(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、経時変化が少なく、耐汚損性が高く、温度サイクルによって生じる熱応力を緩和した熱式ガスセンサを提供することにある。【解決手段】  発熱体５と発熱体５を加熱制御する加熱制御手段１２とを有する熱式ガスセンサにおいて、加熱制御手段１２は、発熱体５を第１の温度に加熱制御する期間と、発熱体５を第１の温度よりも低い第２の温度に加熱制御する期間とを設けて発熱体５を加熱制御し、発熱体５が第１の温度に加熱される期間よりも第２の温度に加熱される期間を長く設定する。【選択図】  図３
2014089048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と前記発熱体を加熱制御する加熱制御装置とを有する熱式ガスセンサにおいて、
前記加熱制御装置は、前記発熱体を第１の温度に加熱制御する期間と、前記発熱体を前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱制御する期間とを設けて前記発熱体を加熱制御し、前記第１の温度に加熱制御される期間よりも前記第２の温度に加熱制御される期間を長く設定したことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式ガスセンサにおいて、
空洞部を有する基板と前記基板に積層され前記空洞部を覆う絶縁膜で構成される薄膜支持体とを有し、前記発熱体は前記薄膜支持体に形成され、前記第２の温度は前記基板の温度よりも高い温度に設定され、前記発熱体を含むセンサ素子の出力に基づいて湿度を検出することを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の温度に加熱制御される期間に前記センサ素子による検出動作を行い、前記第２の温度に加熱制御される期間に検出動作を行わない待機期間を設けたことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項４】
請求項３に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の温度よりも低く前記第２の温度とは異なる第３の温度に前記発熱体を加熱制御する期間を設け、前記第３の温度に加熱制御する期間に前記センサ素子による検出動作を行い、前記第２の温度に加熱制御する期間を待機期間としたことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の温度は前記第３の温度よりも低く設定されたことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項６】
請求項４に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の温度は前記第３の温度よりも高く設定されたことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記加熱制御装置は、
前記発熱体と第１の抵抗が直列接続された第１の直列回路と、第２の抵抗体と第３の抵抗体と第４の抵抗体と第５の抵抗体とが直列接続された第２の直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、
前記発熱体と第１の抵抗体との間の接続点の電圧を第１の入力とし、前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体との間の第１の接続点の電圧、前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体との間の第２の接続点の電圧又は前記第４の抵抗体と前記第５の抵抗体との間の第３の接続点の電圧のいずれかを選択して第２の入力とする差動増幅器と、
を備え、
前記第１の接続点の電圧、前記第２の接続点の電圧又は前記第３の接続点の電圧のいずれかを選択することにより前記発熱体の加熱温度が切り替わるように構成されたことを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記発熱体として、第１の発熱体と、前記第1の発熱体の周辺を取り巻くように形成された第２の発熱体とを設け、
前記第２の発熱体は前記第1の発熱体よりも低い温度に加熱制御され、
前記発熱体を第１の温度に加熱制御する期間に、前記第1の発熱体への加熱電流を制御することにより前記第1の発熱体を前記第１の温度に加熱制御し、
前記発熱体を前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱制御する期間に、前記第1の発熱体の加熱制御を停止し、前記第２の発熱体が発生する熱で前記第1の発熱体を加熱することを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項９】
請求項８に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記加熱制御装置は、
前記第1の発熱体と第１の抵抗体とが直列接続された第1の直列回路と、第２抵抗体と第３抵抗体とが直列接続された第２の直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、前記第1の発熱体と前記第１抵抗体との接続点電位と、前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体との接続点電位とに基づいて前記第1の発熱体の加熱電流を制御する差動増幅器と、前記差動増幅器による加熱電流の出力を停止する回路とを有することを特徴とする熱式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測ガスの熱伝導の変化から、例えば、流量、温度、圧力、濃度、湿度、その他のガスの物理量を測定する熱式ガスセンサに関わる。
【背景技術】
【０００２】
熱式ガスセンサは、ガスの熱伝導の変化を用いて、例えば、流量、温度、圧力、濃度、湿度、その他のガスの物理量の測定を行うために使われ、ガスの熱伝導の変化はガス中に晒された発熱体の放熱量により測定される。
【０００３】
熱式ガスセンサは、種々の技術分野で使用されており、自動車用の内燃機関等においては、低燃費化を図るために、吸入空気の流量、温度、圧力に加え湿度等の環境状態を高精度に計測することが求められている。また熱式ガスセンサは、水素を燃料とする自動車用の内燃機関において、水素濃度を検出することで内燃機関を最適に運転するためにも使用される。
【０００４】
湿度やガスの濃度を計測するガスセンサとしての熱式ガスセンサは、水分の吸収がなく、汚損などの耐環境性や長期安定性に優れている。特許文献１には、雰囲気中において加熱される抵抗体の抵抗値の変化に基づいて湿度を検知する湿度計が記載されている。この湿度計では、抵抗変化が雰囲気温度のみに影響される低温度に加熱したときに抵抗体の両端に生じる電圧と、抵抗変化が雰囲気の温度および湿度に感応する高温度に加熱したときに抵抗体の両端に生じる電圧とを比較して湿度を検知している。特許文献１には、検出素子に対し、時点ｔ１から時点ｔ２に至る５０ｍｓの間は波高値が２ｍＡでパルス幅が５０ｍｓの小パルス電流を印加し、続いて、時点ｔ２から時点ｔ３に至る５０ｍｓの間は波高値が８ｍＡでパルス幅が５０ｍｓの大パルス電流を印加し、時点ｔ３から時点ｔ４に至る１００ｍｓの休止時間を置いて、再び小パルス電流と大パルス電流とを印加する電流パルス列により駆動する例が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、発熱体により感温抵抗体を加熱する加熱手段を有し、この加熱手段は発熱体に対して一定時間内に２つのパルス電圧を順番に印加することにより、感温抵抗体の温度を３００℃以上の第１の温度と１００℃〜１５０℃の第２の温度とに切り替え、それぞれの感温抵抗体の電圧降下に関連する出力電圧から湿度を検知する湿度センサが開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、空洞部を有する基板と、空洞部に積層され、複数の絶縁層から構成される薄膜支持体と、薄膜支持体の絶縁層に挟持された第１の発熱体および第２の発熱体とを有し、第２の発熱体は第１の発熱体の周辺に配置され、第１の発熱体は第２の発熱体よりも高温に制御され、第１の発熱体に印加される電力に基づいて周囲ガスの濃度を測定するガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２８８９９０９号公報
【特許文献２】特許第３３４３８０１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３７６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２の熱式ガスセンサでは、ガスの濃度変化を高精度に計測するために発熱体の加熱温度を３００℃以上に高める必要がある。発熱体を高温で加熱すると発熱体の抵抗値が経時変化し計測精度の悪化や寿命の低下が起きる。経時変化の原因としては、高温に長時間さらされることによる酸化や、高温に加熱するため、発熱体に流れる電流によるマイグレーションなどがある。そのため可能な範囲で加熱を停止する期間を設けた構成が有効である。
【０００９】
特許文献１の熱式ガスセンサ（湿度計）では、小パルス電流と大パルス電流とを印加し、再び小パルス電流と大パルス電流とを印加するまでの間に１００ｍｓの休止時間を設けているが、この休止時間の間は検出素子に対して電流の供給を停止して検出素子の加熱制御を停止している。
【００１０】
しかし、熱式ガスセンサのセンサ素子の加熱を停止すると、測定環境に浮遊する粒子などの汚損物質がセンサ素子に付着しやすくなる。また、湿度が高い環境である場合、結露により水滴が付着すると計測精度に誤差が発生する。また、駆動時と停止時のヒータの温度差による温度サイクルが頻繁に加わり熱応力による疲労が起きる。特に、内燃機関の吸入空気の湿度計測に用いる場合には、オイルやカーボンなどの汚損物の浮遊や、天候や地域による湿度環境の変化など厳しい条件のもとで高精度な湿度計測が望まれる。
【００１１】
本発明の目的は、経時変化が少なく、耐汚損性が高く、温度サイクルによって生じる熱応力を緩和した熱式ガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の熱式ガスセンサは、発熱体と前記発熱体を加熱制御する加熱制御手段とを有する熱式ガスセンサにおいて、前記加熱制御手段は、前記発熱体を第１の温度に加熱制御する期間と、前記発熱体を前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱制御する期間とを設けて前記発熱体を加熱制御し、前記第１の温度に加熱される期間よりも前記第２の温度に加熱される期間を長く設定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、センサ素子の経時劣化を低減し、耐汚損性を高め、温度サイクルによって生じる熱応力を緩和した高精度で信頼性の高い熱式ガスセンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例におけるガスセンサの平面図。
【図２】第１の実施例におけるガスセンサの断面図。
【図３】第１の実施例におけるガスセンサの加熱制御手段。
【図４】第１の実施例におけるガスセンサの動作を示すタイムチャート。
【図５】第１の実施例におけるガスセンサの発熱体の温度を示すタイムチャート。
【図６】第２の実施例におけるガスセンサの発熱体の抵抗劣化。
【図７】第２の実施例におけるガスセンサの発熱体の温度を示すタイムチャート。
【図８】第３の実施例におけるガスセンサの平面図。
【図９】第３の実施例におけるガスセンサの断面図。
【図１０】第３の実施例におけるガスセンサの加熱制御手段。
【図１１】第３の実施例におけるガスセンサの動作を示すタイムチャート。
【図１２】第３の実施例におけるガスセンサの第１の発熱体の温度を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例について図面に基づき詳細に説明する。以下の実施例では、自動車用の内燃機関の吸気システムに組み込まれ、吸気の湿度を測定する熱式ガスセンサに適用した例を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は第一実施例を示す熱式ガスセンサの平面図、図２は、図１のセンサ素子１のII−
II矢視断面図である。
【００１７】
本実施例の熱式ガスセンサのセンサ素子１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部４が形成されており、この空洞部４は絶縁膜３ａで覆われ、絶縁膜３ａ上に発熱体５が形成されている。絶縁膜３ａ上には発熱体５や感温抵抗体６〜９が形成される。発熱体５は空洞部４上の絶縁膜３ａ上に形成され、感温抵抗体６〜９は空洞部４から外れた部分の絶縁膜３ａ上に形成される。さらに、発熱体５や感温抵抗体６〜９を保護するために表面は絶縁膜３ｂで覆われる。また、発熱体５、感温抵抗体６〜９に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１０ａ〜１０ｆが形成される。さらに、電極１０ａ〜１０ｆは加熱制御装置１２に金線ボンディングワイヤー１１ａ〜１１ｆなどにより電気的に接続される。
【００１８】
発熱体５及び感温抵抗体６〜９としては、抵抗温度係数が高い材料として、例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）等が選定され、絶縁層３ａ、３ｂとしては酸化シリコン（ＳｉＯ２）と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が単層あるいは積層構成にて選定される。また，絶縁層３ａ、３ｂとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミック、ガラスなどを単層あるいは積層構成にて選定することもできる。また、電極１０ａ〜１０ｆとしては、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）等が選定される。
【００１９】
発熱体５、感温抵抗体６〜９、空洞部４、絶縁膜３ａ、３ｂおよび電極１０ａ〜１０ｆ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、異方性エッチング技術を用いて形成される。特に、空洞部４は、単結晶シリコン基板２を異方性エッチングして形成するので、電極１０ａ〜１０ｆには、異方性エッチングに用いるアルカリエッチング溶液への耐性のある金属を用いる方が良い。
【００２０】
また、アルミニウムなどのアルカリエッチング溶液に対する耐性の無い金属を使用するときは、電極１０ａ〜１０ｆをアルミニウムとシリコンの合金で構成して耐性を持たせるか、または、電極１０ａ〜１０ｆの上に保護材を形成しておいてから異方性エッチングを行うことが好ましい。
【００２１】
図３は、本実施例における熱式ガスセンサのセンサ素子１の加熱制御装置１２の構成図である。以下、図３を用いて、本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御装置の構成を説明する。
【００２２】
加熱制御装置１２は、ブリッジ回路２３に組み込まれた発熱体５に対してブリッジ回路２３のバランスを維持するように加熱電流を供給し、発熱体５を所定の温度に制御する構成を有している。ブリッジ回路２３も加熱制御装置１２の一部を構成している。
【００２３】
ブリッジ回路２３は、発熱体５と固定抵抗１３が直列接続された直列回路２３ａと、感温抵抗体６と感温抵抗体７と感温抵抗体８と感温抵抗体９が直列接続された直列回路２３ｂとを並列に接続して構成される。固定抵抗１３としては、抵抗温度係数ができるだけ小さいものが選定される。発熱体５と固定抵抗１３との間の電圧（第1の分圧電圧）は差動増幅器１５に入力される。感温抵抗体６と感温抵抗体７の間の電圧（第２の分圧電圧）はスイッチ回路１４のスイッチＳＷ３を介して差動増幅器１５に入力される。感温抵抗体７と感温抵抗体８の間の電圧（第３の分圧電圧）はスイッチ回路１４のスイッチＳＷ２を介して差動増幅器１５に入力される。感温抵抗体８と感温抵抗体９の間の電圧（第４の分圧電圧）はスイッチ回路１４のスイッチＳＷ１を介して差動増幅器１５に入力される。スイッチ回路１４は差動増幅器１５に入力する電圧を電気的に開閉することで選択する。第1の分圧電圧は直列回路２３ａの分圧電圧として差動増幅器１５の一方の入力端子（本実施例ではプラス端子）に入力され、第２の分圧電圧と第３の分圧電圧と第４の分圧電圧とは直列回路２３ｂの分圧電圧として差動増幅器１５の一方の入力端子（本実施例ではマイナス端子）に入力され、プラス端子の入力電圧とマイナス端子の入力電圧の差分に応じて差動増幅器１５からブリッジ回路２３への供給電流が変化する。
【００２４】
スイッチ回路１４としては、ＭＯＳトランジスタなどを用いた半導体スイッチで形成することができる。この場合、電気的に高速に切り替えることが可能であるとともに、加熱制御装置１２をＬＳＩとして１チップにすることができ、小型化が可能である。差動増幅器１５の出力はブリッジ回路２３の発熱体５と感温抵抗体と６の間に接続され、発熱体５に加熱のための電流を供給する。
【００２５】
発熱体５の加熱温度はスイッチ回路１４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のうちどれを閉じるかによって変更することができる。ＳＷ１を閉じた場合、もっとも高温に制御され、ＳＷ３を閉じた場合もっとも低い温度に制御される。ＳＷ２のみ閉じた場合、ＳＷ１を閉じた場合とＳＷ３を閉じた場合の間の温度に制御される。このように簡易な構成で複数の温度に切替ることが可能である。
【００２６】
このような加熱制御装置１２を用いた場合、湿度が変化すると発熱抵抗体５を所定の温度に加熱するための電力が変化する。したがって、差動増幅器１５の加熱電圧Ｖｈ１の変化を取り出し演算すことにより湿度計測が可能である。加熱電圧Ｖｈ１は、差動増幅器１７により増幅され、サンプルホールド回路１８、ＡＤ変換器１９、さらにデジタルシグナルプロセッサ２０に取り込まれ、演算することにより高精度な湿度データＨｏｕｔを得ることができる。また、スイッチ回路１４およびサンプルホールド回路１８は、スイッチ制御回路２１により制御される。
【００２７】
スイッチ制御回路２１は発振器２２を基にスイッチ回路１４の開閉タイミングやサンプルホールド回路の動作信号を生成する。また、スイッチ制御回路２１は加熱制御手段１２の外部からの信号ＳＴＢに基づいて動作させることもできる（スタンバイ機能）。外部信号ＳＴＢを用いれば例えば内燃機関の制御装置であるＥＣＵからの指令にもとづいて、発熱体５の加熱温度を切り替えることができる。電源をＯＦＦにすることで加熱を完全に停止することもできるが、発熱体５が加熱されなくなり汚損が進行してしまう。このスタンバイ機能によって、湿度計測が不要な期間は、発熱体５の加熱温度を切替えることにより、省電力化が可能になるとともに、センサ素子の汚損を低減し、復帰後の湿度検出までの動作を速めることもできる。
【００２８】
図４は、本実施例におけるガスセンサのセンサ素子１の加熱制御装置１２の動作を示すタイミングチャートである。以下、図３、図４を用いて、本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御装１２置の動作を説明する。
【００２９】
図４におけるＣＬＫは発振器２２により生成したクロック波形である。ｔｓｗ１〜ｔｓｗ３はスイッチ回路１４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉を指示する信号であり。ＯＮで「閉」、ＯＦＦで「開」になる。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉タイミングとしては、まずＣＬＫのタイミングｔ１においてｔｓｗ２がＯＮになり、スイッチ回路１４のスイッチＳＷ２が「閉」になる。つぎにＣＬＫのタイミングｔ４においてｔｓｗ１がＯＮになり、スイッチ回路１４のスイッチＳＷ１が「閉」になる。つぎにＣＬＫのタイミングｔ７においてｔｓｗ３がＯＮになり、スイッチ回路１４のスイッチＳＷ３が「閉」になる。これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の「閉」となる期間としては、ＳＷ３が“閉”となる期間がもっとも長い。
【００３０】
図４におけるＶｈ１は図３における差動増幅器１５の出力電圧値の変動、すなわち発熱体５を加熱する電圧を示している。Ｖｈ１が大きいと発熱体５の加熱温度が高くなる。Ｖｈ１はＳＷ１〜ＳＷ３のうちどのスイッチを閉じているかによって変化する。ｔｓｗ２がＯＮのときＶｈ１は発熱体５の温度が１００℃〜１５０℃の範囲の一定温度に加熱するために必要な電圧値となる。ｔｓｗ１がＯＮのときＶｈ１は発熱体５の温度が３００℃以上の一定温度に加熱するために必要な電圧値となる。ｔｓｗ３がＯＮのときＶｈ１は発熱体５の温度が１００℃以下の一定温度に加熱するために必要な電圧値となる。
【００３１】
以下の説明においては、スイッチＳＷ１がＯＮになり発熱体５が３００℃以上の一定温度に加熱される場合の加熱温度を第１の温度、スイッチＳＷ３がＯＮになり発熱体５が１００℃以下の一定温度に加熱される場合の加熱温度を第２の温度、スイッチＳＷ２がＯＮになり発熱体５が１００℃〜１５０℃の範囲の一定温度に加熱される場合の加熱温度を第３の温度とする。
【００３２】
本実施例では、第２の温度の温度範囲は１００℃以下であり、第３の温度は１００℃〜１５０℃の範囲であり、第２の温度と第３の温度とを共に１００℃にすると、第２の温度と第３の温度とが同じになってしまう。第２の温度と第３の温度とは、第２の温度が第３の温度よりも低くなるように、上記各温度範囲内で異なる温度に設定される。
【００３３】
図４におけるＶｈ２は図３における差動増幅器１７により湿度によるＶｈ１の変化を増幅した電圧である。具体的にはＶｈ１と基準電圧源１６の差電圧を増幅した値となる。
【００３４】
図４におけるｔｓｈは図３に示すスイッチ制御回路により生成した信号であり、サンプルホールド回路１８の動作を制御する信号である。ｔｓｈがＯＮのときサンプルホールド回路１８は入力電圧Ｖｈ２を読み込む。ｔｓｈがＯＦＦのときは読み込んだＶｈ２の電圧値を保持する。サンプルホールド回路１８がＶｈ２を読み込むタイミングとしては、スイッチＳＷ１またはスイッチＳＷ２が「閉」の期間（ｔ２、ｔ５）である。このｔ２とｔ５のタイミングで読み込んだ値Ｖｈ３（Ｌ）とＶｈ３（Ｈ）とは、図３のＡＤ変換器１９により読み込まれデジタルデータとなる。さらに、デジタルシグナルプロセッサ２０によりＶｈ３（Ｌ）とＶｈ３（Ｈ）の値を用いて絶対湿度Ｈｏｕｔが計算される。
【００３５】
図５はスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の動作による発熱体５の温度変化を示したものである。
スイッチＳＷ２が「閉」（ｔｓｗ２がＯＮ）のとき（期間ｄ１）、発熱体５は１００℃〜１５０℃の範囲の第３の温度Ｔｈ３に保持される。スイッチＳＷ１が「閉」（ｔｓｗ１がＯＮ）のとき（期間ｄ２）、発熱体５は３００℃以上の範囲の第１の温度Ｔｈ１に保持される。スイッチＳＷ３が「閉」（ｔｓｗ３がＯＮ）のとき（期間ｄ３）、発熱体５は１００℃以下範囲の第２の温度Ｔｈ２に保持される。期間ｄ３においても発熱体５は通電され加熱制御されている。このため、第２の温度Ｔｈ２は、周囲の温度やセンサ素子１の基板２の温度Ｔｂよりも高い温度である。
【００３６】
湿度の計測には発熱体５の温度がＴｈ３の期間ｄ１とＴｈ１の期間ｄ２を設けこの２温度の状態における発熱体５の加熱電圧のデータが必要である。したがって、期間ｄ１及び期間ｄ２は湿度計測のための期間（検出動作期間）である。発熱体５の温度がＴｈ２の期間ｄ３は湿度計測のための動作を停止している期間（待機期間）である。これらの期間ｄ１、ｄ２、ｄ３の内、待機期間であるｄ２の期間がもっとも長い。
【００３７】
本構成における効果を説明する。上記のｄ２の状態を設けることによって、発熱体５の温度を下げる期間を設けることができ、センサ素子１（特に発熱体５）の劣化を低減することができる。発熱体５の温度が下がると劣化の進行を低減することができるためである。また、ｄ２の状態は基板温度Ｔｂよりも発熱体５とその周辺が高温に保持されているため、発熱体５の周辺は加熱による空気の分子運動の増加により、汚損物質となる粒子に反発させることができ、汚損物質の付着を低減することができる。また、湿度が高い環境である場合、結露による水滴の付着を防止することができる。また、待機期間ｄ３において発熱体５を加熱してその温度を高めることにより、発熱体５を加熱しない場合と比べて、期間ｄ１、ｄ２、ｄ３を通じて上下する発熱体５の温度差が低減し、温度サイクルによる膨張収縮を繰り返すストレスによる疲労を低減することができる。これらの期間ｄ１、ｄ２、ｄ３の内、ｄ３の期間がもっとも長くなるようにデューティ比を設定することにより温度差によるストレスを受ける回数を低減することができるとともに、高温になる期間ｄ２を相対的に短くすることができ、より劣化の進行を低減することができる。
【実施例２】
【００３８】
本発明を適用してなるさらに効果的な実施例を説明する。本実施例は実施例１のガスセンサにおいてさらに汚損による誤差を低減しした構成である。
【００３９】
図６は、多結晶シリコンなどのＳｉ材料や、白金（Ｐｔ）などの金属材料で形成した発熱体５の抵抗劣化を評価した結果である。Ｓｉ材料では２００℃以上において劣化の進行が加速し抵抗値の変動が大きくなる。Ｐｔなどの金属材料では、３００℃以上において劣化の進行が加速し抵抗値の変動が大きくなる。したがって、Ｓｉ材料では劣化の進行を遅らせるために加熱温度を２００℃以下に下げる期間を設けることで効果がえられる。Ｐｔなどの金属材料においては３００℃以下に下げる期間を設けることによって効果が得られる。一方、汚損物となる粒子の付着を低減するためには発熱体５が高温であるほどより低減効果が得られる。実施例１では図５における期間ｄ３での発熱体５の温度Ｔｈ２の設定値としてＴｈ３より低い１００℃以下としたが、さらに高温でも発熱体５の抵抗劣化の抑制効果が得られる。したがって、単結晶シリコンの場合は１００℃〜２００℃、Ｐｔの場合は１００℃から３００℃の範囲であればよい。実施例１にくらべ劣化が加速しない範囲で発熱体５を高温化することができ汚損をより低減することができる。
【００４０】
上記のように汚損を低減するには、劣化の進行が加速しない範囲で加熱温度を高めることが必要である。従来の構成で第１の温度Ｔｈ１と第３の温度Ｔｈ３の２温度で制御し、Ｔｈ３の期間を長く設定することも可能であるが、Ｔｈ３の温度は湿度による空気の熱伝導率の変化が小さい条件であることが必要である。そのため、Ｔｈ３が１００℃〜１５０℃の範囲から外れた高温度に設定されると高精度な湿度計測ができなくなる。そこで、本実施例ではＴｈ１、Ｔｈ３に加えてＴｈ３より高温でＴｈ１よりも低温となる第２の温度Ｔｈ２の期間を設定することでさらに耐汚損性を高めている。
【００４１】
図７は本実施例におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の動作タイミングと発熱体５の温度変化を示したものである。
【００４２】
スイッチＳＷ３が「閉」（ｔｓｗ３がＯＮ）のとき、発熱体５は１００℃〜１５０℃の範囲の第３の温度Ｔｈ３に保持される。スイッチＳＷ１が「閉」（ｔｓｗ１がＯＮ）のとき、発熱体５は３００℃以上の範囲の第１の温度Ｔｈ１に保持される。スイッチＳＷ２が「閉」（ｔｓｗ２がＯＮ）のとき、発熱体５は１００℃〜２００℃の範囲の第２の温度Ｔｈ２に保持される。湿度の計測には発熱体５の温度がＴｈ１の期間ｄ２とＴｈ３の期間ｄ１を設けこの２温度の状態における発熱体５の加熱電圧のデータを用いる。したがって、期間ｄ２及び期間ｄ１は湿度計測のための期間（検出動作期間）である。発熱体５の温度がＴｈ２の期間ｄ３は湿度計測のための動作を停止している期間（待機期間）である。これらの期間ｄ１、ｄ２、ｄ３の内ｄ３の期間がもっとも長い。
【００４３】
第３の温度Ｔｈ３を１００℃〜１５０℃の範囲とし、第２の温度Ｔｈ２をＴｈ３と一致させてもよい。この場合、第２の温度Ｔｈ２を第３の温度Ｔｈ３よりも高くする場合と比べて、耐汚損性は劣ることになるが、実施例１に比べて耐汚損性は向上する。尚、この場合、第３の温度Ｔｈ３（すなわち第２の温度Ｔｈ２）に加熱制御される期間は第１の温度Ｔｈ１に加熱制御される期間よりも長く設定される。
【００４４】
本実施例では、実施例１に対して、第２の温度Ｔｈ２に加熱制御するときに閉じられるスイッチと第３の温度Ｔｈ３に加熱制御するときに閉じられるスイッチとが入れ替わっている。また、第２の温度Ｔｈ２も実施例１に対して異なる温度に設定されている。このため、ブリッジ回路２３を構成する感温抵抗体６、７、８の抵抗値は実施例１に対して変更されている。
【００４５】
本構成における効果を説明する。上記のｄ３の状態を設けることによって、発熱体５の温度を劣化を抑制或いは劣化に影響しない温度まで下げる期間を設けることができ、劣化を低減することができる。また、ｄ３の状態は実施例１よりも高温に保持されているため、発熱体５の周辺は加熱による空気の分子運動の増加により、汚損物質となる粒子に反発させることができ、付着をより低減することができる。また、湿度が高い環境である場合、結露による水滴の付着を防止することができる。また、待機期間ｄ３における発熱体５の温度を検出動作期間ｄ１における温度よりも高くしたことにより、実施例１と比べてさらに、期間ｄ１、ｄ２、ｄ３を通じて上下する発熱体５の温度差が低減し、温度サイクルによる膨張収縮を繰り返すストレスによる疲労を低減することができる。これらの期間ｄ１、ｄ２、ｄ３の内ｄ３の期間がもっとも長くなるようにデューティ比を設定することにより温度差によるストレスを受ける回数を低減することができるとともに、高温になる期間ｄ２を相対的に短くすることができ、より劣化の進行を低減することができる。
【実施例３】
【００４６】
図８は、本発明の第三の実施例を示す熱式ガスセンサ３１の平面図である。図９は、図８のセンサ素子３１のIX−IX矢視断面図である。
【００４７】
本実施例の熱式ガスセンサのセンサ素子３１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部４が形成されており、この空洞部４は絶縁膜３ａで覆われ、空洞部４上の絶縁膜３ａ上に第１の発熱体３５と第２の発熱体３６が形成されている。さらに、第１の発熱体３５や第２の発熱体３６を保護するために表面は絶縁膜３ｂで覆われる。また、第１の発熱体３５、第２の発熱体３６に電圧、電流の供給、取り出しのための電極４０ａ〜４０ｄが形成される。さらに、電極４０ａ〜４０ｄは加熱制御装置４２に金線ボンディングワイヤー４１ａ〜４１ｄなどにより電気的に接続される。
【００４８】
図８に示すように、第１の発熱体３５の周辺を取り囲むように第２の発熱体３６を配置することにより、第１の発熱体３５の周囲温度が第２の発熱体３６の温度（Ｔｈ２）で維持され、周囲温度Ｔ３への依存性（影響）を低減することが可能である。また本実施例では、実施例１、２のように湿度計測のためにＴｈ１とＴｈ３との二温度条件での発熱体の電圧・電流を測定する必要がなく、Ｔｈ１の一温度条件での測定で発熱体３５の電圧または電流に基づいて絶対湿度を計測することが可能な構成である。
【００４９】
図１０は、本実施例におけるセンサ素子３１の加熱制御装置４２の構成図である。以下、図１０を用いて、本実施例における熱式ガスセンサの動作について説明する。
【００５０】
本実施例では、第一の発熱体３５が組み込まれたブリッジ回路４９と第二の発熱抵抗体３６が組み込まれたブリッジ回路５３が設けられている。ブリッジ回路４９はブリッジ回路４９のバランスを維持するように第一の発熱体３５の加熱電流を制御する。ブリッジ回路５３はブリッジ回路５３のバランスを維持するように第二の発熱体３６の加熱電流を制御する。ブリッジ回路４９とブリッジ回路５３とは加熱制御装置４２の一部を構成している。
【００５１】
センサ素子３１の駆動回路は、第一の発熱体３５の加熱電流を制御する駆動回路部分５０と、第二の発熱体３６の加熱電流を制御する駆動回路部分５１とによって構成され、第一の発熱体３５と第２の発熱体３６とに対して加熱電流を供給する。この場合、第一の発熱体３５は第一の温度Ｔｈ１に制御され、第二の発熱体３６は第一の温度Ｔｈ１よりも低温である第二の温度Ｔｈ２に制御される。
【００５２】
センサ素子３１の駆動回路のうち駆動回路部分５０は、発熱体３５と固定抵抗３９とが直列接続された直列回路４９ａと、固定抵抗３７と固定抵抗３８とが直列接続された直列回路４９ｂとを並列に接続して構成されたブリッジ回路４９を有する。発熱体３５と固定抵抗３９との接続端電位が差動増幅器１５に入力される。固定抵抗３７と固定抵抗３８との接続端電位はスイッチ回路４６のスイッチＳＷ１を介して差動増幅器１５に入力される。スイッチ回路４６にはスイッチＳＷ２が設けられ所定の基準電位を持つ基準電圧源４７を差動増幅器１５の入力に接続している。
【００５３】
発熱体３５の加熱温度はスイッチ回路４６のスイッチＳＷ１、ＳＷ２のうちどれを閉じるかによって変更することができる。ＳＷ１を閉じた場合、所定の温度Ｔｈ１に加熱制御され、ＳＷ２が閉じた場合、加熱制御が停止する。基準電圧源４７の電圧は発熱抵抗体３５と固定抵抗３９との間の電圧よりも十分高い電圧である。こうすることによって、ＳＷ２が選択された場合、差動増幅器１５の出力がほぼゼロになり加熱制御を停止することができる。すなわち、差動増幅器１５の負側の入力電圧を大きくして出力がほぼゼロになるようにしている。これにより、差動増幅器１５からブリッジ回路４９への電流供給が停止する。
【００５４】
差動増幅器１５からブリッジ回路４９への電流供給を完全に停止するだけであれば、差動増幅器１５の出力側とブリッジ回路４９とを接続する配線５２に接続を開閉するスイッチを設けても良い。この場合、基準電圧源４７とスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とが不要になり、スイッチＳＷ１の部分は常時電気的に接続されていればよい。
【００５５】
発熱体３６の加熱制御を行う駆動回路部分５１は、発熱体３６と固定抵抗４５とが直列接続された直列回路５３ａと、固定抵抗４３と固定抵抗４４とが直列接続された直列回路５３ｂとを並列に接続して構成されるブリッジ回路５３を有する。発熱体３６と固定抵抗４５との接続端の電位と、固定抵抗４３と固定抵抗４４との接続端の電位とが差動増幅器４８に入力される。差動増幅器４８の出力端子は発熱体３６と固定抵抗４３との間に接続され、入力電圧の差に応じた電圧を印加することにより加熱制御される。この構成により、発熱体３６の温度が１００℃以上の一定温度である第二の温度Ｔｈ２になるようにフィードバック制御される。
【００５６】
このような加熱制御装置４２の場合、湿度が変化すると発熱抵抗体３５を所定の温度に加熱するための電力が変化する。したがって、差動増幅器１５の加熱電圧Ｖｈ１の変化を取り出すことにより湿度計測が可能である。加熱電圧Ｖｈ１は、差動増幅器１７により増幅され、サンプルホールド回路１８、ＡＤ変換器１９により高精度な湿度データＨｏｕｔを得ることができる。また、スイッチ回路４６およびサンプルホールド回路１８は、スイッチ制御回路２１により制御される。スイッチ制御回路２１は発振器２２のクロック信号ＣＬＫに基づいてスイッチ回路１４の開閉タイミングやサンプルホールド回路１８の動作信号を生成する。また、スイッチ制御回路２１は加熱制御装置１２の外部からの信号ＳＴＢに基づいて動作させることもできる。
【００５７】
図１１は、本実施例における熱式ガスセンサのセンサ素子３１の加熱制御装置４２の動作を示すタイミングチャートである。以下、図１０、図１１を用いて、本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御装置の動作を説明する。
【００５８】
図１１におけるＣＬＫは発振器２２により生成したクロック波形である。ｔｓｗはスイッチ回路４６のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の開閉を指示する信号であり。ハイレベルでＳＷ１が「閉」、ローレベルでＳＷ２が「閉」になる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２の開閉タイミングとしては、まずＣＬＫのタイミングｔ１においてｔｓｗがハイレベルになり、スイッチ回路１４のスイッチＳＷ１が「閉」になる。つぎにＣＬＫのタイミングｔ４においてｔｓｗがローレベルになり、スイッチ回路１４のスイッチＳＷ２が「閉」になる。これらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２の「閉」となる期間としては、ＳＷ２が“閉”となる期間がもっとも長い。
【００５９】
図１１におけるＶｈ１は図１０おける差動増幅器１５の出力電圧値の変動、すなわち発熱体３５を加熱する電圧を示している。Ｖｈ１が大きいと発熱体３５の加熱温度が高くなる。Ｖｈ１はＳＷ１、ＳＷ２のうちどのスイッチを閉じているかによって変化する。ｔｓｗがハイレベルのとき発熱体３５の温度が４００℃〜５００℃の範囲の一定温度に加熱するために必要なＶｈ１となる。ｔｓｗがローレベルのとき発熱体３５の加熱が停止する。このとき発熱体３５の温度は発熱体３６の温度とほぼ同程度になる。
【００６０】
図１１におけるＶｈ２は図１０における差動増幅器１７により湿度によるＶｈ１の変化を増幅した電圧である。具体的にはＶｈ１と基準電圧源１６の差電圧を増幅した値となる。
【００６１】
図１１におけるｔｓｈは図１０に示すスイッチ制御回路により生成した信号であり、サンプルホールド回路１８の動作を制御する信号である。ｔｓｈがＯＮのときサンプルホールド回路１８は入力電圧Ｖｈ２を読み込む。ｔｓｈがＯＦＦのときは読み込んだＶｈ２を保持する。サンプルホールド回路１８がＶｈ２を読み込むタイミングとしては、スイッチＳＷ１が「閉」の期間（ｔ１〜ｔ４）である。このときに読み込んだ値Ｖｈ３は、図１０のＡＤ変換器１９により読み込まれデジタルデータとなる。本実施例では発熱体３６により発熱体３５の環境温度（周囲温度）の変化を低減した構成であるため、このデジタルデータが絶対湿度Ｈｏｕｔとなる。
【００６２】
図１２はスイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作タイミングと発熱体３５の温度変化を示したものである。
スイッチＳＷ１が「閉」（ｔｓｗがハイレベル）のとき、発熱体５は４００℃〜５００℃の範囲の第一の温度Ｔｈ１に保持される。スイッチＳＷ２が「閉」（ｔｓｗがローレベル）のとき、発熱体３５は２００℃から３００℃の範囲の第二の温度Ｔｈ２（発熱体３６の温度）に保持される。
【００６３】
湿度の計測には発熱体３５の温度がＴｈ１の期間ｄ１を設けこの状態における発熱体３５の加熱電圧のデータが必要である。したがって、期間ｄ１は湿度計測のための期間（検出動作期間）である。発熱体３５の温度がＴｈ２の期間ｄ２は湿度計測のための動作を停止している期間（待機期間）である。これらの期間ｄ１、ｄ２の内ｄ２の期間がもっとも長い。
【００６４】
発熱体３５が第二の温度Ｔｈ２に保持されるｄ２の期間は発熱体３５への通電は停止されている。このｄ２の期間は発熱体３６の通電（加熱制御）により発熱体３５の温度が第二の温度Ｔｈ２に保持されることになる。
【００６５】
本構成における効果を説明する。上記のｄ２の状態を設けることによって、発熱体３５の温度を下げる期間を設けることができ劣化を低減することができる。発熱体３５の温度が下がると劣化の進行を低減することができるためである。また、ｄ２の状態では発熱体３５の周辺の温度が発熱体３６の加熱により基板２の温度Ｔｂよりも高温に保持されているため、空気の分子運動の増加により、汚損物質となる粒子に反発させることができ、発熱体３５に対する汚損物質の付着を低減することができる。また、湿度が高い環境である場合、結露による水滴の付着を防止することができる。また、期間ｄ１から期間ｄ２に切り替わることにより発熱体３５に生じる温度差が低減し、温度サイクルによる膨張収縮を繰り返すストレスによる疲労を低減することができる。これらの期間ｄ１、ｄ２の内ｄ２の期間がもっとも長くなるようにデューティ比を設定することにより温度差によるストレスを受ける回数を低減することができるとともに、高温になる期間ｄ１を相対的に短くすることができ、より劣化の進行を低減することができる。
【００６６】
また、本構成によれば発熱体３５の加熱制御を停止しても、発熱体３６により加熱されている。したがって発熱体３６の加熱制御を停止することにより発熱体３５に流れる電流をほぼゼロにすることできる。これにより、電流が流れることによる発熱体３５の劣化（エレクトロマイグレーション）を低減することができる。とくに発熱体３５の劣化を低減することは、湿度計測が発熱体３５に基づいて検出されるため重要である。
【００６７】
上記各実施例において、発熱体として熱線や板状のものを用いてセンサ素子部分を構成することも可能である。ただし、上記各実施例で説明した単結晶シリコンで形成された基板に空洞部を形成してセンサ素子を構成する実施例では、センサ素子部の熱容量を小さくすることができる。このため、上記各実施例で説明したセンサ素子は、応答性に優れており、待機期間における待機温度から検出動作期間における検出動作温度まですぐに回復することができ、本発明の課題を解決するための形態としてより好適である。
【符号の説明】
【００６８】
１…センサ素子、２…基板、３ａ、３ｂ…絶縁膜、４…空洞部、５…発熱体、６〜９…感温抵抗体、１０ａ〜１０ｆ…電極、１１ａ〜１１ｆ…金線ボンディングワイヤー、１２…加熱制御手段、１３…固定抵抗、１４…スイッチ回路、１５…差動増幅器、１６…、１７…差動増幅器、１８…サンプルホールド回路、１９…ＡＤ変換器、２０…デジタルシグナルプロセッサ、２１…スイッチ制御回路、２２…発振器、２３…ブリッジ回路、３１…センサ素子、３５…発熱体、３６…発熱体、３７〜３９…固定抵抗、４０ａ〜４０ｄ…電極、４１ａ〜４１ｄ…金線ボンディングワイヤー、４２…加熱制御手段、４３〜４５…固定抵抗、４６…スイッチ回路、４７…基準電圧減、４８…差動増幅器、４９…ブリッジ回路、５０…ブリッジ回路４９の駆動回路、５１…ブリッジ回路５３の駆動回路、５３…ブリッジ回路。
【図１】
2014089048.tif 000003
【図２】
2014089048.tif 000004
【図３】
2014089048.tif 000005
【図４】
2014089048.tif 000006
【図５】
2014089048.tif 000007
【図６】
2014089048.tif 000008
【図７】
2014089048.tif 000009
【図８】
2014089048.tif 000010
【図９】
2014089048.tif 000011
【図１０】
2014089048.tif 000012
【図１１】
2014089048.tif 000013
【図１２】
2014089048.tif 000014