JPH1096686A - 気体濃度センサ - Google Patents
気体濃度センサInfo
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- JPH1096686A JPH1096686A JP9083803A JP8380397A JPH1096686A JP H1096686 A JPH1096686 A JP H1096686A JP 9083803 A JP9083803 A JP 9083803A JP 8380397 A JP8380397 A JP 8380397A JP H1096686 A JPH1096686 A JP H1096686A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0062—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/08—Means for indicating or recording, e.g. for remote indication
- G01L19/12—Alarms or signals
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 閉じた又は一定の体積の容器における気体濃
度を測定すること 【解決手段】 気体濃度センサ(10)は、容器の内部
に配置された圧力感知デバイス(12)を含み、この圧
力感知デバイス(12)は、容器の内部の気体圧力と関
数関係を有する第1の電気信号を発生する。また、気体
濃度センサ(10)は、圧力感知デバイス(12)に接
続された電子回路を含み、第1の電気信号を増幅し、任
意の温度における体積内の気体濃度と関数関係を有する
第2の電気信号を生じる。
度を測定すること 【解決手段】 気体濃度センサ(10)は、容器の内部
に配置された圧力感知デバイス(12)を含み、この圧
力感知デバイス(12)は、容器の内部の気体圧力と関
数関係を有する第1の電気信号を発生する。また、気体
濃度センサ(10)は、圧力感知デバイス(12)に接
続された電子回路を含み、第1の電気信号を増幅し、任
意の温度における体積内の気体濃度と関数関係を有する
第2の電気信号を生じる。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサに関し、更
に詳しくは、圧力感知デバイスを用いて気体濃度を測定
する方法及び装置に関する。
に詳しくは、圧力感知デバイスを用いて気体濃度を測定
する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】これまでにも、種々の半導体材料を感知
素子として用い、異なる気体の濃度を測定することが行
われてきた。例えば、二酸化スズなどのある種の半導体
の電気抵抗値は、ある種の気体の濃度変化に従って変動
する。
素子として用い、異なる気体の濃度を測定することが行
われてきた。例えば、二酸化スズなどのある種の半導体
の電気抵抗値は、ある種の気体の濃度変化に従って変動
する。
【0003】別のタイプの気体濃度センサでは、気体を
充填した円柱の対を利用する。一方の円柱の中の気体濃
度を他方の円柱の中の気体濃度に対する基準とし、一方
の容器の圧力が他方の容器の圧力よりも下がった場合に
は、スイッチが開閉して、気体濃度の変化を示す。
充填した円柱の対を利用する。一方の円柱の中の気体濃
度を他方の円柱の中の気体濃度に対する基準とし、一方
の容器の圧力が他方の容器の圧力よりも下がった場合に
は、スイッチが開閉して、気体濃度の変化を示す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】種々の半導体材料を用
いて直接に気体濃度を測定する際の1つの問題点とし
て、半導体感知素子が、濃度を測定する特定の気体に対
する感知性を有しなければならないことがある。そのよ
うなデバイスを用いることに付随する別の問題点とし
て、非線形性と低い感度とがある。更に、「気体検出及
びモニタ装置」と題する米国特許第4498330号
(Toshiro Goto)に記載されているように、温度補償の
ために追加的な回路が必要になることが多い。
いて直接に気体濃度を測定する際の1つの問題点とし
て、半導体感知素子が、濃度を測定する特定の気体に対
する感知性を有しなければならないことがある。そのよ
うなデバイスを用いることに付随する別の問題点とし
て、非線形性と低い感度とがある。更に、「気体検出及
びモニタ装置」と題する米国特許第4498330号
(Toshiro Goto)に記載されているように、温度補償の
ために追加的な回路が必要になることが多い。
【0005】2つの円柱を気体濃度センサとして用いる
ことに関する主な問題点は、デバイスのサイズが比較的
大型であり、典型的には、1立方インチよりも大きいこ
とである。
ことに関する主な問題点は、デバイスのサイズが比較的
大型であり、典型的には、1立方インチよりも大きいこ
とである。
【0006】従って、本発明の目的は、閉じた又は一定
の体積の容器における気体濃度を測定することである。
測定は、温度に対する既知の応答を有する圧力感知デバ
イスを、電子回路と共に用いることによって行われる。
この電子回路は、感知デバイスと回路との結果的な組合
せからの出力信号が容器における気体濃度と関数関係を
有し、気体濃度センサが温度変動に対して補償されるよ
うに選択された温度応答を有する。
の体積の容器における気体濃度を測定することである。
測定は、温度に対する既知の応答を有する圧力感知デバ
イスを、電子回路と共に用いることによって行われる。
この電子回路は、感知デバイスと回路との結果的な組合
せからの出力信号が容器における気体濃度と関数関係を
有し、気体濃度センサが温度変動に対して補償されるよ
うに選択された温度応答を有する。
【0007】1つの実施例では、圧力感知デバイスは、
ホイートストン・ブリッジ構成に配列された圧電抵抗素
子を含み、この圧電抵抗素子と電子回路とは、1つの半
導体チップ上に集積されている。電子回路は、ゲイン回
路とコンパレータ回路とを含む。ゲイン及びコンパレー
タ回路における指定された抵抗の温度応答は、製造プロ
セスの間の種々のドーパントの注入レベルを変動させる
ことによって、選択される。その結果として、この気体
濃度センサは、容器内の気体の温度変動とは無関係に、
容器内の気体濃度変化を正確に検出できる。
ホイートストン・ブリッジ構成に配列された圧電抵抗素
子を含み、この圧電抵抗素子と電子回路とは、1つの半
導体チップ上に集積されている。電子回路は、ゲイン回
路とコンパレータ回路とを含む。ゲイン及びコンパレー
タ回路における指定された抵抗の温度応答は、製造プロ
セスの間の種々のドーパントの注入レベルを変動させる
ことによって、選択される。その結果として、この気体
濃度センサは、容器内の気体の温度変動とは無関係に、
容器内の気体濃度変化を正確に検出できる。
【0008】本発明の実際的な効果は、温度補償された
気体濃度センサを提供することである。本発明の他の効
果には、小型で、信頼性が高く、製造が容易で、低コス
トである気体濃度センサを提供することが含まれる。更
に、種々の電子回路がこの圧力感知デバイスと共に用い
られるので、異なる電子制御ユニットへの接続のため
の、種々の信号出力が可能である。
気体濃度センサを提供することである。本発明の他の効
果には、小型で、信頼性が高く、製造が容易で、低コス
トである気体濃度センサを提供することが含まれる。更
に、種々の電子回路がこの圧力感知デバイスと共に用い
られるので、異なる電子制御ユニットへの接続のため
の、種々の信号出力が可能である。
【0009】本発明のこれ以外の特徴及び効果は、以下
の実施例の説明と冒頭の特許請求の範囲とに記載されて
いる。
の実施例の説明と冒頭の特許請求の範囲とに記載されて
いる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を詳細に説明する
前に、本発明は、以下の実施例の説明や図面に図解され
る構成要素の構成及び配列の詳細に、その応用におい
て、限定されないことを理解すべきである。本発明は、
別の実施例も含み得るし、種々の態様で実現又は実行が
可能である。また、ここで用いる用語や専門用語は、単
に説明目的のものであり、限定を意図しないことを理解
すべきである。
前に、本発明は、以下の実施例の説明や図面に図解され
る構成要素の構成及び配列の詳細に、その応用におい
て、限定されないことを理解すべきである。本発明は、
別の実施例も含み得るし、種々の態様で実現又は実行が
可能である。また、ここで用いる用語や専門用語は、単
に説明目的のものであり、限定を意図しないことを理解
すべきである。
【0011】図1には、気体濃度センサ10が図解され
ている。気体濃度センサ10は、圧力感知デバイス12
と、ゲイン回路14と、コンパレータ回路16とを含
む。
ている。気体濃度センサ10は、圧力感知デバイス12
と、ゲイン回路14と、コンパレータ回路16とを含
む。
【0012】気体濃度センサ10は、好ましくは、囲ま
れた一定体積の容器に接続され、又は、その内部に取り
付けられており、容器の中の気体の圧力を直接に測定で
きるようになっている。例えば、センサ10は、図3に
図解されているように、エアバッグ膨張キャニスタ(ca
nister)17と共に用いられて、キャニスタ内部の気体
濃度が必要な際にエアバッグを適切に膨張させるのに十
分であることが保証される。キャニスタ17は、この技
術分野で広く知られているように、開始装置(イニシエ
ータ)19を含む乗員エアバッグ膨張装置の一部であ
る。
れた一定体積の容器に接続され、又は、その内部に取り
付けられており、容器の中の気体の圧力を直接に測定で
きるようになっている。例えば、センサ10は、図3に
図解されているように、エアバッグ膨張キャニスタ(ca
nister)17と共に用いられて、キャニスタ内部の気体
濃度が必要な際にエアバッグを適切に膨張させるのに十
分であることが保証される。キャニスタ17は、この技
術分野で広く知られているように、開始装置(イニシエ
ータ)19を含む乗員エアバッグ膨張装置の一部であ
る。
【0013】図1を参照すると、圧力感知デバイス12
は、ハーフブリッジ抵抗ネットワークや、フルブリッジ
抵抗ネットワークや、又は、デバイスに加えられた圧力
と共に変動するインピーダンスを有するシリコン又はポ
リシリコンから成る任意の他の組合せであり得る抵抗ブ
リッジ・ネットワークである。圧力感知デバイスは、変
動する電圧を抵抗の両端の間に生じさせその電圧を周囲
の圧力変化に応答して変動させるネットワークにおける
1つの抵抗でもよい。
は、ハーフブリッジ抵抗ネットワークや、フルブリッジ
抵抗ネットワークや、又は、デバイスに加えられた圧力
と共に変動するインピーダンスを有するシリコン又はポ
リシリコンから成る任意の他の組合せであり得る抵抗ブ
リッジ・ネットワークである。圧力感知デバイスは、変
動する電圧を抵抗の両端の間に生じさせその電圧を周囲
の圧力変化に応答して変動させるネットワークにおける
1つの抵抗でもよい。
【0014】図1に示されるように、圧力感知デバイス
12は、標準的なハーフ・アクティブなホイートストン
・ブリッジ構成に配列された4つの抵抗RREF1、
RREF2、RA1、及びRA2を含む。抵抗RA1及びRA2は、
ポリシリコン・ダイフラムの上にそれぞれ形成された圧
電抵抗素子であり、このダイアフラム上にかかる圧力
が、ダイアフラムの移動と、抵抗RA1及びRA2の抵抗値
のそれに対応する変化とを引き起こす。好ましくは、抵
抗RA1及びRA2の抵抗値は、ダイアフラム上に加わる圧
力の増加と共に線形に増加する。抵抗RREF1及びRREF2
は、圧力に対しては不活性であり(アクティブではな
く)、すなわち、RREF1及びRREF2の抵抗値は、圧力の
変化によっては変化しない。任意の適切な半導体圧力感
知デバイスを用いることができるが、好適実施例の圧力
感知デバイスは、米国特許第4744863号、第48
53669号、及び第4996082号に記載されてい
る。これらの米国特許は、この出願で援用する。
12は、標準的なハーフ・アクティブなホイートストン
・ブリッジ構成に配列された4つの抵抗RREF1、
RREF2、RA1、及びRA2を含む。抵抗RA1及びRA2は、
ポリシリコン・ダイフラムの上にそれぞれ形成された圧
電抵抗素子であり、このダイアフラム上にかかる圧力
が、ダイアフラムの移動と、抵抗RA1及びRA2の抵抗値
のそれに対応する変化とを引き起こす。好ましくは、抵
抗RA1及びRA2の抵抗値は、ダイアフラム上に加わる圧
力の増加と共に線形に増加する。抵抗RREF1及びRREF2
は、圧力に対しては不活性であり(アクティブではな
く)、すなわち、RREF1及びRREF2の抵抗値は、圧力の
変化によっては変化しない。任意の適切な半導体圧力感
知デバイスを用いることができるが、好適実施例の圧力
感知デバイスは、米国特許第4744863号、第48
53669号、及び第4996082号に記載されてい
る。これらの米国特許は、この出願で援用する。
【0015】ホイートストン・ブリッジは、抵抗RA1と
抵抗RREF1との間に接続された定電圧源VCCによって、
励起される。ここで、共通の又はグランド基準が、抵抗
RRE F2と抵抗RA2との間に接続されている。圧力感知デ
バイス12は、また、ブリッジ・ノード20及び22に
おいて、それぞれ電圧VBR1及びVBR2を含み、圧力感知
デバイスが露出している圧力を示す差動電圧出力を送信
する。
抵抗RREF1との間に接続された定電圧源VCCによって、
励起される。ここで、共通の又はグランド基準が、抵抗
RRE F2と抵抗RA2との間に接続されている。圧力感知デ
バイス12は、また、ブリッジ・ノード20及び22に
おいて、それぞれ電圧VBR1及びVBR2を含み、圧力感知
デバイスが露出している圧力を示す差動電圧出力を送信
する。
【0016】ゲイン回路14は、抵抗RIN、RF、及び
ROFFSETに加えて、演算増幅器A1及びA2を含む。ブ
リッジ・ノード22は、演算増幅器A1の正の(非反
転)入力端子に接続される。演算増幅器A1は、出力ノ
ード24において、電圧VAを有し、電圧フォロワ・モ
ードに接続され、電圧VAはA1の正の入力端子におい
てVBR2に従うようになっている。出力ノード24は、
A2の負の(反転)入力端子に、抵抗RINを介して接続
される。ブリッジ・ノード20は、演算増幅器A2の正
の(非反転)入力端子に接続される。
ROFFSETに加えて、演算増幅器A1及びA2を含む。ブ
リッジ・ノード22は、演算増幅器A1の正の(非反
転)入力端子に接続される。演算増幅器A1は、出力ノ
ード24において、電圧VAを有し、電圧フォロワ・モ
ードに接続され、電圧VAはA1の正の入力端子におい
てVBR2に従うようになっている。出力ノード24は、
A2の負の(反転)入力端子に、抵抗RINを介して接続
される。ブリッジ・ノード20は、演算増幅器A2の正
の(非反転)入力端子に接続される。
【0017】演算増幅器A2は、差動モードに接続さ
れ、電圧VBR1と電圧VBR2との間の電圧差を増幅する。
抵抗RFは、演算増幅器A2の負の(反転)入力端子と
演算増幅器A2の出力ノード28との間に接続される。
抵抗ROFFSETは、電圧源VCCと演算増幅器A2の負の入
力端子との間に接続される。次の数式1は、差動増幅器
A2の出力ノード28における電圧VGを表す。
れ、電圧VBR1と電圧VBR2との間の電圧差を増幅する。
抵抗RFは、演算増幅器A2の負の(反転)入力端子と
演算増幅器A2の出力ノード28との間に接続される。
抵抗ROFFSETは、電圧源VCCと演算増幅器A2の負の入
力端子との間に接続される。次の数式1は、差動増幅器
A2の出力ノード28における電圧VGを表す。
【数1】 VG=(RF/RIN)x(VBR1−VBR2)+(RF/ROFFSET)x(VBR1−VCC) +VBR1 (数式1)
【0018】出力ノード28は、コンパレータ回路16
に接続される。コンパレータ回路16は、演算増幅器A
3と抵抗R1及びR2を含む。特に、ノード28は、演算
増幅器A3の正の(非反転)入力端子に接続される。演
算増幅器A3の負の(反転)入力端子は、抵抗R2を介
して電圧源VCCに接続され、また、抵抗R1を介してグ
ランドに接続され、ノード30に次の数式2で表される
基準電圧VREFを生じる。
に接続される。コンパレータ回路16は、演算増幅器A
3と抵抗R1及びR2を含む。特に、ノード28は、演算
増幅器A3の正の(非反転)入力端子に接続される。演
算増幅器A3の負の(反転)入力端子は、抵抗R2を介
して電圧源VCCに接続され、また、抵抗R1を介してグ
ランドに接続され、ノード30に次の数式2で表される
基準電圧VREFを生じる。
【数2】 VREF=[R1/(R1+R2)]xVCC (数式2) 演算増幅器A3の出力ノード32における電圧VOUTは、
電圧VGが電圧VREFよりも大きいときには論理1に等し
く、電圧VGが電圧VREFよりも小さいときには論理0に
等しい。
電圧VGが電圧VREFよりも大きいときには論理1に等し
く、電圧VGが電圧VREFよりも小さいときには論理0に
等しい。
【0019】好適実施例においては、抵抗RIN、R
OFFSET、RF、R1、及びR2は、圧力感知デバイス12
と同じサブストレートの上にポリシリコンの薄膜から形
成されるので、演算増幅器A1、A2、及びA3は、圧
力感知デバイス12と同じ周囲温度に露出される。これ
らの抵抗の抵抗値は、温度の揺らぎに応答して変動す
る。温度の揺らぎに応答してこれらの抵抗の抵抗値が変
動する程度は、抵抗を形成している材料の温度係数に直
接関係する。例えば、ポリシリコンの抵抗は、この技術
分野で広く知られているように、ホウ素、リン、ヒ素、
又はアンチモンなどの選択された濃度の不純物を用い
て、ドープすることができる。選択された抵抗に対する
ドーパントのタイプと量とは、ゲイン回路14とコンパ
レータ回路16とに対して所定の温度応答を確立するよ
うに選択される。これについては、以下で、更に詳細に
説明する。
OFFSET、RF、R1、及びR2は、圧力感知デバイス12
と同じサブストレートの上にポリシリコンの薄膜から形
成されるので、演算増幅器A1、A2、及びA3は、圧
力感知デバイス12と同じ周囲温度に露出される。これ
らの抵抗の抵抗値は、温度の揺らぎに応答して変動す
る。温度の揺らぎに応答してこれらの抵抗の抵抗値が変
動する程度は、抵抗を形成している材料の温度係数に直
接関係する。例えば、ポリシリコンの抵抗は、この技術
分野で広く知られているように、ホウ素、リン、ヒ素、
又はアンチモンなどの選択された濃度の不純物を用い
て、ドープすることができる。選択された抵抗に対する
ドーパントのタイプと量とは、ゲイン回路14とコンパ
レータ回路16とに対して所定の温度応答を確立するよ
うに選択される。これについては、以下で、更に詳細に
説明する。
【0020】一般的な動作においては、気体濃度センサ
10は、閉じた体積の容器の中に配置され、容器の中の
気体の圧力が圧力感知デバイス12によって感知され、
すべての要素が同時に同じ周囲温度に露出される。気体
濃度センサ10は、圧力感知デバイス12を用いて、気
体の圧力を感知する。従って、実際に感知される物理的
性質は圧力であるが、ゲイン回路14とコンパレータ回
路16との温度応答は、センサの出力VOUTは、気体の
濃度を示す電気信号である。
10は、閉じた体積の容器の中に配置され、容器の中の
気体の圧力が圧力感知デバイス12によって感知され、
すべての要素が同時に同じ周囲温度に露出される。気体
濃度センサ10は、圧力感知デバイス12を用いて、気
体の圧力を感知する。従って、実際に感知される物理的
性質は圧力であるが、ゲイン回路14とコンパレータ回
路16との温度応答は、センサの出力VOUTは、気体の
濃度を示す電気信号である。
【0021】既に述べたように、センサ10は、エアバ
ッグ膨張キャニスタと共に用いることができ、キャニス
タ内部の気体濃度が必要な際にエアバッグを適切に膨張
させるのに十分であることを保証する。センサVOUTの
出力は、キャニスタが十分な量の気体を含むことを示す
のに用いられる論理1か、又は、キャニスタ内の気体の
量がエアバッグを適切に膨張させるには不十分であるこ
とを示すのに用いられる論理0か、のどちらかである。
ッグ膨張キャニスタと共に用いることができ、キャニス
タ内部の気体濃度が必要な際にエアバッグを適切に膨張
させるのに十分であることを保証する。センサVOUTの
出力は、キャニスタが十分な量の気体を含むことを示す
のに用いられる論理1か、又は、キャニスタ内の気体の
量がエアバッグを適切に膨張させるには不十分であるこ
とを示すのに用いられる論理0か、のどちらかである。
【0022】容器の内部の気体温度の変化の結果として
生じる絶対気体圧力の変化を補償するために、ゲイン回
路の温度応答(TRG)とコンパレータ回路の温度応答
(TRC)は、ブリッジ感度の温度応答(TRBS)及
び気体圧力の温度応答(TRGP)と組み合わせられた
ときに電圧VOUTが気体濃度を示す信号となるように、
選択される。従って、VOUTは、気体濃度が一定に維持
されるならば、温度が変動したとしても、論理1に維持
される。更に、電圧VOUTは、気体濃度が所定の濃度よ
り下まで低下したときには、論理0に切り換わる。
生じる絶対気体圧力の変化を補償するために、ゲイン回
路の温度応答(TRG)とコンパレータ回路の温度応答
(TRC)は、ブリッジ感度の温度応答(TRBS)及
び気体圧力の温度応答(TRGP)と組み合わせられた
ときに電圧VOUTが気体濃度を示す信号となるように、
選択される。従って、VOUTは、気体濃度が一定に維持
されるならば、温度が変動したとしても、論理1に維持
される。更に、電圧VOUTは、気体濃度が所定の濃度よ
り下まで低下したときには、論理0に切り換わる。
【0023】温度応答のために摂氏当たりのパーツ・パ
ー・ミリオン(ppm/℃)の単位を用いることによっ
て、電圧VOUTは、次の数式3がほぼ成立すれば、気体
濃度の測度(measure)となり得る。
ー・ミリオン(ppm/℃)の単位を用いることによっ
て、電圧VOUTは、次の数式3がほぼ成立すれば、気体
濃度の測度(measure)となり得る。
【数3】 TRGP+TRBS+TRG+TRC=0 (数式3)
【0024】気体圧力の温度応答(TRGP)を計算す
るためには、次の数式4に示す理想気体の状態方程式を
用いる必要がある。ただし、Pは気体圧力、Vは体積、
nは気体のモル数、Rは普遍気体定数、Kは絶対温度
(ケルビン)である。
るためには、次の数式4に示す理想気体の状態方程式を
用いる必要がある。ただし、Pは気体圧力、Vは体積、
nは気体のモル数、Rは普遍気体定数、Kは絶対温度
(ケルビン)である。
【数4】PV=nRT (数式4)
【0025】閉じた体積のシステムでは、V、n、Rは
一定であるから、数式4に従うと、次の数式5が得られ
る。
一定であるから、数式4に従うと、次の数式5が得られ
る。
【数5】P=kT (数式5) この数式で、kは、特定の圧力及び温度に対する気体圧
力の温度応答を表す比例定数である。単純な言葉で表現
すれば、気体濃度が一定に保たれれば、温度が上昇する
につれて、気体圧力も上昇し、温度が低下すれば、気体
圧力も線形に低下する。T=25℃において、P=20
00PSIである場合には、TRGPは、約3350p
pm/℃と計算される。
力の温度応答を表す比例定数である。単純な言葉で表現
すれば、気体濃度が一定に保たれれば、温度が上昇する
につれて、気体圧力も上昇し、温度が低下すれば、気体
圧力も線形に低下する。T=25℃において、P=20
00PSIである場合には、TRGPは、約3350p
pm/℃と計算される。
【0026】ブリッジ感度の温度応答(TRBS)は、
圧力感知デバイスの特定の圧電抵抗の特性であり、経験
的に決定することができる。単純な言葉で表現すれば、
ブリッジ出力電圧の圧力に対する感度(例えば、ボルト
/psi)は、温度が上昇すると低下する。好適実施例
では、ブリッジ感度の温度応答は、約−1500ppm
/℃である。
圧力感知デバイスの特定の圧電抵抗の特性であり、経験
的に決定することができる。単純な言葉で表現すれば、
ブリッジ出力電圧の圧力に対する感度(例えば、ボルト
/psi)は、温度が上昇すると低下する。好適実施例
では、ブリッジ感度の温度応答は、約−1500ppm
/℃である。
【0027】数式3を用いると、ゲイン回路とコンパレ
ータ回路とから要求される温度応答は、およそ、−(3
350−1500)=−1850ppm/℃である。ゲ
イン回路の温度応答を計算するためには、抵抗RIN、R
F、及びROFFSETの温度応答を次の数式6のように数量
化する必要がある。ただし、RIN0は基準温度(25
℃)でのRINの抵抗値、∝INはRINの温度係数、Tは動
作温度、T0は基準温度(25℃)である。
ータ回路とから要求される温度応答は、およそ、−(3
350−1500)=−1850ppm/℃である。ゲ
イン回路の温度応答を計算するためには、抵抗RIN、R
F、及びROFFSETの温度応答を次の数式6のように数量
化する必要がある。ただし、RIN0は基準温度(25
℃)でのRINの抵抗値、∝INはRINの温度係数、Tは動
作温度、T0は基準温度(25℃)である。
【数6】 RIN(T)=RIN0[1+∝IN(T−T0)] (数式6)
【0028】同様にして、次の数式7及び数式8が得ら
れる。
れる。
【数7】 RF(T)=RF0[1+∝F(T−T0)] (数式7)
【数8】 ROFFSET(T)=ROFFSET[1+∝OFFSET(T−T0)] (数式8)
【0029】好適実施例では、与えられた基準温度で
は、ROFFSETの抵抗値は、フィードバック抵抗RFの抵
抗値と実質的に等しく、それぞれのためのポリシリコン
は、同じ注入濃度を用いてドープされ、それによって、
ROFFSETの温度係数は、RFの温度係数と実質的に等し
い(∝F=∝OFFSET)。
は、ROFFSETの抵抗値は、フィードバック抵抗RFの抵
抗値と実質的に等しく、それぞれのためのポリシリコン
は、同じ注入濃度を用いてドープされ、それによって、
ROFFSETの温度係数は、RFの温度係数と実質的に等し
い(∝F=∝OFFSET)。
【0030】数式1に温度に依存する値であるRF、R
OFFSET、及びRINを代入すると、結果的に、ゲイン回路
の温度応答のための次の数式9が得られる。
OFFSET、及びRINを代入すると、結果的に、ゲイン回路
の温度応答のための次の数式9が得られる。
【数9】 (数式9)
【0031】数式9の最後の2つの項は、温度に依存し
ない。従って、ゲイン回路の温度応答は、抵抗RF及び
RINの温度係数∝F及び∝INの関数である。温度係数∝F
及び∝INは、ppm/℃で表現することができ、その値
は、RF及びRINを形成するのに用いられる特定の材料
の関数である。既に述べたように、抵抗RF及びRINを
構成する材料は、温度変動に応答して差動ゲインを変動
させるように正確に選択することができ、それによっ
て、与えられた入力に対して、温度変動に応答して既知
の態様で変動する又は温度変動に応答して実質的に一定
である出力を生じる。
ない。従って、ゲイン回路の温度応答は、抵抗RF及び
RINの温度係数∝F及び∝INの関数である。温度係数∝F
及び∝INは、ppm/℃で表現することができ、その値
は、RF及びRINを形成するのに用いられる特定の材料
の関数である。既に述べたように、抵抗RF及びRINを
構成する材料は、温度変動に応答して差動ゲインを変動
させるように正確に選択することができ、それによっ
て、与えられた入力に対して、温度変動に応答して既知
の態様で変動する又は温度変動に応答して実質的に一定
である出力を生じる。
【0032】抵抗RIN、RF、及びROFFSETを、気体濃
度センサが温度の上昇を経験すると入力抵抗RINの抵抗
値は低下し、フィーバック抵抗RF及びオフセット抵抗
ROFF SETの抵抗値は上昇するように注入することによっ
て、ゲイン回路は、負の温度応答を有する。例えば、約
2.2x1015cm-2でリンを用いてRINをドープし、
約1.8x1016cm-2でリンを用いてRF及びR
OFFSETをドープする結果として、約−1500ppm/
℃のTRGが得られる。ホウ素、ヒ素、又はアンチモン
などの他のドーパントも、要求される温度応答に依存し
て適切であり、これらのドーパントを、アプリケーショ
ンに応じて、種々の濃度で用いることができる。
度センサが温度の上昇を経験すると入力抵抗RINの抵抗
値は低下し、フィーバック抵抗RF及びオフセット抵抗
ROFF SETの抵抗値は上昇するように注入することによっ
て、ゲイン回路は、負の温度応答を有する。例えば、約
2.2x1015cm-2でリンを用いてRINをドープし、
約1.8x1016cm-2でリンを用いてRF及びR
OFFSETをドープする結果として、約−1500ppm/
℃のTRGが得られる。ホウ素、ヒ素、又はアンチモン
などの他のドーパントも、要求される温度応答に依存し
て適切であり、これらのドーパントを、アプリケーショ
ンに応じて、種々の濃度で用いることができる。
【0033】数式3によると、コンパレータ回路に対し
て要求される温度応答は、約−350ppm/℃であ
る。抵抗R1及びR2は、次の数式10及び数式11のよ
うに表すことができる。
て要求される温度応答は、約−350ppm/℃であ
る。抵抗R1及びR2は、次の数式10及び数式11のよ
うに表すことができる。
【数10】 R1(T)=R10[1+∝1(T−T0)] (数式10)
【数11】 R2(T)=R20[1+∝2(T−T0)] (数式11)
【0034】数式10及び数式11を数式2に代入する
と、次の数式12を得る。
と、次の数式12を得る。
【数12】 (数式12)
【0035】数式12の最後の式は、∝1及び∝2に関し
て解くことができる。次に、適切なドーピング・レベル
を、R1及びR2に対して選択して、コンパレータ回路に
対して要求される温度応答を達成することができる。
て解くことができる。次に、適切なドーピング・レベル
を、R1及びR2に対して選択して、コンパレータ回路に
対して要求される温度応答を達成することができる。
【0036】気体濃度センサのための構成要素の選択に
関する説明を次に行う。与えられた圧力と基準温度に対
して、例えば、25℃における2000psiに対し
て、圧力感知デバイス12は、そのレンジの中間のどこ
かで動作するはずである。この理由は、(気体濃度は一
定に保たれると仮定すると)温度が上昇すると気体圧力
は上昇し、温度が低下する、気体圧力は低下し、圧力感
知デバイス12は、動作の要求される温度レンジを超え
て圧力を変化させる有用な出力を有していなければなら
ない。
関する説明を次に行う。与えられた圧力と基準温度に対
して、例えば、25℃における2000psiに対し
て、圧力感知デバイス12は、そのレンジの中間のどこ
かで動作するはずである。この理由は、(気体濃度は一
定に保たれると仮定すると)温度が上昇すると気体圧力
は上昇し、温度が低下する、気体圧力は低下し、圧力感
知デバイス12は、動作の要求される温度レンジを超え
て圧力を変化させる有用な出力を有していなければなら
ない。
【0037】与えられた圧力と基準温度とに対しては、
電圧VGは、回路14のゲインに応じて、特定の値を有
する。RF、RIN、及びROFFSETのための基準温度抵抗
値の選択は、この技術分野で広く知られている。ノード
30における電圧VREFは、コンパレータA3の出力は
それより下では論理0に切り換わる気体濃度設定点を示
すように設定される。この電圧の選択は、所望の公差
(トレランス)に依存する。
電圧VGは、回路14のゲインに応じて、特定の値を有
する。RF、RIN、及びROFFSETのための基準温度抵抗
値の選択は、この技術分野で広く知られている。ノード
30における電圧VREFは、コンパレータA3の出力は
それより下では論理0に切り換わる気体濃度設定点を示
すように設定される。この電圧の選択は、所望の公差
(トレランス)に依存する。
【0038】図2は、気体濃度センサの第2の実施例で
ある。この気体濃度センサは、圧力感知デバイス12、
第1のゲイン回路14、及び第2のゲイン回路18を含
む。図2の圧力感知デバイス12は、図1に関して上述
したものと同じであり、同じ参照番号及び文字が、同一
の又は対応する要素を指定している。
ある。この気体濃度センサは、圧力感知デバイス12、
第1のゲイン回路14、及び第2のゲイン回路18を含
む。図2の圧力感知デバイス12は、図1に関して上述
したものと同じであり、同じ参照番号及び文字が、同一
の又は対応する要素を指定している。
【0039】図2の第1のゲイン回路は、図1に関して
既に説明したゲイン回路と同じである。しかし、図2の
圧力感知デバイス12のブリッジ・ノード34及び36
は、それぞれ、電圧VBR1及びVBR2を有しており、ノー
ド20及び22が図1のゲイン回路に接続されている態
様とは逆になっている。次の数式13は、図2の差動増
幅器A2のノード38における電圧VGを表している。
既に説明したゲイン回路と同じである。しかし、図2の
圧力感知デバイス12のブリッジ・ノード34及び36
は、それぞれ、電圧VBR1及びVBR2を有しており、ノー
ド20及び22が図1のゲイン回路に接続されている態
様とは逆になっている。次の数式13は、図2の差動増
幅器A2のノード38における電圧VGを表している。
【数13】 VG=(RF/RIN)x(VBR2−VBR1)+(RF/ROFFSET)x(VBR2−VCC) +VBR2 (数式13)
【0040】第2のゲイン回路18は、演算増幅器A3
と抵抗R1、R2、RIN2、及びRF2とを含む。特に、第
1のゲイン回路のノード38は、抵抗RIN2を介して演
算増幅器A3の負の入力端子に接続される。演算増幅器
A3の出力ノード42は、抵抗RF2を介して、その負の
入力端子に接続される。演算増幅器A3の正の入力端子
は、抵抗R2を介して電圧源VCCに接続され、また、抵
抗R1を介してグランドに接続され、ノード40におい
て、基準電圧VREFを生じる。次の数式14において、
このVREFが与えられている。
と抵抗R1、R2、RIN2、及びRF2とを含む。特に、第
1のゲイン回路のノード38は、抵抗RIN2を介して演
算増幅器A3の負の入力端子に接続される。演算増幅器
A3の出力ノード42は、抵抗RF2を介して、その負の
入力端子に接続される。演算増幅器A3の正の入力端子
は、抵抗R2を介して電圧源VCCに接続され、また、抵
抗R1を介してグランドに接続され、ノード40におい
て、基準電圧VREFを生じる。次の数式14において、
このVREFが与えられている。
【数14】 VREF=[R1/(R1+R2)]xVCC (数式14)
【0041】抵抗R1及びR2が同じ濃度のドーパントを
用いてドープされる場合には、電圧VREFは、温度変化
とは無関係に、(気体濃度は一定であると仮定する)実
質的に一定に保たれる。
用いてドープされる場合には、電圧VREFは、温度変化
とは無関係に、(気体濃度は一定であると仮定する)実
質的に一定に保たれる。
【0042】ノード42での演算増幅器A3の出力にお
ける電圧は、次の数式15によって定義される。
ける電圧は、次の数式15によって定義される。
【数15】 VOUT=(RF2/RIN2)(VREF−VG)+VREF (数式15)
【0043】出力電圧VOUTが図1の回路によって発生
する出力と異なるのは、VOUTが、容器の中の気体濃度
のリアルタイムでの指示を与える。図2のセンサは、図
1のセンサと同様の態様で動作する。図2の第1のゲイ
ン回路の温度応答は、図1のゲイン回路のものと同じで
ある。図2の第2のゲイン回路のために所望の温度応答
は、−350ppm/℃である。数式15から、VOUT
の温度応答は、RF2及びRIN2とに依存する。抵抗RF2
及びRIN2とは、次の数式16及び17のように表され
る。
する出力と異なるのは、VOUTが、容器の中の気体濃度
のリアルタイムでの指示を与える。図2のセンサは、図
1のセンサと同様の態様で動作する。図2の第1のゲイ
ン回路の温度応答は、図1のゲイン回路のものと同じで
ある。図2の第2のゲイン回路のために所望の温度応答
は、−350ppm/℃である。数式15から、VOUT
の温度応答は、RF2及びRIN2とに依存する。抵抗RF2
及びRIN2とは、次の数式16及び17のように表され
る。
【数16】 RF2(T)=RF20[1+∝F2(T−T0)] (数式16)
【数17】 RIN2(T)=RIN20[1+∝IN2(T−T0)] (数式17) 数式16及び17は、数式15の中に代入され、数式
(15)は、∝F2及び∝RI N2に関して解かれる。数式1
3は、∝2及び∝1に関して、解かれる。所望の温度応答
を達成する適切なドーピング・レベルが、次に、抵抗R
F2及びRIN2のために選択される。
(15)は、∝F2及び∝RI N2に関して解かれる。数式1
3は、∝2及び∝1に関して、解かれる。所望の温度応答
を達成する適切なドーピング・レベルが、次に、抵抗R
F2及びRIN2のために選択される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施例である気体濃度センサの
回路図である。
回路図である。
【図2】本発明の第2の実施例である気体濃度センサの
回路図である。
回路図である。
【図3】気体濃度センサが用いられるエアバッグ膨張キ
ャニスタの図である。
ャニスタの図である。
フロントページの続き (71)出願人 595108147 3200 Palmer Drive,Jan esville,Wisconsin 53546,United States o f America (72)発明者 マイケル・エフ・マッテス アメリカ合衆国ウィスコンシン州53545, ジェーンズヴィル,ハーヴァード・ドライ ヴ 2702
Claims (17)
- 【請求項1】 一定の体積を有し、与えられた温度で既
知の圧力を有する気体を内部に含む閉じた容器において
用いられる気体濃度センサであって、 前記容器の内部に配置され、前記容器の内部の前記気体
の圧力と関数関係を有する第1の電気信号を発生する圧
力感知デバイスと、 前記圧力感知デバイスに接続されており、前記第1の電
気信号を増幅し、任意の温度における前記体積の内部の
前記気体の濃度と関数関係を有する第2の電気信号を生
じる電子回路と、 を備えることを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項2】 請求項1記載の気体濃度センサにおい
て、前記圧力感知デバイスは、ホイートストン・ブリッ
ジ構成に配列された圧電抵抗を含むことを特徴とする気
体濃度センサ。 - 【請求項3】 請求項2記載の気体濃度センサにおい
て、前記ホイートストン・ブリッジは、一体の電圧源に
よって励起されることを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項4】 請求項1記載の気体濃度センサにおい
て、前記電子回路は、ゲイン回路とコンパレータ回路と
を含むことを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項5】 請求項4記載の気体濃度センサにおい
て、前記ゲイン回路は、第1及び第2の演算増幅器を含
むことを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項6】 請求項1記載の気体濃度センサにおい
て、前記電子回路は、演算増幅器と前記演算増幅器のゲ
インを決定する複数の抵抗とを含むことを特徴とする気
体濃度センサ。 - 【請求項7】 請求項6記載の気体濃度センサにおい
て、前記抵抗の中の少なくとも1つは、前記演算増幅器
のゲインが温度の変動と伴い所定の態様で変動するよう
に変動するインピーダンスを有することを特徴とする気
体濃度センサ。 - 【請求項8】 請求項1記載の気体濃度センサにおい
て、前記電子回路に接続されており任意の温度での前記
容器の内部の前記気体の濃度変化を示す出力を発生する
コンパレータ回路を更に備えることを特徴とする気体濃
度センサ。 - 【請求項9】 請求項6記載の気体濃度センサにおい
て、前記抵抗の1つは約1.8x1016cm-2でリンを
ドープされたフィードバック抵抗であり、前記抵抗の別
の1つは約2.2x1015cm-2でリンをドープされた
入力抵抗であって、それによって、前記増幅器のゲイン
が温度変動と反比例関係で変動することを特徴とする気
体濃度センサ。 - 【請求項10】 一定の体積を有し気体を内部に含む閉
じた容器において用いられる気体濃度センサであって、
前記気体は与えられた温度で既知の圧力を有し、前記気
体の圧力は既知の温度応答を有する、気体濃度センサに
おいて、 前記容器の内部に配置され、前記容器の内部の前記気体
の圧力と関数関係を有し更に既知の圧力感度温度応答を
有する第1の電気信号を発生する圧力感知デバイスと、 前記圧力感知デバイスに接続されており、前記第1の電
気信号を増幅し第2の電気信号を生じる電子回路であっ
て、前記気体圧力温度応答と前記圧力感度温度応答と組
み合わされると前記第2の電気信号は前記体積の内部の
前記気体の濃度と関数関係を有するように選択された既
知の温度応答を有する、電子回路と、 を備えることを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項11】 請求項10記載の気体濃度センサにお
いて、前記圧力感知デバイスは、ホイートストン・ブリ
ッジ構成に配列された圧電抵抗を含むことを特徴とする
気体濃度センサ。 - 【請求項12】 請求項11記載の気体濃度センサにお
いて、前記ホイートストン・ブリッジは、一体の電圧源
によって励起されることを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項13】 請求項11記載の気体濃度センサにお
いて、前記電子回路は、ゲイン回路とコンパレータ回路
とを含むことを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項14】 請求項13記載の気体濃度センサにお
いて、前記ゲイン回路は、第1及び第2の演算増幅器を
含むことを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項15】 請求項10記載の気体濃度センサにお
いて、前記電子回路に接続されており任意の温度での前
記容器の内部の前記気体の濃度変化を示す出力を発生す
るコンパレータ回路を更に備えることを特徴とする気体
濃度センサ。 - 【請求項16】 請求項10記載の気体濃度センサにお
いて、前記電子回路は、演算増幅器と前記演算増幅器の
ゲインを決定する複数の抵抗とを含み、前記抵抗の1つ
は約1.8x1016cm-2でリンをドープされたフィー
ドバック抵抗であり、前記抵抗の別の1つは約2.2x
1015cm-2でリンをドープされた入力抵抗であって、
それによって、前記増幅器のゲインが温度変動と反比例
関係で変動することを特徴とする気体濃度センサ。 - 【請求項17】 一定の体積を有し、与えられた温度で
既知の圧力を有する気体を内部に有する閉じた容器の中
の気体濃度を測定する方法であって、 前記容器において圧力感知デバイスを提供するステップ
と、 前記圧力感知デバイスから、前記容器の内部の前記気体
の圧力と関数関係を有する第1の電気信号を発生するス
テップと、 前記第1の電気信号を増幅し、任意の温度における前記
体積の内部の前記気体の濃度と関数関係を有する第2の
電気信号を生じるステップと、 を含むことを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US624668 | 1996-04-02 | ||
US08/624,668 US5708190A (en) | 1996-04-02 | 1996-04-02 | Gas concentration sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1096686A true JPH1096686A (ja) | 1998-04-14 |
Family
ID=24502860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9083803A Pending JPH1096686A (ja) | 1996-04-02 | 1997-04-02 | 気体濃度センサ |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5708190A (ja) |
EP (1) | EP0805349A3 (ja) |
JP (1) | JPH1096686A (ja) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6307496B1 (en) * | 1999-10-04 | 2001-10-23 | Denso Corporation | Sensing apparatus including an A/D conversion circuit for detecting a physical quantity |
US6433629B2 (en) * | 2000-01-24 | 2002-08-13 | Microstrain, Inc. | Micropower differential sensor measurement |
DE10009194A1 (de) | 2000-02-26 | 2001-08-30 | Mannesmann Rexroth Ag | Druckschalter |
US6339960B1 (en) | 2000-10-30 | 2002-01-22 | Mississippi State University | Non-intrusive pressure and level sensor for sealed containers |
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