(57)【要約】【課題】熱伝導率の変化に基づいたガス分析が可能な、高応答で高精度の熱式ガスセンサを提供することである。【解決手段】空洞部５を有する基板２と、空洞部に積層され、複数の絶縁層８ａ，８ｂから構成される薄膜支持体６と、薄膜支持体の絶縁層に挟持された第１の発熱体３および第２の発熱体４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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部を有する基板と
前記空洞部に積層され、複数の絶縁層から構成される薄膜支持体と、
前記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、
前記第２の発熱体は前記第１の発熱体の周辺に配置され、
前記第１の発熱体は前記第２の発熱体よりも高温に制御され、
前記第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熱式ガスセンサセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体は前記第１の発熱体の四方を取り囲むように形成され、前記第２の発熱体が敷設される面積は前記第１の発熱体が敷設される面積よりも広く形成されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体の温度と前記第２の発熱体の温度差が一定温度となるように加熱制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体の近傍に第１の温度センサが配置されていることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体の近傍に第２の温度センサが配置されていることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体が１００℃以上の温度で加熱されていることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項７】
請求項１または２に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体の加熱温度は、前記第１の発熱体と複数の固定抵抗から構成されるブリッジ回路を有する加熱温度制御手段により温度制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項８】
請求項４に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体の加熱温度は、前記第１の温度センサと複数の固定抵抗から構成されるブリッジ回路を有する加熱温度制御手段により温度制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項９】
請求項４に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体の近傍に第２の温度センサが配置され、
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサを有するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路を有する加熱温度制御手段とにより前記第１の発熱体の加熱温度が制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項１０】
請求項１または２に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体の加熱温度は、前記第２の発熱体と複数の固定抵抗から構成されるブリッジ回路を有する加熱温度制御手段により温度制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項１１】
請求項５に記載の熱式ガスセンサにおいて、
前記第２の発熱体の加熱温度は、前記第２の温度センサと複数の固定抵抗から構成されるブリッジ回路を有する加熱温度制御手段により温度制御されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１の熱式ガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体の加熱温度をＴ１、前記第２の発熱体の加熱温度をＴ２、前記熱式ガスセンサ周辺のガス温度をＴ３、前記空洞部の端部から前記第１の発熱体までの距離をＸ３、前記空洞部の端部から前記第２の発熱体までの距離をＸ４とすると、
前記第２の発熱体の加熱温度Ｔ２は、Ｔ１・Ｘ４／Ｘ３＋Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１の範囲に設定されることを特徴とする熱式ガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１に記載の熱式ガスセンサと、ベース部材と、前記ベース部材に配置された熱式空気流量センサと、前記熱式空気流量センサと電気的に接続された駆動集積回路とを有し、
前記熱式ガスセンサは、前記ベース部材に配置され、前記ベース部材に設けられた内層導体を介して前記駆動集積回路に電気的に接続されることを特徴とする濃度検出装置。
【請求項１４】
ハウジングと、前記ハウジングに設けられた空気流を取り込む副通路と、前記副通路と連通された第１の空洞部とを有し、前記副通路内に配置された熱式空気流量センサと、前記第１の空洞部に配置された熱式ガスセンサとを備え、
前記熱式ガスセンサは、第２の空洞部を有する基板と、前記第２の空洞部に積層され、複数の絶縁層から構成される薄膜支持体と、前記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、前記第２の発熱体は前記第１の発熱体の周辺に配置され、前記第１の発熱体は前記第２の発熱体よりも高温に制御され、前記第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ことを特徴とする熱式流量計。
【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ガスの成分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ガス分析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、上記センサは、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最適に内燃機関を運転させるためにも使用される。
【０００４】
上記のような湿度や、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。このような熱式ガスセンサの先行技術文献として、特許文献１（特許第２８８９９０９号公報）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、抵抗変化が雰囲気温度のみに影響される低温度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て、抵抗体両端に生ずる高温度における電圧から低温度における電圧を比較して湿度を検知する湿度センサが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２（特許第３３４３８０１号公報）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】
上記の特許文献１および２に開示された湿度センサでは、同一の発熱体または感温抵抗体を低温度（第２の温度）と高温度（第１の温度）に時分割に加熱する構成となっている。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このように時分割で同一の発熱体または感温抵抗体を加熱する構成では、省電力という利点はあるが、異なる温度に発熱体または感温抵抗体を加熱および自然冷却するための時間が必要となり応答速度が遅いという課題がある。
【０００９】
特に、内燃機関の吸入空気の湿度計測では、燃料噴射時間等の瞬時計算に用いられる重要なデータとなることから即時性が求められる。このような応用に対して、特許文献１および２に開示された従来の湿度センサは応答速度が課題となる。
【００１０】
また、従来は第１の温度と第２の温度での感温抵抗体の電圧降下に関連する出力電圧と、あらかじめ測定した感温抵抗体の抵抗値などの種々のパラメータを用いた演算により湿度に応じた信号を得ている。これは、ガスの温度変動による影響を補正するためである。そのため、長期間使用することにより感温抵抗体の抵抗値が劣化することで、パラメータに誤差が生じ、演算誤差が増大するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記の従来例の課題を解決し、種々の環境条件の下で使用可能な、高応答で高精度の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基板の空洞部に薄膜支持体を形成し、該薄膜支持体に第１の発熱体と第２の発熱体を形成し、該第２の発熱体は該第１の発熱体の周辺に配置され、該第１の発熱体は該第２の発熱体よりも高温に制御され、前記第１の発熱体の加熱電力に基づいて周囲ガスの状態を測定する。これによりガスの熱伝導の変化を検出する第１の発熱体の周辺の温度は、第２の発熱体により所定の温度に保持することができる。すなわち、ガス温度の変動による影響を低減することができ、発熱体を異なる温度に時分割に加熱する必要がなく応答速度も早くすることができる。
【００１３】
さらに、前記第２の発熱体は、前記第１の発熱体の四方を取り囲むように形成され、前記第２の発熱体が敷設される面積が、前記第１の発熱体が敷設される面積よりも広く形成する。これにより、第１の発熱体の近傍のガスの温度をより安定的に所定の温度に保つことができ、高精度化が図れる。
【００１４】
さらに、前記第１の発熱体の温度と前記第２の発熱体の温度の差が一定温度となるように加熱制御する。これにより、高精度にガスの熱伝導率の変動に伴う第１の発熱体の放熱量を変化を検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスの温度変動による影響を低減し、高応答で高精度な熱式ガスセンサが得られる。また駆動回路の簡略化を図ることができ信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施例を示す熱式ガスセンサのセンサの平面図。
【図２】図１のＸ−Ｘ線の断面図。
【図３】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの駆動回路。
【図４】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの温度分布。
【図５】第１の実施例における熱式ガスセンサの実験結果。
【図６】第１の実施例における熱式ガスセンサの実験結果。
【図７】第２の実施例を示す熱式ガスセンサの平面図。
【図８】第２の実施例を示す熱式ガスセンサの駆動回路。
【図９】第３の実施例を示す熱式ガスセンサの平面図。
【図１０】第３の実施例を示す熱式ガスセンサの駆動回路。
【図１１】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの実験結果。
【図１２】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの実験結果。
【図１３】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの実験結果。
【図１４】第４の実施例を示す熱式ガスセンサの平面図。
【図１５】第４の実施例を示す熱式ガスセンサの駆動回路。
【図１６】第５の実施例を示す熱式流量計の平面図。
【図１７】第５の実施例を示す複合型センサの電気的接続図。
【図１８】第１の実施例を示す熱式ガスセンサの補足実験結果。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。本実施形態は自動車用の内燃機関の吸気システムとして、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】
【００１８】
図１は第一実施例を示す熱式ガスセンサのセンサエレメントの平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１９】
熱式ガスセンサ１ａ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、図１に示すように、空洞部５が形成されており、この空洞部５内に、第一の発熱体３と第二の発熱体４が敷設される。また、これら発熱体を支持する薄膜支持体６が基板２の空洞部上に位置するように形成されている。
【００２０】
ここで、薄膜支持体６は図２に示すように基板２の上面に積層された絶縁層８ａ，８ｂによって構成されており、これらの絶縁層８ａ，８ｂの間に、発熱体３，４が介在されて支持されている。発熱体４は発熱体３の周囲を取り巻くように配置されている。
【００２１】
このように、発熱体３の周辺を取り囲むように発熱体４を配置することにより、発熱体３の周囲温度が発熱体４の温度（Ｔ２）で維持され、周囲温度Ｔ３の依存性をより低減することが可能である。好ましくは発熱体３の四方を取り囲むように発熱体４を配置することがあげられる。
【００２２】
また、発熱体３，４は、薄膜支持体６の平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する微細幅の抵抗体からなり、外部回路との接続のために基板２上に形成された電極７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄと電気的に接続される。
【００２３】
発熱体３，４としては、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）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８ａ，８ｂ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８ａ，８ｂとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミック，ガラスなどが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７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとしては、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）等が選定される。
【００２４】
発熱体３，４，絶縁層８ａ，８ｂおよび電極７ａ〜７ｄ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５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７ａ〜７ｄ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。
【００２５】
また、アルミニウムなどの耐性の無い金属を使用するときは、電極７ａ〜７ｄ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７ａ〜７ｄの上に保護膜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。
【００２６】
図３は、熱式ガスセンサ１ａの駆動回路の構成図である。以下、図３を用いて、第一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。
【００２７】
熱式ガスセンサ１ａの駆動回路は、第一の発熱体３と第２の発熱体４に対して加熱電流を供給し、第一の発熱体３を第一の温度Ｔ１に制御し且つ第二の発熱体４を第一の温度よりも低温である第二の温度Ｔ２に制御する構成を有している。
【００２８】
熱式ガスセンサ１ａの駆動回路は、第一のブリッジ回路１４ａと第二のブリッジ回路１４ｂと、差動増幅器１０ａ，１０ｂと、発熱体３，４に加熱電流を流すためのトランジスタ１１ａ，１１ｂを有している。尚、図３で符号１２は電源である。
【００２９】
第一のブリッジ回路１４ａは、発熱体３と固定抵抗９ａ，９ｂ，９ｃから構成されており、発熱体３と固定抵抗９ｃが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ａと９ｂが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。第二のブリッジ回路１４ｂも同様に、発熱体４と固定抵抗９ｄ，９ｅ，９ｆから構成されており、発熱体４と固定抵抗９ｆが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ｄと９ｅが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。
【００３０】
このとき、第一のブリッジ回路１４ａにおける発熱体３と固定抵抗９ｃの接続端電位と、固定抵抗９ａと９ｂの接続端の電位とが差動増幅器１０ａに入力される。差動増幅器１０ａは、入力電圧の差に応じた電圧をトランジスタ１１ａのベース電極に出力する。トランジスタ１１ａにより、ベース電極の電位に応じてコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御する。トランジスタ１１ａのエミッタ電極は、第１のブリッジ回路１４ａの発熱体３と固定抵抗９ａとの間に接続され、コレクタ−エミッタ間電流が第１のブリッジ回路１４ａに流れる。固定抵抗９ａの抵抗値は発熱体３の抵抗値の１０倍以上に設定する。これによりトランジスタ１１ａから流れる電流のほとんどは発熱体３へ流れ、発熱体３が加熱される。この構成により、発熱体３の温度が３００℃程度の一定温度である第一の温度Ｔ１になるようにフィードバック制御される。
【００３１】
発熱体３の温度設定は、既知である発熱体３の抵抗温度係数から第一の温度Ｔ１における発熱体３の抵抗値と固定抵抗９ｃの比と、固定抵抗９ａと９ｂの比が一致するように設定され、発熱体３の温度が第一の温度Ｔ１より低いと、トランジスタ１１ａがオンして発熱体３にトランジスタ１１ａを介して電源１２から加熱電流が流れることになる。
【００３２】
第二のブリッジ回路１４ｂでも同じように、発熱体４と固定抵抗９ｆの接続端の電位と、固定抵抗９ｄと９ｅの接続端の電位とが差動増幅器１０ｂに入力される。差動増幅器１０ｂは、入力電圧の差に応じた電圧をトランジスタ１１ｂのベース電極に出力する。トランジスタ１１ｂにより、ベース電極の電位に応じてコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御する。トランジスタ１１ｂのエミッタ電極は、第２のブリッジ回路１４ｂの発熱体４と固定抵抗９ｄとの間に接続され、電源１２からコレクタ−エミッタ間の電流が第２のブリッジ回路１４ｂに流れる。固定抵抗９ｄの抵抗値は発熱体４の抵抗値の１０倍以上に設定する。これによりトランジスタ１１ｂから流れる電流のほとんどは発熱体４へ流れ、発熱体４が加熱される。この構成により、発熱体４の温度が１００℃以上の一定温度である第二の温度Ｔ２になるようにフィードバック制御される。
【００３３】
発熱体４の温度設定は、既知である発熱体４の抵抗温度係数から第二の温度Ｔ２における発熱体４の抵抗値と固定抵抗９ｆの比と、固定抵抗９ｄと９ｅの比が一致するように設定され、発熱体４の温度が第二の温度Ｔ２より低いと、トランジスタ１１ｂがオンして発熱体４にトランジスタ１１ｂを介して電源１２から加熱電流が流れることになる。
【００３４】
図４に上記の第一の温度Ｔ１および第二の温度Ｔ２に制御された発熱体３，４の近傍の温度状態を示す。周囲温度Ｔ３は被測定ガスである熱式ガスセンサ１ａの周囲のガスの温度である。この周囲温度Ｔ３は、たとえば季節などの環境条件により変化し、自動車用の内燃機関の吸気の場合−４０℃から＋１２５℃の間で変動する。発熱体４は、駆動回路により、温度Ｔ２に加熱されている。周囲温度Ｔ３が変動しても発熱体４の加熱温度は温度Ｔ２に保持される。発熱体３は、駆動回路により、Ｔ２よりも高い温度である温度Ｔ１に加熱されている。
【００３５】
ここで、発熱体３からガスへの放熱量Ｑ１、発熱体４からガスへの放熱量Ｑ２は、近似的に、下記の（１），（２）式として表される。
Ｑ１＝λ（Ｔ１−Ｔ２）  ・・・（１）
Ｑ２＝λ（Ｔ２−Ｔ３）  ・・・（２）
ここで、λは空気の熱伝導率であり湿度により変化するパラメータである。上式から、周囲温度Ｔ３が変化すると、発熱体４の放熱量Ｑ２が大きく変動するが、発熱体３の放熱量Ｑ１は周囲温度Ｔ３の影響を受けることがない。すなわち、発熱体３は、常に一定温度Ｔ２の空気に晒されていることと等価である。したがって、Ｔ１，Ｔ２が一定であることから、発熱体３の放熱量Ｑ１はλのみに依存する。λは湿度によって変化することから、Ｑ１は周囲温度Ｔ３の変化の影響を受けず湿度に応じた信号となる。
【００３６】
次に、発熱体３，４に投入される電力Ｐ１，Ｐ２は、下記の（３）（４）式となる。
Ｐ１＝Ｑ１＋ＱＢ１＋ＱＧ１  ・・・（３）
Ｐ２＝Ｑ２＋ＱＢ１＋ＱＧ２  ・・・（４）
上記（３）（４）式で、Ｑ１，Ｑ２は湿度に依存して熱伝導により周囲環境に放熱される熱量、ＱＢ１は薄膜支持体６を通じて熱伝導による熱量、ＱＧ１，ＱＧ２は自然対流および輻射により伝わる熱量である。
【００３７】
ここで、薄膜支持体６の膜厚が薄く熱絶縁が理想的に十分確保され、自然対流および輻射が無視できると仮定すると、発熱体３，４に投入される電力Ｐ１，Ｐ２は下記の（５）（６）式となる。
Ｐ１＝Ｑ１＝Ｖ１2／Ｒ１  ・・・（５）
Ｐ２＝Ｑ２＝Ｖ２2／Ｒ２  ・・・（６）
ここで、Ｖ１，Ｖ２は発熱体３，４に印加される電圧、Ｒ１，Ｒ２は発熱体３，４の抵抗値である。
【００３８】
さらに、（１），（２），（５），（６）式から
Ｖ１2＝λ（Ｔ１−Ｔ２）・Ｒ１  ・・・（７）
Ｖ２2＝λ（Ｔ２−Ｔ３）・Ｒ２  ・・・（８）
となる。（７）式において、Ｔ１，Ｔ２は一定であり、またＲ１も一定となるため発熱体３に印加される電圧Ｖ１は、周囲温度Ｔ３の影響を受けず、湿度によって変化するλに依存した信号である。
【００３９】
図５，図６に本実施例における実験結果を示す。図５は空気中に本実施例における熱式ガスセンサを設置し、発熱体３をＴ１＝５００℃に加熱し、発熱体４をＴ２＝２５０℃に加熱し、空気の温度と湿度を変化させたときの発熱体３の印加電圧Ｖ１の測定結果である。図５より、Ｖ１は周囲のガスの温度である周囲温度Ｔ３の変化の影響を受けず、湿度のみに依存した信号が得られていることがわかる。図６は同時に測定した発熱体４の印加電圧Ｖ２の測定結果である。発熱体４は、周囲温度Ｔ３の変化により印加電圧が変化し、発熱体４の周辺の空気温度を一定に保つ働きをしている。
【００４０】
比較として、図１８に第２の発熱体４を駆動せず、第１の発熱体３のみを駆動させたときの、Ｖ１の測定結果を示す。図１８の結果から、周囲温度Ｔ３が変化すると、Ｖ１に大きな変動が生じ、湿度のみに依存した特性は得られないことがわかる。従って、所定の温度Ｔ２に加熱制御された発熱体４を設けることによって、発熱体３の空気の温度依存を低減する効果が得られることがわかる。
【００４１】
図１１は、空気中に本実施例における熱式ガスセンサを設置し、発熱体３をＴ１＝５００℃に加熱し、発熱体４をＴ２＝２００℃に加熱し、空気の温度と湿度を変化させたときの発熱体３の印加電圧Ｖ１の測定結果である。発熱体Ｔ２の温度を２００℃にすると周囲温度Ｔ３の依存が起きることから発熱体４を設けたことによる効果が得られない。
【００４２】
この理由は以下である。図１２に、発熱体３のみを加熱したときの、発熱体３周辺の温度分布を示す。このとき、発熱体４は加熱していない。空洞部５の端部から発熱体３の端部までの間の任意の位置Ｘでの温度Ｔは以下のような分布となる。
Ｔ=Ｔ１・Ｘ／Ｘ３＋Ｔ３  ・・・（９）
ここで、Ｔ１は発熱体３の温度、Ｘ３は空洞部５の端部から発熱体３の端部の距離、Ｔ３は周囲温度である。空洞部５の端部から、発熱体４の中心までの距離をＸ４とすると、発熱体４が位置Ｘ４での温度Ｔ２は、以下となる。
Ｔ２＝Ｔ１・Ｘ４／Ｘ３＋Ｔ３  ・・・（１０）
式（１０）のように、発熱体４を加熱していなくても、発熱体３からの熱電導により発熱体４の温度が上昇している。そのため、発熱体４の加熱温度が、式（１０）よりも低く設定していると正常な加熱制御ができない。したがって、発熱体４の加熱温度Ｔ２は、
Ｔ２＞Ｔ１・Ｘ４／Ｘ３＋Ｔ３  ・・・（１１）
となるように設定することが望ましい。
【００４３】
また、Ｔ１は発熱体３の平均温度、Ｔ２は発熱体４の平均温度である。Ｔ３は周囲温度であり、測定対象となるガスの温度範囲の最大値としておくことで、ガスの温度範囲の全域において良好に測定することが可能である。
【００４４】
さらに、発熱体４の温度Ｔ２は、発熱体３の温度Ｔ１よりも低く設定することが望ましい。発熱体４の温度Ｔ２が高くなると、式（７）におけるＴ１−Ｔ２が小さくなり、得られる電圧Ｖ１も小さくなり、感度が低下してしまうためである。
【００４５】
以上のことから、発熱体４の温度Ｔ２は以下の範囲とすることが望ましい。
Ｔ１・Ｘ４／Ｘ３＋Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１・・・（１２）
図１３は、発熱体３の温度Ｔ１を一定として、発熱体４の温度Ｔ２を変えたときの湿度の検出感度の実験結果である。ここで、感度は、湿度を変化させたときの発熱体３の消費電力の変化量ΔＰである。発熱体４の温度Ｔ２が高くなると、感度が小さくなる。これは、上述したように式（１）におけるＴ１−Ｔ２が小さくなるためである。このことから、Ｔ１−Ｔ２＝０となると、ほとんど感度が得られなくなる。したがって、発熱体４の温度Ｔ２は、発熱体３の温度Ｔ１よりも低く設定することが望ましい。また、発熱体４の温度Ｔ２は、式（１２）の範囲において、小さくするほうが、消費電力を低減でき、低消費電力の熱式ガスセンサが得られる。
【００４６】
上記構成において、少なくとも発熱体４が敷設される面積を発熱体３が敷設される面積よりも大きくすることが必須である。発熱体４が敷設される面積を大きくすることにより、発熱体３の周囲温度Ｔ３の変化による影響をより低減することができる。
【００４７】
また、発熱体４の温度は、水が蒸発する温度である１００℃以上に設定することにより、水滴付着により生じる熱伝導率の急激な変動を緩和することもできる。
【００４８】
また、発熱体４の温度は、環境変化によるガスの温度変化の範囲よりも高く設定する。これは、発熱体４の設定温度よりも高い温度のガスに晒された場合、発熱体４を一定にするために発熱体４を逆に冷却することが必要になるためである。上記の構成により、冷却機構は不要とすることができる。
【００４９】
また、空気中の湿度を検出する場合、発熱体３の温度は、１５０℃以上に設定することが望ましい。これは、空気の温度が１００℃〜１５０℃の範囲においては、湿度による空気の熱伝導率の変化が小さく、感度が低下してしまうためである。
【００５０】
また、本実施例では発熱体３の印加電圧により湿度に応じた信号を得ているが、発熱体に流れる電流、また、固定抵抗９ｃの印加電圧を測定することでも、湿度に応じた信号が得られる。
【実施例２】
【００５１】
図７は、本発明の第二実施例を示す熱式ガスセンサ１ｂのセンサエレメントの平面図である。図１の第１の実施例と異なるのは発熱体３の近傍に温度センサ２３を配置し、また、発熱体４の近傍に温度センサ２４を配置している点である。温度センサ２３，２４は発熱体３，４に沿って空洞部５内に延設され、温度センサ２３は主として発熱体３の温度を検出し、温度センサ２４は主として発熱体４の温度を検出する。温度センサ２３，２４は外部回路との接続のために基板２上に形成された電極７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈと電気的に接続される。
【００５２】
温度センサ２３，２４は発熱体３，４と同様に形成され、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）である白金（Ｐｔ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），シリコン（Ｓｉ）等が選定される。
【００５３】
図８は熱式ガスセンサ１ｂの駆動回路の構成図である。以下、図８を用いて、第二実施例における熱式ガスセンサ１ｂの駆動回路の構成について説明する。
【００５４】
熱式ガスセンサ１ｂの駆動回路は、第一および第二のブリッジ回路１４ｃ，１４ｄと、差動増幅器１０ａ，１０ｂと、発熱体３，４に加熱電流を流すためのトランジスタ１１ａ，１１ｂを有している。尚、図８で符号１２，１５は電源である。
【００５５】
第一のブリッジ回路１４ｃは、温度センサ２３と固定抵抗９ａ，９ｂ，９ｃから構成されており、温度センサ２３と固定抵抗９ｃが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ａと９ｂが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。第二のブリッジ回路１４ｄも同様に、温度センサ２４と固定抵抗９ｄ，９ｅ，９ｆから構成されており、温度センサ２４と固定抵抗９ｆが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ｄと９ｅが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。
【００５６】
このとき、第一のブリッジ回路１４ｃにおける、温度センサ２３と固定抵抗９ｃの接続端電位と、固定抵抗９ａと９ｂの接続端の電位とが差動増幅器１０ａに入力される。差動増幅器１０ａは、入力電圧の差に応じた電圧をトランジスタ１１ａのベース電極に出力する。トランジスタ１１ａにより、ベース電極の電位に応じて電源１２からコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御する。トランジスタ１１ａのエミッタ電極は、発熱体３に接続され、コレクタ−エミッタ間の電流が発熱体３に流れる。これにより、トランジスタ１１ａから流れる電流により発熱体３が加熱され、発熱体３の温度が３００℃程度の一定温度である第一の温度Ｔ１になるようにフィードバック制御される。
【００５７】
発熱体３の温度設定は、既知である温度センサ２３の抵抗温度係数から第一の温度Ｔ１における温度センサ２３の抵抗値と固定抵抗９ｃの比と、固定抵抗９ａと９ｂの比が一致するように設定され、温度センサ２３の温度が第一の温度Ｔ１より低いと、トランジスタ１１ａがオンして発熱体３に加熱電流が流れることになる。このとき発熱体３と温度センサ２３の温度はほぼ同等の温度となる。
【００５８】
第二のブリッジ回路１４ｄでも同じように、温度センサ２４と固定抵抗９ｆの接続端の電位と、固定抵抗９ｄと９ｅの接続端の電位とが差動増幅器１０ｂに入力される。差動増幅器１０ａは、入力電圧の差に応じた電圧をトランジスタ１１ｂのベース電極に出力する。トランジスタ１１ｂにより、ベース電極の電位に応じて電源１２からコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御する。トランジスタ１１ｂのエミッタ電極は、発熱体４に接続され、コレクタ−エミッタ間の電流が発熱体４に流れる。これによりトランジスタ１１ｂから流れる電流により発熱体４が加熱され、発熱体４の温度が１００℃程度の一定温度である第二の温度Ｔ２になるようにフィードバック制御される。このとき発熱体４と温度センサ２４の温度はほぼ同等の温度となる。
【００５９】
上記構成においても、発熱体３の印加電圧を測定することにより湿度に応じた信号が得られる。
【００６０】
本実施形態の利点は、発熱体３，４がブリッジ回路１４ｃ，１４ｄから電気的に切り離されているため、ブリッジ回路には加熱させるための大きな電流を流す必要がない。したがって、ブリッジ回路１４ｃ，１４ｄを構成する抵抗の抵抗値を高く設定し、ブリッジ回路に流れる電流を小さくすることができる。また、ブリッジ回路１４ｃ，１４ｄに印加する電圧を低くすることができる。これにより、ブリッジ回路１４ｃ，１４ｄを構成する温度センサや抵抗の電力損失が低減され、省電力化を図ることができる。
【００６１】
また、本実施例では発熱体３の印加電圧により湿度に応じた信号を得ているが、発熱体に流れる電流を測定することでも、湿度に応じた信号が得られる。
【実施例３】
【００６２】
図９は、本発明の第三実施例を示す熱式ガスセンサ１ｃのセンサエレメントの平面図である。図６の第２の実施例と異なるのは、発熱体４の近傍に、温度センサ２４に加え温度センサ３４を配置している点である。温度センサ３４は温度センサ２４に沿って空洞部５内に延設され、温度センサ３４は主として温度センサ２４と同様、発熱体４の温度を検出する。温度センサ３４は、外部回路との接続のために基板２上に形成された電極７ｉ，７ｊと電気的に接続される。
【００６３】
温度センサ３４は発熱体３，４，温度センサ２３，２４と同様に形成され、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）である白金（Ｐｔ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），シリコン（Ｓｉ）等が選定される。
【００６４】
図１０は熱式ガスセンサ１ｃの駆動回路の構成図である。以下、図１０を用いて、第三実施例における熱式ガスセンサ１ｃの駆動回路の構成について説明する。
【００６５】
熱式ガスセンサ１ｃの駆動回路は、第一および第二のブリッジ回路１４ｅ，１４ｄと、差動増幅器１０ａ，１０ｂと、発熱体３，４に加熱電流を流すためのトランジスタ１１ａ，１１ｂを有している。尚、図３で符号１２，１５は電源である。
【００６６】
第一のブリッジ回路１４ｅは、温度センサ２３と温度センサ３４と固定抵抗９ｂ，９ｃから構成されており、温度センサ２３と固定抵抗９ｃが直列接続された直列回路と、温度センサ３４と固定抵抗９ｂが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。第二のブリッジ回路１４ｄは、温度センサ２４と固定抵抗９ｄ，９ｅ，９ｆから構成されており、温度センサ２４と固定抵抗９ｆが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ｄ，９ｅが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。
【００６７】
このとき、第一のブリッジ回路１４ｅにおける温度センサ２３と固定抵抗９ｃの接続端電位と、温度センサ３４と９ｂの接続端の電位とが差動増幅器１０ａに入力され、発熱体３の温度が第一の温度Ｔ１になるようにフィードバック制御される。このとき発熱体３と温度センサ２３の温度はほぼ同等の温度となる。
【００６８】
発熱体３の温度設定は、既知である温度センサ２３の抵抗温度係数から第一の温度Ｔ１における温度センサ２３の抵抗値と固定抵抗９ｃの比と、温度センサ３４の抵抗温度係数から第二の温度Ｔ２における温度センサ３４の抵抗値と固定抵抗９ｂの比が一致するように設定され、温度センサ２３の温度が第一の温度Ｔ１より低いと、トランジスタ１１ａがオンして発熱体３に加熱電流が流れることになる。
【００６９】
第二のブリッジ回路１４ｄにおいても同様であり、実施例２で記載した通りである。
【００７０】
本実施例は、発熱体４の温度Ｔ２に対して発熱体３の温度が一定温度高くなるよう制御することで、発熱体３を第１の温度Ｔ１に制御している。
【００７１】
上記構成においても、発熱体３の印加電圧を測定することにより湿度に応じた信号が得られる。
【００７２】
本実施例では、発熱体３，４がブリッジ回路１４ｅ，１４ｄから電気的に切り離されているため、ブリッジ回路には加熱させるための大きな電流を流す必要がない。したがって、ブリッジ回路１４ｅ，１４ｄを構成する温度センサや抵抗の抵抗値を高く設定することができる。また、ブリッジ回路１４ｅ，１４ｄに印加する電圧を低くすることができる。
【００７３】
さらに、ブリッジ回路１４ｅを構成する温度センサ３４に流れる電流により、電力消費が生じたとしても、発熱体４の温度上昇に寄与するため、電力を有効に利用できる。これにより、ブリッジ回路１４ｃ，１４ｄを構成する抵抗の電力損失が低減され、省電力化を図ることができる。
【００７４】
また、温度センサ２３と温度センサ３４を同一の材料で形成することにより、抵抗の特性や加工条件が同一となり、抵抗バランスが向上し、加工ばらつきによる抵抗バランスの悪化も低減することができる。
【実施例４】
【００７５】
図１４は、本発明の第四実施例を示す熱式ガスセンサ１ｄのセンサエレメントの平面図である。図９の第３の実施例と異なるのは、熱式ガスセンサ１ｄ上に、温度センサ３５，３６を配置している点である。温度センサ３５，３６は空洞部５の外側に配置され、主として周囲温度を検出する。温度センサ３５は、外部回路との接続のために基板２上に形成された電極７ｋ，７ｌと電気的に接続される。また、温度センサ３６は、外部回路との接続のために基板２上に形成された電極７ｍ，７ｎと電気的に接続される。
【００７６】
温度センサ３５，３６は、発熱体３，４，温度センサ２３，２４と同様に形成され、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）である白金（Ｐｔ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），シリコン（Ｓｉ）等が選定される。
【００７７】
図１５は熱式ガスセンサ１ｄの駆動回路の構成図である。以下、図１５を用いて、第四実施例における熱式ガスセンサ１ｄの駆動回路の構成について説明する。
【００７８】
熱式ガスセンサ１ｄの駆動回路は、第一および第二のブリッジ回路１４ｆ，１４ｄと、差動増幅器１０ａ，１０ｂと、発熱体３，４に加熱電流を流すためのトランジスタ１１ａ，１１ｂを有している。尚、図１４で符号１２，１５は電源である。
【００７９】
第一のブリッジ回路１４ｆは、温度センサ２３と温度センサ３４，３５，３６から構成されており、温度センサ２３と温度センサ３５が直列接続された直列回路と、温度センサ３４と温度センサ３６が直列接続された直列回路とを並列に接続される。第二のブリッジ回路１４ｄは、温度センサ２４と固定抵抗９ｄ，９ｅ，９ｆから構成されており、温度センサ２４と固定抵抗９ｆが直列接続された直列回路と、固定抵抗９ｄ，９ｅが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。
【００８０】
このとき、第一のブリッジ回路１４ｆにおける温度センサ２３と温度センサ３５の接続端電位と、温度センサ３４と温度センサ３６の接続端の電位とが差動増幅器１０ａに入力される。作動増幅器１０ａは、入力電圧の差に応じた電圧をトランジスタ１１ａのベース電極に出力する。トランジスタ１１ａにより、ベース電極の電位に応じてコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御する。トランジスタ１１ａのエミッタ電極は発熱体３に接続され、コレクタ−エミッタ間の電流が発熱体３に流れる。これにより発熱体３が加熱され第一の温度Ｔ１になるようにフィードバック制御される。このとき発熱体３と温度センサ２３の温度はほぼ同等の温度となる。また、温度センサ３５と温度センサ３６の温度は同等の温度となる。
【００８１】
発熱体３の温度設定は、既知である温度センサ２３の抵抗温度係数から第一の温度Ｔ１における温度センサ２３の抵抗値と温度センサ３５の比と、温度センサ３４の抵抗温度係数から第二の温度Ｔ２における温度センサ３４の抵抗値と温度センサ３６の比が一致するように設定され、温度センサ２３の温度が第一の温度Ｔ１より低いと、トランジスタ１１ａがオンして発熱体３にトランジスタ１１ａを介して電源１２から加熱電流が流れることになる。
【００８２】
第二のブリッジ回路１４ｄにおいても同様であり、実施例２で記載した通りである。
【００８３】
本実施は、発熱体４の温度Ｔ２に対して発熱体３の温度が一定温度高くなるよう制御することで、発熱体３を第１の温度Ｔ１に制御している。
【００８４】
上記構成においても、発熱体３の印加電圧を測定することにより湿度に応じた信号が得られる。
【００８５】
本実施例では、ブリッジ回路１４ｆを構成する温度センサ２３，３５，３４，３６が同一の抵抗材料で形成していることから、抵抗の特性や加工条件が同一となり、抵抗バランスが向上する。また、加工による抵抗バランスの悪化を低減することができる。
【００８６】
また、温度センサ３５，３６に流れる電流による発熱は、熱式ガスセンサ１ｄの温度を上昇させ、発熱体３，４の温度上昇にも寄与する。固定抵抗を用いる場合は、熱式ガスセンサ１ｄから離れた位置に固定抵抗が設けられるため、固定抵抗に流れる電流による発熱は、周囲へと放熱され発熱体３，４の温度上昇には寄与しない。したがって、本実施形態は、電力を有効に使用でき低電力化が可能である。また、ブリッジ回路１４ｆを構成する抵抗はすべて熱式ガスセンサ１ｄの素子内部に形成することができる。これにより、部品数を削減することができ小型化が可能になる。
【００８７】
さらに、図１５における固定抵抗９ｆ，固定抵抗９ｅに関しても、熱式ガスセンサ１ｄに温度センサ３５，３６と同様に形成することにより、さらに小型化が可能になる。
【実施例５】
【００８８】
図１６，図１７は、実施例１に示した熱式ガスセンサ１ａを適用し、熱式空気流量センサ３７と一体になって設けられた複合型センサ４９を有する熱式流量計４６を示す平面図である。本実施形態における熱式流量計４６は、例えば、エンジンの内燃機関の吸気管５１に取付けられ、ベース部材３９に熱式ガスセンサ１ａと熱式空気流量センサ３７と駆動ＬＳＩ３８が設置されている。また、ベース部材３９を覆うように設けられたハウジング部材４０により、空気流４３を取り込む副通路４５と、空洞部４７，４８が形成されており、副通路４５に熱式空気流量センサ３７を設置している。空洞部４７は副通路４５と連通されており、熱式ガスセンサ１ａを設置している。空洞部４８には駆動ＬＳＩ３８を設置している。
【００８９】
次に、図１７を用いて複合型センサ４９の電気的な接続について説明する。熱式ガスセンサ１ａは、金線などのボンディングワイヤーでベース部材３９内部に設けた内層導体４４を介して、駆動ＬＳＩ３８に接続される。図中の点線は内層導体４４を示している。また、熱式空気流量センサ３７も同様に金線などのボンディングワイヤーでベース部材３９内部に設けた内層導体４４を介して、駆動ＬＳＩ３８に接続される。駆動ＬＳＩ３８には熱式ガスセンサ１ａを駆動するための回路と、熱式空気流量センサ３７を駆動するための回路が設けられている。駆動ＬＳＩ３８は熱式ガスセンサ１ａからの湿度に関する電気信号と、熱式空気流量センサ３７の空気の質量流量に関する電気信号を取り込む。そして、駆動ＬＳＩ３８から金線などのボンディングワイヤーと内層導体を介して、アルミなどのボンディングワイヤー４１により端子部４２に接続される。端子部４２から外部へ湿度と空気流量に関する信号を得ることができる。
【００９０】
駆動ＬＳＩ３８には、演算器が搭載され、熱式空気流量センサ３７からの信号と熱式ガスセンサからの信号を用い演算する。これにより、熱式空気流量センサ３７の湿度依存による誤差を補正することができ高精度な空気流量を演算し出力することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１ａ，１ｂ，１ｃ  熱式ガスセンサ
２  基板
３，４  発熱体
５，４７，４８  空洞部
６  薄膜支持体
７ａ〜７ｊ  電極
８ａ，８ｂ  絶縁層
９ａ〜９ｆ  固定抵抗
１０ａ，１０ｂ  差動増幅器
１１ａ，１１ｂ  トランジスタ
１２，１５  電源
１４ａ〜１４ｅ  ブリッジ回路
２３，２４，３４，３５，３６  温度センサ
３７  熱式空気流量センサ
３８  駆動ＬＳＩ
３９  ベース部材
４０  ハウジング部材
４１  ボンディングワイヤー
４２  端子部
４３  空気流
４４  内層導体
４５  副通路
４６  熱式流量計
４９  複合型センサ
５１  吸気管
【図１】
2011137679.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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