WO2020080003A1 - 熱式センサ装置 - Google Patents

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WO2020080003A1
WO2020080003A1 PCT/JP2019/036024 JP2019036024W WO2020080003A1 WO 2020080003 A1 WO2020080003 A1 WO 2020080003A1 JP 2019036024 W JP2019036024 W JP 2019036024W WO 2020080003 A1 WO2020080003 A1 WO 2020080003A1
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WO
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gas
temperature
sensor device
thermal
heating element
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/036024
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English (en)
French (fr)
Inventor
中野　洋
松本　昌大
保夫 小野瀬
安藤　亮
文夫 結城
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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Filing date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the present invention relates to a thermal sensor device that detects a physical quantity of gas based on a change in the amount of heat released by a heating element.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-184576 is a document disclosing the conventional technique of such a sensor device.
  • the humidity sensor of Patent Document 1 constitutes a Wheatstone bridge circuit with a temperature sensitive resistor and three fixed resistors, and utilizes that the heat dissipation of the temperature sensitive resistor heated in the atmosphere changes depending on the humidity.
  • the heat dissipation amount is detected from the temperature change of the temperature sensitive resistor.
  • the power supply device applies two pulse voltages to the Wheatstone bridge circuit via the switch within a fixed time period, so that the temperature of the temperature sensitive resistor is set to a first temperature of 300 ° C. or higher and 100 ° C. to 150 ° C. Switch to the second temperature of ° C.
  • the correction device uses the output voltage value of the Wheatstone bridge circuit when the temperature of the temperature sensitive resistor 1 is set to the first temperature based on the output characteristic of the Wheatstone bridge circuit when the temperature of the temperature sensitive resistor 1 is set to the second temperature. To correct. As a result, the humidity sensor of Patent Document 1 eliminates the influence of the ambient temperature.
  • Non-Patent Document 1 describes the thermal conductivity of a mixed gas of nitrogen and carbon dioxide.
  • Such a thermal sensor device uses the change in the thermal conductivity of gas depending on the mixing ratio of two kinds of gas such as air and water. If the mixing ratio of two kinds of gases having different thermal conductivities, there is a correlation between the mixing ratio and the thermal conductivity. However, in an environment where three or more gases are mixed, it becomes difficult to detect the concentration of only a specific gas. For example, when measuring the humidity of intake air of an automobile engine, carbon dioxide may be mixed in addition to air and water vapor. When carbon dioxide is mixed, the correlation between the humidity (mixing ratio of air and water vapor) and the thermal conductivity changes, so that an error occurs in the measured value of humidity.
  • the humidity sensor of Patent Document 1 the effect of heat dissipation due to the ambient temperature can be removed, but it is premised that the humidity sensor is used in two types of gases, air and water, and other gases such as carbon dioxide are mixed. It is not considered to be used in the environment.
  • An object of the present invention is to provide a thermal sensor device in which measurement error due to mixing of other gases is reduced in measuring the mixture ratio of two kinds of gases to be measured.
  • the thermal sensor device of the present invention is a mixture of a first gas with a second gas in a gas containing a first gas, a second gas and a third gas based on a change in the amount of heat released by a heating element.
  • the heating element is at a temperature at which the thermal conductivity of the gas containing the second gas and the third gas (for example, carbon dioxide mixed air) and the second gas (for example, simple air) substantially match. Control heating.
  • thermal sensor device thermal gas sensor device
  • the thermal sensor device according to this embodiment is referred to as a thermal humidity sensor for description.
  • the physical quantity to be detected by the thermal sensor device of this embodiment is a change in gas concentration, and can be applied to a sensor device that measures, for example, hydrogen concentration as well as humidity. That is, in the present embodiment, the thermal sensor device determines the mixing ratio (concentration) of the first gas to the second gas in the mixed gas in which the third gas exists in addition to the first gas and the second gas, and the heat radiation amount of the heating element.
  • a device that measures based on changes, where the first gas is water vapor, the second gas is air, and the third gas is carbon dioxide will be described.
  • the first gas, the second gas, and the third gas are not limited to the above combinations, and can be applied to a sensor device that measures, for example, hydrogen concentration as well as humidity.
  • the humidity of the intake air of the engine which is the target of measurement by the thermal sensor device of this embodiment, is measured by detecting a change in the thermal conductivity of the air due to a change in the humidity. Since the change in thermal conductivity varies depending on the type of gas, the application of the present invention is particularly effective in a thermal sensor device that measures the humidity of air in an environment where exhaust gas is mixed, such as an automobile engine.
  • FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a sensor element 1 used in a thermal humidity sensor according to the present invention.
  • the sensor element 1 is formed by using semiconductor microfabrication technology or etching technology that uses photolithography.
  • the sensor element 1 has a substrate 2 made of single crystal silicon or the like.
  • a hollow portion 3 is formed in the substrate 2, and the thin film portion 4 is formed by covering the hollow portion 3 with an insulating film.
  • a detection heater (first heating element) 5 as a heating element and an auxiliary heater (second heating element, auxiliary heating element) 6 are formed on the thin film portion 4.
  • the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 extend along the plane of the thin film portion 4 and are formed as a resistance pattern having a plurality of folded portions.
  • the detection heater 5 is used to detect humidity.
  • a material of the detection heater 5 a material that is stable at high temperature and has a high resistance temperature coefficient is suitable.
  • metal materials such as platinum (Pt), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and tungsten (W) are suitable.
  • the auxiliary heater 6 is formed so as to surround the detection heater 5.
  • the same material as that of the detection heater 5 can be used, and the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 can be formed of the same material.
  • the role of the auxiliary heater 6 is to keep the ambient temperature of the detection heater 5 constant so that the heat radiation amount of the detection heater 5 does not depend on the environmental temperature.
  • the auxiliary heater 6 is provided around the detection heater 5, but the auxiliary heater 6 is not essential to obtain the effect of the present invention.
  • the auxiliary heater 6 is for compensating for the temperature dependence due to the ambient temperature, and the effect of the present invention can be obtained even in the configuration without the auxiliary heater 6.
  • the substrate 2 is provided with electrode pads 7a to 7d for connecting the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 to an external drive circuit.
  • Aluminum (Al) or the like is selected for the electrode pads 7a to 7d.
  • FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the sensor element 1 used in the thermal humidity sensor according to the present invention.
  • the electric insulating film 11 a is laminated on the substrate 2.
  • the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 are formed by stacking a metal film that is a material of the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 on the electrical insulating film 11a and patterning the metal film into a desired shape by etching.
  • An electrical insulating film 11b is laminated on the detection heater 5 and the auxiliary heater 6.
  • Each of the electric insulating films 11a and 11b has a thickness of about 1 to 2 ⁇ m, and functions as a heat insulating film that reduces heat conduction to the substrate 2.
  • the electric insulating films 11a and 11b also function as protective films for preventing the detection heater 5 from being oxidized or corroded.
  • a silicon oxide film or a silicon nitride film can be used as the material of the electric insulating films 11a and 11b, and the electric insulating films 11a and 11b are preferably formed of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
  • the substrate 2 below the detection heater 5 and the auxiliary heater 6 is etched with a KOH solution to form the cavity 3.
  • the material of the electric insulating films 11a and 11b is not limited to the structure of this embodiment as long as it can support and protect the detection heater 5 and the auxiliary heater 6.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of drive circuits 9a and 9b of the sensor element 1 used in the thermal humidity sensor according to the present invention.
  • the drive circuit includes a bridge circuit 51 that controls heating of the detection heater 5 and a bridge circuit 61 that controls heating of the auxiliary heater 6.
  • the bridge circuit 51 including the detection heater 5 has a configuration in which a series circuit in which the resistor 8a is connected to the detection heater 5 and a series circuit in which the resistors 8b and 8c are connected are connected in parallel.
  • the potential of the connecting portion between the detection heater 5 and the resistor 8a and the potential of the connecting portion between the resistor 8b and the resistor 8c are input to the input terminals of the differential amplifier 9a.
  • the differential amplifier 9a outputs a voltage or current according to the difference in input voltage.
  • the output of the differential amplifier 9a is connected between the detection heater 5 of the bridge circuit 51 and the resistor 8b, and is fed back as the heating current of the detection heater 5.
  • the resistors 8a to 8c are selected so that the bridge circuit 51 is balanced with a resistance value at which the detection heater 5 reaches 350 ° C., and the detection heater 5 is heated and controlled at 350 ° C. By changing the balance of the resistors 8a to 8c, the detection heater 5 can be heated and controlled to an arbitrary temperature.
  • the drive circuit 60 for the auxiliary heater 6 is also configured similarly to the drive circuit 50 for the detection heater 5.
  • the bridge circuit 61 including the auxiliary heater 6 has a configuration in which a series circuit in which the resistor 10a is connected to the auxiliary heater 6 and a series circuit in which the resistors 10b and 10c are connected are connected in parallel.
  • the potential at the connection between the auxiliary heater 6 and the resistor 10a and the potential at the connection between the resistor 10b and the resistor 10c are input to the input terminals of the differential amplifier 9b, respectively.
  • the differential amplifier 9b outputs a voltage or current according to the difference in input voltage.
  • the output of the differential amplifier 9b is connected between the auxiliary heater 6 of the bridge circuit 61 and the resistor 10b, and is fed back as a heating current of the auxiliary heater 6.
  • the temperature of the auxiliary heater 6 is set to a predetermined temperature lower than the temperature of the detection heater 5, which is 350 ° C. In this embodiment, 250 ° C. is selected as the temperature of the auxiliary heater 6.
  • the resistors 10a to 10c are selected so that the bridge circuit 61 balances at a resistance value at which the auxiliary heater 6 reaches 250 ° C., and the auxiliary heater 6 is heated and controlled at 250 ° C. By changing the balance of the resistors 10a to 10c, the auxiliary heater 6 can be heated and controlled to an arbitrary temperature.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operational effects of the thermal humidity sensor according to the present invention. Note that FIG. 4 shows the thermal conductivity ⁇ of the mixed gas of nitrogen and carbon dioxide. The thermal conductivity shown in Fig. 4 is described in The Journal of Chemical Physicals 571 (1959) Thermal Conductivity of Nitrogen-Carbon Dioxide Mixtures Richard S. Brokaw.
  • the thermal conductivity ⁇ shown in FIG. 4 is equivalent to the thermal conductivity in the mixed gas of air (second gas) and carbon dioxide (third gas). .
  • the thermal conductivity ⁇ shown in FIG. 4 largely changes depending on the temperature and the carbon dioxide concentration. In particular, in a high temperature range of 472 ° C. or higher, the thermal conductivity ⁇ increases when nitrogen or carbon dioxide is mixed, as compared to when nitrogen or carbon dioxide is a single substance. That is, the thermal conductivity ⁇ of the middle portion is higher than the thermal conductivity ⁇ of both ends when the CO 2 concentration is 0 wt% (for nitrogen alone) and the CO 2 concentration is 100 wt% (for carbon dioxide alone).
  • the characteristic curve of the thermal conductivity ⁇ with respect to the carbon dioxide concentration is bent, and the characteristic curve of the thermal conductivity ⁇ with respect to the carbon dioxide concentration becomes a convex curve.
  • the higher the CO2 concentration the more the thermal conductivity ⁇ decreases.
  • the range of carbon dioxide concentration in the environment where the thermal humidity sensor is mounted is limited, it is only necessary to select a region in which the change in thermal conductivity due to the change in carbon dioxide concentration is small. That is, it is only necessary to select a temperature at which the thermal conductivity of the air mixed with carbon dioxide and the thermal conductivity of the simple air are substantially the same.
  • an EGR system that recirculates exhaust gas to intake air is used. The recirculation amount of the exhaust gas is about 30% at the maximum. The carbon dioxide concentration at this time is about 66 g / kg (6.6 wt%). Therefore, the carbon dioxide concentration in the intake air of the automobile engine is in the range of 0 to 66 g / kg. From FIG.
  • the temperature at which the change in thermal conductivity ⁇ is small is 350 ° C.
  • the thermal conductivity ⁇ does not change in the region where the carbon dioxide concentration is 0 to 40 wt%.
  • the change in the thermal conductivity ⁇ is smaller in a wider range of carbon dioxide concentration than in the other temperature conditions.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operational effects of the thermal humidity sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 shows the change in the thermal conductivity of air due to the mixing of water vapor and carbon dioxide contained in the exhaust gas of an automobile engine when exhaust gas is recirculated by 30% at maximum.
  • the maximum value of humidity due to the circulation of exhaust gas is 27 g / kg, and the maximum value of carbon dioxide concentration is 66.5 g / kg.
  • the change ⁇ in thermal conductivity due to the mixing of water vapor increases as the temperature increases.
  • the thermal conductivity ⁇ due to the mixing of carbon dioxide decreases under the temperature condition lower than 350 ° C and increases under the temperature condition higher than 350 ° C. In the environment of 350 ° C. and its vicinity, the thermal conductivity ⁇ does not change even if carbon dioxide is mixed in the air. That is, the amount of heat radiation when the detection heater (heating element) 5 is heated to 350 ° C. is not affected by the change in the carbon dioxide concentration, and it is possible to detect the amount of heat radiation change only with humidity.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operational effects of the thermal humidity sensor according to the present invention.
  • FIG. 6 shows an experimental result of a humidity measurement error due to carbon dioxide mixing of the thermal humidity sensor shown in the present embodiment.
  • the concentration of carbon dioxide in the air was changed in the range of 0 to 6 wt% to measure the error in the output signal of the thermal humidity sensor.
  • Th 350 ° C.
  • the measurement error due to the change in carbon dioxide concentration is the smallest.
  • the auxiliary heater 6 is provided around the detection heater 5.
  • the auxiliary heater 6 is not an essential component of the present invention, it will be described that the auxiliary heater 6 makes the present invention a more preferable embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the function and effect of the thermal humidity sensor according to the present invention in a more preferable configuration.
  • FIG. 7A shows the temperature distribution of the sensor element 1 in a configuration in which the heat radiation amount is detected only by the detection heater 5.
  • FIG. 7B shows the temperature distribution on the sensor element 1 when the thermal humidity sensor including the auxiliary heater 6 is driven.
  • the temperature distribution of the thin film portion 4 becomes radial with the detection heater 5 as the peak temperature.
  • the detection heater 5 heats the area A1 of the entire thin film portion 4 shown in the figure to raise the temperature.
  • the heating power of the detection heater 5 is determined by the heat radiation of the whole thin film portion 4.
  • the temperature directly above the detection heater 5 is 350 ° C., but the temperature around it falls.
  • the temperature distribution of the thin film portion 4 is in the range of 20 ° C. to 350 ° C.
  • the heat radiation from the region where the temperature is lowered has a temperature deviated from 350 ° C., and therefore is affected by the variation of the heat radiation amount due to the mixing of carbon dioxide.
  • the heat radiation from the peripheral region having a low temperature depends on the mixing effect of carbon dioxide and becomes an error factor. Further, since the ambient environmental temperature also changes from ⁇ 40 ° C. to 80 ° C., the minimum temperature of the thin film portion 4 also changes according to the environmental temperature, and especially at low temperature, the temperature distribution of the thin film portion 4 becomes larger and an error occurs.
  • the auxiliary heater 6 is heated so as to keep the temperature around the detection heater 5 at a constant temperature.
  • the detection heater 5 heats the thin film portion inside the auxiliary heater 6. That is, the heating power of the detection heater 5 is determined by the temperature distribution of the area A2 inside the auxiliary heater.
  • the temperature distribution in the area A2 changes from 350 ° C. to 250 ° C. Therefore, the temperature of the area A2 heated by the detection heater 5 can be brought close to 350 ° C. Therefore, it is possible to form an environment in which the change in thermal conductivity due to the mixing of carbon dioxide is small.
  • the temperature of the auxiliary heater 6 is not limited to 250 ° C., and can be appropriately set to a temperature suitable for detecting the change in the heat radiation amount of the detection heater 5. Further, since the auxiliary heater 6 can keep the ambient temperature of the detection heater 5 constant even if the environmental temperature changes, the temperature distribution of the area A2 heated by the detection heater 5 is kept constant, and the carbon dioxide due to the environmental temperature is reduced. The change in influence can be reduced.
  • FIG. 8 is a plan view showing a modified example of the sensor element 1 used in the thermal sensor device according to the present invention.
  • the thin film portion 4 may be formed so as to bridge the hollow portion, and the detection heater 5 may be arranged therein to have a hollow structure. Further, as shown in FIG. 8B, the auxiliary heater 6 may be formed around the detection heater 5 having the hollow structure.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of an engine system suitable for using the thermal sensor device according to the present invention. Note that FIG. 9 shows a suitable installation position for the thermal humidity sensor to which the present invention is applied in the engine system.
  • the thermal humidity sensor of this embodiment can reduce the influence of carbon dioxide, it can be installed at a position where exhaust gas is mixed.
  • the air 12 sucked into the engine has foreign substances filtered by an air cleaner 13.
  • the intake air is compressed by the supercharger 14 and further cooled by the intercooler 15.
  • the intake air is taken into the combustion chamber 17 by the opening / closing operation of the intake valve 16, mixed with the fuel and burned.
  • the intake air after combustion is discharged from the combustion chamber 17 as exhaust gas by the opening / closing operation of the exhaust valve 18, passes through the purifiers 19 and 20, and is released to the atmosphere.
  • This system is provided with an EGR pipe line 21 that recirculates a part of the exhaust gas that has passed through the purification device 19 to the upstream side of the supercharger 14.
  • the thermal humidity sensor of the present embodiment can be arranged at any position immediately before the combustion chamber 17 from the air cleaner 13 in the engine system that recirculates exhaust gas.
  • the EGR recirculation gas 22 contains a large amount of carbon dioxide, but the thermal humidity sensor of the present embodiment is not affected by carbon dioxide, and therefore can be arranged in the flow path after the recirculation.
  • the thermal humidity sensor can be arranged immediately before or after the supercharger 14, or between the intercooler 15 and the combustion chamber 17.
  • the EGR pipe is provided with an EGR cooler 23 for cooling, and it can be arranged upstream or downstream of this. That is, the thermal humidity sensor of the present embodiment can be installed in a pipe through which a mixed gas containing carbon dioxide flows to measure humidity.
  • the detection heater 5 is set to 350 ° C. in the present embodiment, it is not always necessary to match it to 350 ° C., and if it is set to a temperature close to this temperature, the humidity measurement error due to the mixing of carbon dioxide can be reduced. .
  • the allowable temperature range of the detection heater (heating element) 5 is determined by the humidity measurement accuracy required for the system in which the thermal humidity sensor is used. For example, in an engine system equipped with EGR, the maximum recirculation amount of EGR changes depending on the humidity of intake air.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a system suitable for using the thermal sensor device according to the present invention.
  • FIG. 10 conceptually shows the influence of humidity on the relationship between the EGR rate (reflux rate) and the combustion stability C.
  • the combustion stability C is an index based on the variation in pressure during combustion.
  • the maximum EGR rate varies depending on the humidity.
  • the maximum EGR rate is about 12% when the humidity of the intake air is high humidity (35 g / kg) (high humidity condition).
  • the high humidity condition is a temperature of 38 ° C. and a relative humidity of 80%, and is a condition assuming the maximum value of the humidity in the environment where the automobile is placed.
  • the maximum EGR rate is 18% when the humidity is low (8 g / kg) (low humidity condition).
  • the low humidity condition is a temperature of 38 ° C.
  • the EGR rate is suppressed to 12% so that the combustion limit is not exceeded even if the humidity of intake air changes.
  • the EGR rate can be increased from 12% to 16% in consideration of the margin of measurement error. That is, if the humidity measurement accuracy is high, it is not necessary to provide a margin for the measurement error, and the EGR rate can be increased accordingly. Then, if the measurement accuracy is at least higher than the difference between high humidity and low humidity of ⁇ 13 g / kg, the EGR rate can be increased as compared with a system without humidity measurement.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing the measurement accuracy allowed in the thermal sensor device according to the present invention.
  • FIG. 11 shows a result obtained by replacing the result of FIG. 6 with the relationship between the humidity measurement error due to the mixing of carbon dioxide and the temperature of the detection heater 5.
  • FIG. 11 conceptually shows the relationship between the temperature of the detection heater 5, the humidity measurement error, and the mixture of carbon dioxide.
  • the allowable temperature range is 310 ° C to 410 ° C. More preferably, if the temperature is set to 330 ° C. to 380 ° C., the measurement error can be set to ⁇ 5 g / kg, and even if the measurement error due to the secular change of the sensor element 1 is added, the EGR of the humidity measurement is reduced. The improvement effect can be obtained.
  • the supercharger 14, the intercooler 15, the EGR cooler 23, etc. are installed, but these devices are not essential for obtaining the effect of the present invention. These devices are selected and arranged for each engine system, and by applying the thermal humidity sensor of the present embodiment in a measurement environment where the mixing of carbon dioxide affects any system, The effect is obtained.
  • the above-mentioned thermal sensor device has the following features.
  • the thin film portion 4 formed on the substrate and the first heating element 5 formed on the thin film portion 4 are provided, and the mixed gas in which the third gas is present in addition to the first gas and the second gas is different from the second gas.
  • a thermal sensor device that measures the concentration of the first gas
  • the concentration of the third gas changes, the thermal conductivity ⁇ of the mixed gas containing the second gas and the third gas becomes substantially different from the thermal conductivity ⁇ when the second gas is a simple substance.
  • the first heating element 5 is heated and controlled to a temperature at which the thermal conductivity ⁇ of the mixed gas containing the second gas and the third gas and the thermal conductivity ⁇ of the second gas substantially match.
  • the concentration of the first gas with respect to the second gas is measured based on the change in the heat radiation amount.
  • the thin film portion 4 formed on the substrate and the first heating element 5 formed on the thin film portion 4 are provided, and the mixed gas in which the third gas is present in addition to the first gas and the second gas is different from the second gas.
  • a thermal sensor device that measures the concentration of the first gas
  • the concentration of the third gas changes, the thermal conductivity ⁇ of the mixed gas containing the second gas and the third gas becomes substantially different from the thermal conductivity ⁇ when the second gas is a simple substance.
  • the temperature of the first heating element 5 is controlled to be heated between 310 ° C. and 410 ° C., and the concentration of the first gas with respect to the second gas is measured based on the change in the heat radiation amount of the first heating element 5.
  • the thin film portion 4 formed on the substrate and the first heating element 5 formed on the thin film portion 4 are provided, and the mixed gas in which the third gas is present in addition to the first gas and the second gas is different from the second gas.
  • a thermal sensor device that measures the concentration of the first gas
  • the concentration of the third gas changes, the thermal conductivity ⁇ of the mixed gas containing the second gas and the third gas becomes substantially different from the thermal conductivity ⁇ when the second gas is a simple substance.
  • the temperature of the first heating element 5 is heat-controlled between 330 ° C. and 380 ° C., and the concentration of the first gas with respect to the second gas is measured based on the change in the amount of heat released by the first heating element 5.
  • the thin film portion 4 is provided with the second heating element 6 that covers the periphery of the first heating element 5, and the temperature of the second heating element 6 is controlled to be lower than the temperature of the first heating element 5.
  • the first gas is water vapor
  • the second gas is air
  • the third gas is carbon dioxide
  • Humidity is detected as the concentration of the first gas based on the amount of heat released from the first heating element 5.
  • the first heating element 5 is substantially heated and controlled to 350 ° C.
  • the combination of the first gas, the second gas, and the third gas is limited to these combinations. It does not mean that It is only necessary to set the temperature of the detection heater 5 at which the change in the thermal conductivity ⁇ does not change with respect to the change in the concentration of the third gas, or to set the temperature of the detection heater 5 at which the change in the thermal conductivity ⁇ becomes negligible. .
  • the temperature of the detection heater 5 at which the change in the thermal conductivity ⁇ is so small as to be negligible means the temperature at which the error caused by the change in the thermal conductivity ⁇ in the concentration measurement of the first gas falls within the allowable range.
  • the measurement error of the humidity is within the allowable range (within the desired accuracy). Fits in. That is, there is an allowable range at the temperature of 350 ° C.
  • the thermal conductivity of the mixed gas containing the second gas and the third gas is changed to a value that is substantially different from the thermal conductivity when the second gas is a simple substance. It is a gas.
  • the thermal conductivity of the mixed gas containing the second gas and the third gas changes to a value that is substantially different from the thermal conductivity when the second gas is a simple substance, so that the thermal conductivity of this mixed gas is changed.
  • the gas is not limited to the first gas, the second gas, and the third gas, and the fourth gas or more gases may be present.
  • the temperature of the detection heater 5 can be set such that the change in the thermal conductivity ⁇ does not change with changes in the gas concentrations thereof, or the change in the thermal conductivity ⁇ can be ignored. It suffices if the temperature of the detection heater 5 that becomes extremely small can be set.
  • the gas other than the first gas, the second gas, and the third gas is a gas that does not affect the thermal conductivity ⁇ due to its concentration, a mixed gas is generated together with the first gas, the second gas, and the third gas. May be made.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations. Further, it is possible to add / delete / replace other configurations with respect to a part of the configurations of the embodiment.

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Abstract

本発明の目的は、計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減した熱式センサ装置を提供することにある。　熱式センサ装置は、基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体である。第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λと第２気体が単体の場合の熱伝導率λとが実質的に一致する温度（３５０℃）に第１発熱体５を加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。

Description

熱式センサ装置
　本発明は、発熱体の放熱量変化に基づいて気体の物理量を検出する熱式センサ装置に関する。
　気体の物理量を検出して電気信号に変換するセンサ装置として、半導体プロセスを用いて厚さ数μmの薄膜部に発熱体を形成した熱式センサ装置が知られている。例えば、湿度による空気の熱伝導率の変化から湿度を検出する熱式湿度センサがある。このようなセンサ装置の従来技術を開示する文献として特開平８－１８４５７６号公報（特許文献１）がある。
　特許文献１の湿度センサは、感温抵抗体と３つの固定抵抗体とでホイートストンブリッジ回路を構成し、雰囲気中において加熱される感温抵抗体の熱放散が湿度により変化することを利用して、この熱放散量を感温抵抗体の温度変化から検出するように構成される。
具体的には、電源装置がスイッチを介してホイートストンブリッジ回路に一定時間内に２つのパルス電圧を印加することにより、感温抵抗体の温度を３００℃以上の第１温度と、１００℃～１５０℃の第２温度とに切り替える。補正装置は、感温抵抗体１の温度を第２温度にした時のホイートストンブリッジ回路の出力特性に基いて感温抵抗体１の温度を第１温度にした時のホイートストンブリッジ回路の出力電圧値を補正する。これにより、特許文献１の湿度センサは雰囲気温度の影響を除いている。
　なお非特許文献１には、窒素と二酸化炭素の混合ガスの熱伝導率が記載されている。
特開平８－１８４５７６号公報 The Journal of Chemical Physics 31 571(1959)　Thermal Conductivity of Nitrogen-Carbon Dioxide Mixtures　Richard S. Brokaw
　このような熱式センサ装置は、空気と水のように２種の気体の混合比による気体の熱伝導率の変化を利用している。熱伝導率が異なる２種の気体の混合比であれば、混合比と熱伝導率との間に相関性がある。しかし、３種以上の気体が混合する環境下では、特定の気体のみの濃度を検出することが困難となる。例えば、自動車エンジンの吸入空気の湿度を計測する場合、空気と水蒸気の他に二酸化炭素が混合する場合がる。二酸化炭素が混合するすると、湿度（空気と水蒸気との混合比）と熱伝導率との間の相関関係が変化するため、湿度の計測値に誤差が生じる。
　特許文献１の湿度センサでは、雰囲気温度による熱放散の影響を除くことができるが、空気と水の２種類の気体中において使用されることが前提であり、二酸化炭素などの他の気体が混合される環境下での使用は考慮されていない。
　本発明の目的は、計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減した熱式センサ装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の熱式センサ装置は、発熱体の放熱量変化に基づいて第１気体、第２気体及び第３気体を含む気体において第２気体に対する第１気体の混合比を計測する熱式センサ装置において、第２気体及び第３気体を含む気体（例えば、二酸化炭素混合空気）と第２気体（例えば、空気単体）の熱伝導率が概ね一致する温度に発熱体を加熱制御する。
　本発明によれば、計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明からにされる。
本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例を示す平面図である。 本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例を示す断面図である。 本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の駆動回路の構成を示す回路図である。 本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。 本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。 本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。 本発明に係る熱式センサ装置の、さらに好適な構成における作用効果を説明する図である。 本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変更例を示す平面図である。 本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なエンジンシステムの説明図である。 本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なシステムの説明図である。 本発明に係る熱式センサ装置に許容される計測精度を示す説明図である。
　本発明を適用してなる熱式センサ装置の実施形態の一例を説明する。以下で説明する実施例は、一例として自動車エンジンの吸気湿度を計測する熱式センサ装置（熱式気体センサ装置）に本発明を適用したものである。以下、本実施例に係る熱式センサ装置を熱式湿度センサと呼んで説明する。本実施例の熱式センサ装置が検出対象とする物理量は気体の濃度変化であり、湿度の他に例えば水素濃度など計測するセンサ装置にも適用できる。すなわち本実施例では、熱式センサ装置は、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の混合比（濃度）を、発熱体の放熱量変化に基づいて計測する装置であり、第１気体が水蒸気、第２気体が空気、第３気体が二酸化炭素の場合にについて説明する。第１気体、第２気体及び第３気体は上記組合せに限定される訳ではなく、湿度の他に例えば水素濃度など計測するセンサ装置にも適用できる。
　本実施例の熱式センサ装置が計測対象とするエンジンの吸気空気の湿度は、湿度変化による空気の熱伝導率変化を検出することにより計測される。熱伝導率の変化は気体の種類によって異なるため、自動車エンジンのように排ガスが混合される環境で空気の湿度を計測するような熱式センサ装置においては、特に本発明の適用による効果が高い。
　図１は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の一実施例を示す平面図である。
　センサ素子１は、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術やエッチング技術を用いて形成される。センサ素子１は、単結晶シリコンなどを用いた基板２を有している。基板２には空洞部３が形成され、空洞部３を絶縁膜によって覆うことにより、薄膜部４が構成されている。薄膜部４には、発熱体としての検出ヒータ（第１発熱体）５と補助ヒータ（第２発熱体、補助発熱体）６が形成される。検出ヒータ５及び補助ヒータ６は、薄膜部４の平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。
　検出ヒータ５は湿度の検出に用いられる。検出ヒータ５の材料としては、高温において安定で抵抗温度係数が高い材料が好適である。例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属材料が好適である。
　補助ヒータ６は、検出ヒータ５を取り囲むように形成される。補助ヒータ６の材料としては、検出ヒータ５と同様な材料を用いることができ、検出ヒータ５と補助ヒータ６とを同一材料により形成することができる。補助ヒータ６の役割は、検出ヒータ５の放熱量が環境温度に依存しないように、検出ヒータ５の周囲温度を一定に保持することである。
　本実施例では、検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を設けた構成としているが、本発明の効果を得るために補助ヒータ６は必須ではない。補助ヒータ６は環境温度による温度依存性を補償するためのものであり、補助ヒータ６を有さない構成においても本発明の効果が得られる。
　図１に示すように、基板２には、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を外部の駆動回路と接続するために、電極パッド７ａ～７ｄが設けられる。電極パッド７ａ～７ｄには、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。
　図２は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の一実施例を示す断面図である。
　基板２には、電気絶縁膜１１ａが積層される。電気絶縁膜１１ａの上層に、検出ヒータ５及び補助ヒータ６の材料となる金属膜を積層し、エッチングにより金属膜を所望の形状にパターニングして、検出ヒータ５及び補助ヒータ６が形成される。検出ヒータ５及び補助ヒータ６の上層には電気絶縁膜１１ｂを積層する。電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの厚さはそれぞれ１～２μm程度であり、基板２への熱伝導を低減する熱絶縁膜として機能する。
また電気絶縁膜１１ａ，１１ｂは、検出ヒータ５の酸化や腐食を防止するための保護膜としても機能する。電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの材料としてはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることができ、電気絶縁膜１１ａ，１１ｂはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の積層膜で構成されることが望ましい。検出ヒータ５及び補助ヒータ６の下部の基板２は、ＫＯＨ溶液によりエッチングされ、空洞部３が形成される。なお電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの材料は、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を支持、保護できるものであれば良く、本実施例の構成に限定されるものではない。
　図３は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の駆動回路９ａ，９ｂの構成を示す回路図である。
　駆動回路は、検出ヒータ５を加熱制御するブリッジ回路５１と、補助ヒータ６を加熱制御するブリッジ回路６１と、から成る。検出ヒータ５が含まれるブリッジ回路５１は、検出ヒータ５に抵抗８ａを接続した直列回路と、抵抗８ｂと抵抗８ｃを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。ブリッジ回路５１側の駆動回路５０では、検出ヒータ５と抵抗８ａとの接続部の電位と、抵抗８ｂと抵抗８ｃとの接続部の電位とが、それぞれ差動増幅器９ａの入力端子に入力される。差動増幅器９ａは、入力電圧の差に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ａの出力はブリッジ回路５１の検出ヒータ５と抵抗８ｂとの間に接続され、検出ヒータ５の加熱電流としてフィードバックされる。抵抗８ａ～８ｃは、検出ヒータ５が３５０℃となる抵抗値でブリッジ回路５１がバランスするように選定され、検出ヒータ５は３５０℃に加熱制御される。抵抗８ａ～８ｃのバランスを変えることにより、検出ヒータ５を任意の温度に加熱制御することができる。
　補助ヒータ６の駆動回路６０についても、検出ヒータ５の駆動回路５０と同様に構成される。補助ヒータ６が含まれるブリッジ回路６１は、補助ヒータ６に抵抗１０ａを接続した直列回路と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。補助ヒータ６と抵抗１０ａとの接続部の電位と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとの接続部の電位とが、それぞれ差動増幅器９ｂの入力端子に入力される。差動増幅器９ｂは、入力電圧の差に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ｂの出力はブリッジ回路６１の補助ヒータ６と抵抗１０ｂとの間に接続され、補助ヒータ６の加熱電流としてフィードバックされる。補助ヒータ６の温度は、検出ヒータ５の温度３５０℃よりも低い所定の温度に設定される。補助ヒータ６の温度として、本実施例では、２５０℃が選定される。抵抗１０ａ～１０ｃは、補助ヒータ６が２５０℃となる抵抗値でブリッジ回路６１がバランスするように選定され、補助ヒータ６は２５０℃に加熱制御される。抵抗１０ａ～１０ｃのバランスを変えることにより、補助ヒータ６を任意の温度に加熱制御することができる。
　以下、検出ヒータの加熱温度について説明する。図４は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。なお図４では、窒素と二酸化炭素の混合ガスの熱伝導率λを示す。図４に示す熱伝導率は、The Journal of Chemical Physics 31 571(1959)　Thermal Conductivity of Nitrogen-Carbon Dioxide Mixtures　Richard S. Brokawに記載されている。
　窒素と空気はほぼ同等の熱伝導率を示すことから、図４に示した熱伝導率λは空気（第２気体）と二酸化炭素（第３気体）の混合ガスにおける熱伝導率と等価である。図４に示した熱伝導率λは、温度と二酸化炭素濃度によって大きく変化する。特に４７２℃以上の高温域では、窒素や二酸化炭素が単体の場合よりも、窒素や二酸化炭素が混合した場合のほうが、熱伝導率λが増加する。つまり、ＣＯ２濃度が０ｗｔ％（窒素単体の場合）及びＣＯ２濃度が１００ｗｔ％（二酸化炭素単体の場合）の両端部の熱伝導率λに対して中間部の熱伝導率λが高くなる。このように、４７２℃以上の高温域では二酸化炭素濃度に対する熱伝導率λの特性カーブに曲がりが生じ、二酸化炭素濃度に対する熱伝導率λの特性カーブが上に凸の曲線となる。一方、２５０°以下の低温域では、ＣＯ２濃度が高くなるほど、熱伝導率λは大きく低下する。
　湿度計測において二酸化炭素の混合影響を低減するためには、二酸化炭素の混合割合（濃度）によって生じる熱伝導率λの変化が小さいことが必要である。つまり、図４の特性カーブの傾きや曲がりが小さい温度に加熱して計測することが望ましい。
　また、熱式湿度センサが搭載される環境での二酸化炭素濃度の範囲は限定されるため、この範囲内で二酸化炭素の濃度変化による熱伝導率変化が小さい領域を選定すればよい。
つまり、二酸化炭素が混合した空気の熱伝導率と空気単体の熱伝導率とがほぼ一致する温度を選定すればよい。例えば、自動車エンジンでは、排ガスを吸気に還流するＥＧＲシステムが用いられる。排ガスの還流量は最大でも３０％程度である。この時の二酸化炭素濃度は、６６ｇ／ｋｇ（６．６ｗｔ％）程度である。したがって、自動車エンジンの吸入空気中の二酸化炭素濃度は０～６６ｇ／ｋｇの範囲となる。図４から、二酸化炭素濃度が０～６６ｇ／ｋｇの範囲において、熱伝導率λの変化が小さい温度は３５０℃である。３５０℃の条件とすれば、二酸化炭素濃度が０～４０ｗｔ％の領域では熱伝導率λに変化が生じない。３５０℃の条件は、他の温度条件に比べても、より広範囲の二酸化炭素濃度において熱伝導率λの変化が小さい。
　図５は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。図５では、自動車エンジンにおいて、吸気に排ガスを最大３０％還流した時に含まれる水蒸気と二酸化炭素の混合による空気の熱伝導率の変化を示している。
　排ガスの還流による湿度の最大値は２７ｇ／ｋｇ、二酸化炭素濃度の最大値は６６．５ｇ／ｋｇである。水蒸気の混合による熱伝導率の変化Δλは高温であるほど大きくなる。
二酸化炭素の混合による熱伝導率λは３５０℃よりも低い温度条件では低下し、３５０℃よりも高い温度条件では増加する。３５０℃及びその近傍の環境では、空気中に二酸化炭素が混合しても、熱伝導率λに変化が生じない。つまり、検出ヒータ（発熱体）５を３５０℃に加熱したときの放熱量は、二酸化炭素の濃度変化の影響を受けず、湿度のみの放熱量変化を検出することができる。
　図６は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。図６では、本実施例に示した熱式湿度センサの二酸化炭素混合による湿度計測誤差の実験結果を示している。熱式湿度センサの検出ヒータ５の温度Ｔｈをパラメータとして、空気中における二酸化炭素の濃度を０～６ｗｔ％の範囲で変化させて熱式湿度センサの出力信号の誤差を測定した。図６に示すように、Ｔｈ＝３５０℃とすると、二酸化炭素濃度の変化による計測誤差が最も小さい。
　本実施例では、図１に示したように検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を設けた構成としている。この補助ヒータ６は本発明に必須の構成ではないが、補助ヒータ６により本発明がさらに好適な実施形態となることについて説明する。
　図７は、本発明に係る熱式湿度センサの、さらに好適な構成における作用効果を説明する図である。図７（ａ）では、検出ヒータ５のみによって放熱量を検出する構成でのセンサ素子１の温度分布を示している。図７（ｂ）では、補助ヒータ６を備えた熱式湿度センサを駆動したときのセンサ素子１上の温度分布を示している。
　検出ヒータ５をＴｈ＝３５０℃に加熱すると薄膜部４の温度分布は検出ヒータ５をピーク温度とした放射状となる。検出ヒータ５は図中に示した薄膜部４全体の領域Ａ１を加熱して温度上昇させる。検出ヒータ５の加熱電力は、薄膜部４全体の放熱よって決まる。検出ヒータ５の直上の温度は３５０℃となっているが、その周辺は温度が低下する。周囲温度が２０℃とすると、薄膜部４の温度分布は２０℃から３５０℃の範囲となる。温度が低下した領域からの放熱は、３５０℃からずれた温度となるため二酸化炭素の混合による放熱量変化の影響を受ける。したがって、この構成のセンサ素子では、検出ヒータ５を３５０℃に設定しても、温度の低い周辺の領域からの放熱が二酸化炭素の混合影響に依存して誤差要因となる。また、周囲の環境温度も－４０℃～８０℃に変化するため、薄膜部４の最低温度も環境温度に応じて変化し、特に低温ではさらに薄膜部４の温度分布が大きくなり誤差が生じる。
　図７（ｂ）に示すように、補助ヒータ６は検出ヒータ５の周辺の温度を一定温度に保持するように加熱される。検出ヒータ５は補助ヒータ６より内側の薄膜部を加熱する。つまり検出ヒータ５の加熱電力は、補助ヒータの内側の領域Ａ２の温度分布によって決まる。
検出ヒータ５をＴｈ＝３５０℃に加熱し、補助ヒータ６を２５０℃に加熱すると、領域Ａ２の温度分布は３５０℃から２５０℃となる。したがって、検出ヒータ５により加熱されるＡ２の領域の温度を、３５０℃に近づけることができる。したがって、二酸化炭素の混合による熱伝導率の変化が小さくなる環境を形成することができる。より好ましくは、補助ヒータ６の温度は検出ヒータの温度３５０℃に近づけることが有効であるが、検出ヒータ５の加熱量が減少するため放熱量変化の検出感度が低下する。補助ヒータ６の温度については２５０℃に限定されるものではなく、検出ヒータ５の放熱量変化を検知するのに適した温度に適宜設定することができる。また、環境温度が変化しても検出ヒータ５の周辺温度を補助ヒータ６により一定に保持できるので、検出ヒータ５により加熱される領域Ａ２の温度分布が一定に保持され、環境温度による二酸化炭素の影響の変化を低減できる。
　本実施例では、センサ素子１の空洞部の全面が薄膜部４によって覆われる構造としているが、本発明はこの構造に限定されるものではない。図８は、本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子１の変更例を示す平面図である。
　図８（ａ）に示すように、空洞部を架橋するように薄膜部４を形成し、ここに検出ヒータ５を配置した中空構造としても良い。また、図８（ｂ）のように、この中空構造の検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を形成した構造としても良い。
　本発明を適用した熱式湿度センサを自動車エンジンの吸気湿度計測に用いた場合の実施形態の一例を説明する。図９は、本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なエンジンシステムの説明図である。なお図９では、エンジンシステムにおいて本実施例発明を適用した熱式湿度センサに好適な設置位置を示している。
　本実施例の熱式湿度センサは二酸化炭素の影響を低減できることから、排ガスが混入する位置に設置することができる。図９において、エンジン内に吸入した空気１２はエアクリーナー１３により異物が濾過される。そして、過給機１４により吸気は圧縮され、さらにインタークーラー１５により冷却される。その後、吸気は吸気バルブ１６の開閉動作により燃焼室１７に取り込まれ、燃料と混合されて燃焼する。燃焼した後の吸気は、排気バルブ１８の開閉動作により排ガスとして燃焼室１７から排出され、浄化装置１９、２０を通り大気に放出される。本システムでは浄化装置１９を通った後の排ガスの一部を過給機１４の上流側に還流するＥＧＲ管路２１を備えている。
　本実施例の熱式湿度センサは、排ガスを還流するエンジンシステムにおいて、エアクリーナー１３から燃焼室１７の直前のどの位置にでも配置することができる。ＥＧＲによる還流ガス２２には二酸化炭素が多く含まれているが、本実施例の熱式湿度センサは二酸化炭素の影響を受けないため、還流後の流路に配置することができる。例えば熱式湿度センサは、過給機１４の直前や直後、或いはインタークーラー１５と燃焼室１７との間に配置することができる。
　また、ＥＧＲ管には冷却のためのＥＧＲクーラー２３が設けられており、この上流または下流にも配置することができる。つまり、本実施例の熱式湿度センサは、二酸化炭素を含む混合ガスが流れる配管に設置して湿度を計測することが可能になる。
　本実施例では検出ヒータ５を３５０℃に設定したが、必ずしも３５０℃に一致させる必要はなく、この温度に近い温度に設定されていれば二酸化炭素の混合による湿度計測誤差を低減することができる。
　また、検出ヒータ（発熱体）５の温度の許容範囲は、熱式湿度センサが使用されるシステムに求められる湿度計測精度によって決定される。例えば、ＥＧＲを備えたエンジンシステムでは吸気の湿度によってＥＧＲの最大還流量が変化する。
　図１０は、本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なシステムの説明図である。
図１０では、ＥＧＲ率（還流率）と燃焼安定性Ｃとの関係における湿度の影響を概念的に示している。燃焼安定性Ｃは燃焼時の圧力のばらつきに基づいた指標である。
　図１０に示すように、ＥＧＲ率が上昇すると、失火などにより燃焼の安定性が悪化する。また、大気中の水分は排ガスと同じく不活性ガスであるため、湿度に応じて最大ＥＧＲ率が変動する。例えば図１０に示すように、吸気の湿度が高湿（３５ｇ／ｋｇ）の場合（高湿条件）での最大EGR率は１２％程度である。なお高湿条件は、温度３８℃、相対湿度８０％の条件であり、自動車が置かれる環境での湿度の最大値を想定した条件である。また、湿度が低湿（8g/kg）の場合（低湿条件）での最大ＥＧＲ率は１８％である。なお低湿条件は、温度３８℃、相対湿度２０％の条件であり、自動車が置かれる環境での湿度の平均値を想定した条件である。湿度計測を行わないシステムでは、吸気の湿度変化が生じても燃焼限界を超えることがないように、ＥＧＲ率は１２％に抑えられてしまう。
　湿度計測を備えたシステムにおいては、例えば図１０に示しているように、±５ｇ／ｋｇの湿度精度があれば、計測誤差のマージンを考慮してＥＧＲ率を１２％から１６％に向上できる。つまり、湿度計測精度が高くなれば計測誤差分の余裕を持たせる必要がなくなり、その分、ＥＧＲ率を高めることができる。そうすると、最低でも高湿と低湿の差±１３ｇ／ｋｇよりも高い計測精度があれば、湿度計測のないシステムに比べてＥＧＲ率を高くすることができる。
　図１１は、本発明に係る熱式センサ装置に許容される計測精度を示す説明図である。図１１は、図６の結果を二酸化炭素の混合による湿度計測誤差と検出ヒータ５の温度との関係に置き換えた結果を示している。図１１では、検出ヒータ５の温度、湿度計測誤差及び二酸化炭素の混合の関係を概念的に示している。
　前述したエンジンシステム例では、少なくとも±１３ｇ／ｋｇの計測精度が要求される。そうすると、許容される温度範囲は３１０℃～４１０℃である。さらに好ましくは、３３０℃～３８０℃に設定されていれば、計測誤差を±５ｇ／ｋｇとすることができ、センサ素子１の経年変化などによる計測誤差が加算されても、湿度計測によるＥＧＲの向上効果を得ることができる。
　本エンジンシステムの一例では、過給機１４やインタークーラー１５、ＥＧＲクーラー２３などを設置したシステムとしているが、これらのデバイスは本発明の効果を得るうえで必須ではない。これらのデバイスはエンジンシステムごとに選定、配置されるものであり、どのようなシステムにおいても二酸化炭素の混合が影響する計測環境においては、本実施例の熱式湿度センサを適用することにより、その効果が得られる。
　上述した熱式センサ装置は以下の特徴を有する。
　（１）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
　第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
　第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λと第２気体の熱伝導率λとが実質的に一致する温度に第１発熱体５を加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
　（２）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
　第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
　第１発熱体５の温度を３１０℃から４１０℃の間に加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
　（３）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
　第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
　第１発熱体５の温度を３３０℃から３８０℃の間に加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
　（４）薄膜部４に第１発熱体５の周囲を覆う第２発熱体６を設け、第２発熱体６の温度を第１発熱体５の温度よりも低い温度に加熱制御する。
　（５）第１気体は水蒸気であり、第２気体は空気であり、第３気体は二酸化炭素であり、
　第１発熱体５の放熱量に基づいて第１気体の濃度として湿度を検出する。
　（６）第１発熱体５は実質的に３５０℃に加熱制御される。
　本実施例では、第１気体が水蒸気、第２気体が空気、第３気体が二酸化炭素の場合について説明したが、第１気体、第２気体及び第３気体の組合せはこれらの組合せに限定される訳ではない。第３気体の濃度変化に対して熱伝導率λの変化がなくなる検出ヒータ５の温度を設定できるか、或いは熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度を設定できればよい。この場合、熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度は、熱伝導率λの変化が第１気体の濃度計測においてもたらす誤差が許容範囲内に収まる温度を意味する。上述した例では、検出ヒータ５の温度を実質的に３５０℃にすることにより、第３気体である二酸化炭素の濃度が変化しても、湿度の計測誤差は許容範囲内（所望の精度内）に収まる。すなわち、温度３５０℃には許容範囲が存在する。
　第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率を第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化させる気体である。
この場合、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率は第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化することにより、この混合気体の熱伝導率は第１気体の濃度計測において許容範囲を超える誤差を生じさせる。
　また本実施例では、第１気体、第２気体及び第３気体のみに限定するわけではなく、第４気体或いはさらに多くの気体が存在していてもよい。第１気体及び第２気体以外の気体について、それらの気体濃度の変化に対して熱伝導率λの変化がなくなる検出ヒータ５の温度を設定できるか、或いは熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度を設定できればよい。または、第１気体、第２気体及び第３気体以外の気体が、その濃度によって熱伝導率λに影響を与えな気体であれば、第１気体、第２気体及び第３気体と共に混合気を成していてもよい。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…センサ素子、２…基板、３…空洞部、４…薄膜部、５…検出ヒータ（発熱体）、６…補助ヒータ（発熱体）、７ａ～７ｄ…電極パッド、８ａ～８ｃ…抵抗、９ａ，９ｂ…差動増幅器、１０ａ～１０ｃ…抵抗、１１ａ～１１ｄ…絶縁膜、１２…吸気、１３…エアクリーナー、１４…過給機、１５…インタークーラー、１６…吸気バルブ、１７…燃焼室、１８…排気バルブ、１９、２０…浄化装置、２１…ＥＧＲ管路、２２…還流ガス、２３…EGRクーラー。

Claims (6)

  1. 　基板に形成した薄膜部と、前記薄膜部に形成した第１発熱体と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において前記第２気体に対する前記第１気体の濃度を計測可能な熱式センサ装置において、
    　前記第３気体は、その濃度が変化した場合に、前記第２気体及び前記第３気体を含む混合気体の熱伝導率を前記第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
    　前記第２気体及び前記第３気体を含む混合気体の熱伝導率と前記第２気体の熱伝導率とが実質的に一致する温度に前記第１発熱体を加熱制御し、前記第１発熱体の放熱量変化に基づいて前記第２気体に対する前記第１気体の濃度を計測することを特徴とする熱式センサ装置。
  2. 　請求項１に記載の熱式センサ装置において、
    　前記第１発熱体の温度を３１０℃から４１０℃の間に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
  3. 　請求項１に記載の熱式センサ装置において、
    　前記第１発熱体の温度を３３０℃から３８０℃の間に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
  4. 　請求項１に記載の熱式センサ装置において、
    　前記薄膜部に前記第１発熱体の周囲を覆う第２発熱体を設け、前記第２発熱体の温度を前記第１発熱体の温度よりも低い温度に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
  5. 　請求項１に記載の熱式センサ装置において、
    　第１気体は水蒸気であり、前記第２気体は空気であり、前記第３気体は二酸化炭素であり、
    　前記第１発熱体の放熱量に基づいて前記第１気体の濃度として湿度を検出することを特徴とする熱式センサ装置。
  6. 　請求項１に記載の熱式センサ装置において、
    　前記第１発熱体は実質的に３５０℃に加熱制御されることを特徴とする熱式センサ装置。
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