature of a gas detecting section under the heat generation of the heater or the fluctuation of the ambient temperature constant at, for example, 400 ° C. It is possible to maintain and improve the reliability, and to make the structure simple and inexpensive.

【0038】特に補助ヒータは、主ヒータと同一材料で
製造でき、主ヒータの温度変化を補償して、ガス検出部
の温度を所定値に保持させるように動作する。また、ガ
ス検出部及びヒータ間に設けられる基板又は膜は、気体
の対流伝熱と異なり固体中を伝播する熱伝導率が金属に
近く一定である。このため、熱電対やサーミスタなどの
測温体を配置しなくてもガス検出部の感知特性が安定に
なる。
In particular, the auxiliary heater can be made of the same material as the main heater, and operates so as to keep the temperature of the gas detector at a predetermined value by compensating for the temperature change of the main heater. Further, unlike a convective heat transfer of a gas, a substrate or a film provided between a gas detection unit and a heater has a constant thermal conductivity propagating in a solid, which is close to a metal. For this reason, the sensing characteristics of the gas detection unit become stable without disposing a temperature measuring element such as a thermocouple or a thermistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来のガスセンサの一実施例を示す一部断面斜
視図である。
FIG. 1 is a partially sectional perspective view showing one embodiment of a conventional gas sensor.

【図2】ガスセンサの別の実施例を示す一部断面斜視図
である。
FIG. 2 is a partial sectional perspective view showing another embodiment of the gas sensor.

【図3】本発明によるガスセンサの一実施例を示す裏側
から見た平面図である。
FIG. 3 is a plan view seen from the back side showing one embodiment of the gas sensor according to the present invention.

【図4】本発明によるマイクロコンピュータシステムを
用いた制御回路の実施例を示す概略回路図である。
FIG. 4 is a schematic circuit diagram showing an embodiment of a control circuit using the microcomputer system according to the present invention.

【図5】本発明による安価なICを用いた制御回路の実
施例を示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of a control circuit using an inexpensive IC according to the present invention.

【図6】図5に示す制御回路においてヒータに印加され
る電圧の波形図である。
6 is a waveform diagram of a voltage applied to a heater in the control circuit shown in FIG.

【図7】本発明の温度制御回路の第2の実施例を示す回
路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a second embodiment of the temperature control circuit of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 基板又は膜 3 ガス検知部 4 主ヒータ 13 補助ヒータ 21 基準抵抗 22 増幅器 27 第1基準電源 28 分圧回路 29 抵抗 30 抵抗 31 比較器 32 第2基準電源 33 スイッチ 2 Substrate or film 3 Gas detector 4 Main heater 13 Auxiliary heater 21 Reference resistor 22 Amplifier 27 First reference power supply 28 Voltage dividing circuit 29 Resistance 30 Resistance 31 Comparator 32 Second reference power supply 33 Switch

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ガス検出部が一面に固定される熱伝導性絶
縁基板と、 この絶縁基板の他面に前記ガス検出部の領域と位置合わ
せされて固定されたヒータと、 このヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を
一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用され
るセンサの温度制御装置。
1. A heat conductive insulating substrate on which a gas detecting portion is fixed on one surface, a heater fixed on the other surface of the insulating substrate in alignment with a region of the gas detecting portion, and a resistance value of the heater And a control circuit for controlling the temperature of the gas detection section to be constant based on the temperature control device.
【請求項2】ガス検出部が一面に固定された熱伝導性絶
縁基板と、 この絶縁基板の他面に前記ガス検出部の領域と位置合わ
せされて固定された主ヒータと、 前記絶縁基板の他面の主ヒータの回りに配置された補助
ヒータと、 この補助ヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温
度を一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用
されるセンサの温度制御装置。
2. A heat conductive insulating substrate having a gas detecting portion fixed on one surface, a main heater fixed to another surface of the insulating substrate in alignment with a region of the gas detecting portion, and A temperature of a sensor used in a high-temperature environment, comprising: an auxiliary heater arranged around a main heater on the other surface; and a control circuit for controlling the temperature of the gas detection unit to be constant based on a resistance value of the auxiliary heater. Control device.
【請求項3】ガス検出部が一面に固定された絶縁基板
と、 この絶縁基板の前記一面に固定されたヒータと、 このヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を
一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用され
るセンサの温度制御装置。
3. An insulating substrate having a gas detector fixed on one surface thereof, a heater fixed on the one surface of the insulating substrate, and controlling the temperature of the gas detector constant based on a resistance value of the heater. A temperature control device for a sensor used in a high-temperature environment, comprising a control circuit.
【請求項4】ガス検出部が一面に固定された絶縁基板
と、 この絶縁基板の前記一面に固定された主ヒータと、 前記絶縁基板の一面の主ヒータの回りに配置された補助
ヒータと、 この補助ヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温
度を一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用
されるセンサの温度制御装置。
4. An insulating substrate having a gas detector fixed on one surface thereof; a main heater fixed on the one surface of the insulating substrate; an auxiliary heater arranged around the main heater on one surface of the insulating substrate; A temperature control device for a sensor used in a high-temperature environment, comprising: a control circuit for controlling the temperature of the gas detection unit to be constant based on the resistance value of the auxiliary heater.
【請求項5】前記制御回路は、 前記ヒータに直列接続された基準抵抗と、 出力端が前記基準抵抗及び前記ヒータを経て接地される
と共に、反転入力端が前記基準抵抗及び前記ヒータの接
続点に接続され、非反転入力端が第1基準電圧に接続さ
れ得る増幅器と、 前記出力端の電圧と第2基準電圧とを比較して、この比
較結果に基づいて前記増幅器に供給される前記第1基準
電圧を変化させる比較器とを備えた請求項1又は3に記
載の温度制御装置。
5. A control circuit comprising: a reference resistor connected in series to the heater; an output terminal grounded through the reference resistor and the heater; and an inverting input terminal connected to the reference resistor and the heater. And an amplifier whose non-inverting input terminal can be connected to a first reference voltage; and comparing the voltage of the output terminal with a second reference voltage and supplying the second voltage to the amplifier based on the comparison result. 4. The temperature control device according to claim 1, further comprising: a comparator that changes the reference voltage.
【請求項6】前記制御回路は、 前記主ヒータに直列接続された基準抵抗と、 出力端が前記基準抵抗及び前記主ヒータを経て接地され
ると共に、反転入力端が前記基準抵抗及び前記ヒータの
接続点に接続され、非反転入力端が第1基準電圧に接続
され得る第1増幅器と、 非反転入力端が前記第1増幅器の出力端に接続され、反
転入力端が第2基準電圧に接続され、出力端が前記補助
ヒータを経て接地された第2増幅器とを備えた請求項2
又は4に記載の温度制御装置。
6. A control circuit comprising: a reference resistor connected in series to the main heater; an output terminal grounded via the reference resistor and the main heater; and an inverting input terminal connected to the reference resistor and the heater. A first amplifier connected to a connection point and having a non-inverting input terminal connected to a first reference voltage, a non-inverting input terminal connected to an output terminal of the first amplifier, and an inverting input terminal connected to a second reference voltage; And a second amplifier having an output terminal grounded through the auxiliary heater.
Or the temperature control device according to 4.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998017994A1 (en) * 1996-10-22 1998-04-30 Kabushiki Kaisha Riken Heating-type sensor

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WO1998017994A1 (en) * 1996-10-22 1998-04-30 Kabushiki Kaisha Riken Heating-type sensor

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