(57)【要約】【課題】検出対象ガスとは異なるガスの影響を排除し、検出対象ガスの濃度を測定する。【解決手段】第１のガスの濃度に応じて第１の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度で抵抗値が変化する第１のサーミスタＲｄ１と、第１のサーミスタに対して直列に接続され、第１のガスの濃度に応じて第３の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第４の感度で抵抗値が変化する第２のサーミスタＲｄ２と、第１又は第２のサーミスタに対して並列に接続された補正抵抗Ｒ１とを備える。本発明によれば、第１及び第２のサーミスタが直列に接続されるとともに、第２のガスの濃度に応じた第１のサーミスタと第２のサーミスタの接続点の電位変化が補正抵抗によってキャンセルされることから、演算処理を行うことなく、第２のガスの影響を簡単且つ高精度に除去し、第１のガスの濃度を正確に算出することが可能となる。【選択図】図１
2019060848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスの濃度に応じて第１の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度で抵抗値が変化する第１のサーミスタと、
前記第１のサーミスタに対して直列に接続され、前記第１のガスの濃度に応じて前記第１の感度よりも低い第３の感度で抵抗値が変化し、前記第２のガスの濃度に応じて前記第２の感度とは異なる第４の感度で抵抗値が変化する第２のサーミスタと、
前記第１又は第２のサーミスタに対して並列に接続され、前記第２のガスの濃度に応じた前記第１のサーミスタと前記第２のサーミスタの接続点の電位変化をキャンセルする補正抵抗と、を備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第１のサーミスタは第１のヒータによって第１の温度に加熱され、前記第２のサーミスタは第２のヒータによって前記第１の温度とは異なる第２の温度に加熱されることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第４の感度は前記第２の感度よりも高く、前記補正抵抗は前記第２のサーミスタに対して並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第２の感度をａ、前記第４の感度をｂ、前記第２の温度に加熱された前記第２のサーミスタの抵抗値をＲｄ２とした場合、前記補正抵抗の抵抗値Ｒ１は、
Ｒ１＝（ｂ／ａ）×Ｒｄ２
で定義されることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記第１のサーミスタと前記第２のサーミスタの間に配置された第３のサーミスタをさらに備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第３のサーミスタから供給される温度信号に応じて、前記第１のヒータに供給する第１の制御電圧及び前記第２のヒータに供給する第２の制御電圧を変化させる制御部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
共通制御電圧を受けて前記第１のヒータに第１の制御電圧を印加する第１のアンプと、
前記共通制御電圧を受けて前記第２のヒータに第２の制御電圧を印加する第２のアンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記第３の感度は、前記第１の感度の１／１０以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記第１のサーミスタと前記第２のサーミスタが同じパッケージ内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のサーミスタは、熱伝導式のセンサを構成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記第１のガスはＣＯ２ガスであり、前記第２のガスは水蒸気であることを特徴とする請求項１０に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、検出対象ガスとは異なるガスの影響をキャンセル可能なガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであるが、雰囲気中に含まれる検出対象ガスとは異なるガスによって測定値に誤差が生じることがある。特許文献１には、検出対象である水素ガスを検出する水素センサユニットとは別に、酸素濃度測定部や湿度測定部を設け、水素センサユニットから得られる信号を酸素濃度や湿度に基づいて補正する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１３３４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、ガス濃度を算出するために演算処理を行う必要がある。しかも、酸素濃度測定部や湿度測定部は、水素センサユニットの外部に設けられていることから、装置全体が大型化するばかりでなく、正確な補正を行うことが困難であった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、演算処理を行うことなく検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除可能なガスセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるガスセンサは、第１のガスの濃度に応じて第１の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度で抵抗値が変化する第１のサーミスタと、第１のサーミスタに対して直列に接続され、第１のガスの濃度に応じて第１の感度よりも低い第３の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度とは異なる第４の感度で抵抗値が変化する第２のサーミスタと、第１又は第２のサーミスタに対して並列に接続され、第２のガスの濃度に応じた第１のサーミスタと第２のサーミスタの接続点の電位変化をキャンセルする補正抵抗とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、第１及び第２のサーミスタが直列に接続されるとともに、第２のガスの濃度に応じた第１のサーミスタと第２のサーミスタの接続点の電位変化が補正抵抗によってキャンセルされることから、演算処理を行うことなく、第２のガスの影響を簡単且つ高精度に除去し、第１のガスの濃度を正確に算出することが可能となる。
【０００８】
本発明において、第１のサーミスタは第１のヒータによって第１の温度に加熱され、第２のサーミスタは第２のヒータによって第１の温度とは異なる第２の温度に加熱されるものであっても構わない。これによれば、例えば第１のサーミスタと第２のサーミスタを互いに同じ構成とすることができる。
【０００９】
本発明において、第４の感度は第２の感度よりも高く、補正抵抗は第２のサーミスタに対して並列に接続されていても構わない。これによれば、実効的に第４の感度が低下することから、第２の感度と一致させることが可能となる。
【００１０】
本発明において、第２の感度をａ、第４の感度をｂ、第２の温度に加熱された第２のサーミスタの抵抗値をＲｄ２とした場合、補正抵抗の抵抗値Ｒ１は、
Ｒ１＝（ｂ／ａ）×Ｒｄ２
で定義されるものであっても構わない。これによれば、第２のガスの影響をほぼ完全に除去することが可能となる。
【００１１】
本発明によるガスセンサは、第１のサーミスタと第２のサーミスタの間に配置された第３のサーミスタをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、第１のサーミスタと第２のサーミスタの距離が離れることから、熱干渉を低減することが可能となる。
【００１２】
本発明によるガスセンサは、第３のサーミスタから供給される温度信号に応じて、第１のヒータに供給する第１の制御電圧及び第２のヒータに供給する第２の制御電圧を変化させる制御部をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、現在の環境温度にかかわらず第１及び第２のヒータによる加熱温度を設計通りの温度とすることができる。
【００１３】
本発明によるガスセンサは、第１のサーミスタを第１の温度に加熱する第１のヒータと、第２のサーミスタを第２の温度に加熱する第２のヒータと、共通制御電圧を受けて第１のヒータに第１の制御電圧を印加する第１のアンプと、共通制御電圧を受けて第２のヒータに第２の制御電圧を印加する第２のアンプとをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、電源電位の変動による測定誤差を低減することが可能となる。
【００１４】
本発明において、第３の感度は第１の感度の１／１０以下であっても構わない。これによれば、第１のガスの濃度をより正確に算出することが可能となる。
【００１５】
本発明において、第１のサーミスタと第２のサーミスタが同じパッケージ内に収容されていても構わない。これによれば、第１のサーミスタと第２のサーミスタの測定条件が一致することから、第２のガスの影響をより正確に除去することが可能となる。
【００１６】
本発明において、第１及び第２のサーミスタは熱伝導式のセンサを構成するものであっても構わない。熱伝導式のセンサは高い検出感度を得ることが難しく、検出誤差が大きくなる傾向があるが、本発明によれば、検出対象ガスとは異なるガスに起因する検出誤差を低減することが可能となる。
【００１７】
本発明において、第１のガスはＣＯ２ガスであり、第２のガスは水蒸気であっても構わない。これによれば、ＣＯ２ガスの濃度検出において湿度の影響を排除することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、演算処理を行うことなく検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除することができる。これにより、検出対象ガスの濃度を高精度に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成を示す回路図である。
【図２】図２は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。
【図３】図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】図４は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度と感度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形の一例を示すタイミング図である。
【図６】図６は実測値を示すグラフであり、（ａ）はＣＯ２ガス及び湿度の変化を示し、（ｂ）は検出信号Ｖｏｕｔ１の変化を示している。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構成を示す回路図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃの構成を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ１０Ｄの構成を示す回路図である。
【図１０】図１０は、第４の実施形態におけるセンサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は、温度信号Ｖｏｕｔ２をサンプリングするタイミングを説明するためのタイミング図である。
【図１３】図１３は、環境温度と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成を示す回路図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、センサ部Ｓと信号処理回路２０を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、雰囲気中におけるＣＯ２ガスの濃度を検出するものであり、後述するように、湿度に起因する測定誤差をハードウェア的にキャンセルすることが可能である。本明細書においては、検出対象ガスを「第１のガス」、ノイズとなるガスを「第２のガス」と呼ぶことがある。本実施形態で言えば、第１のガスがＣＯ２ガスであり、第２のガスが水蒸気である。
【００２３】
センサ部Ｓは、検出対象ガスであるＣＯ２ガスの濃度を検出するための熱伝導式のガスセンサであり、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２を有している。第１のセンサ部Ｓ１は、第１のサーミスタＲｄ１及びこれを加熱する第１のヒータ抵抗ＭＨ１を含む。同様に、第２のセンサ部Ｓ２は、第２のサーミスタＲｄ２及びこれを加熱する第２のヒータ抵抗ＭＨ２を含む。図１に示すように、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されている。第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、いずれもＣＯ２ガスの濃度を検出するものであるが、後述するように動作温度が互いに異なっている。
【００２４】
第１のサーミスタＲｄ１は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱される。第１のヒータ抵抗ＭＨ１による第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば１５０℃である。第１のサーミスタＲｄ１を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ２ガスが存在すると、その濃度に応じて第１のサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値の変化となって現れる。第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値は、ＣＯ２ガスの濃度に応じて第１の感度で変化する。第１の感度は、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の接続点に現れる検出信号Ｖｏｕｔ１の電位を十分に変化させることが可能な感度を有している。
【００２５】
第１のサーミスタＲｄ１を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じて第１のサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値は、湿度に応じて第２の感度で変化する。
【００２６】
第２のサーミスタＲｄ２は、第２のヒータ抵抗ＭＨ２によって加熱される。第２のヒータ抵抗ＭＨ２による第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３００℃である。第２のサーミスタＲｄ２を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ２ガスが存在しても、第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。これは、第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値は、ＣＯ２ガスの濃度に応じて第３の感度で変化するものの、第３の感度は第１の感度よりも大幅に低く、好ましくは第１の感度の１／１０以下、より好ましくはほぼゼロだからである。このため、ＣＯ２ガスの濃度が変化しても、第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。
【００２７】
第２のサーミスタＲｄ２を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じて第２のサーミスタＲｄ２の放熱特性が変化する。第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値は、湿度に応じて第４の感度で変化する。第４の感度は、上述した第２の感度よりも大きい。
【００２８】
さらに、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、第２のサーミスタＲｄ２に対して並列接続された補正抵抗Ｒ１を備えている。後述するように、補正抵抗Ｒ１は、第１のサーミスタＲｄ１の湿度に対する感度（第２の感度）と第２のサーミスタＲｄ２の湿度に対する感度（第４の感度）の差をキャンセルするために設けられる。
【００２９】
上述の通り、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２は直列に接続されており、その接続点から検出信号Ｖｏｕｔ１が出力される。検出信号Ｖｏｕｔ１は、信号処理回路２０に入力される。
【００３０】
信号処理回路２０は、差動アンプ２１〜２３、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２４、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２５、制御部２６及び抵抗Ｒ２〜Ｒ４を備えている。差動アンプ２１は、検出信号Ｖｏｕｔ１とリファレンス電圧Ｖｒｅｆを比較し、その差を増幅する回路である。差動アンプ２１のゲインは、抵抗Ｒ２〜Ｒ４によって任意に調整される。差動アンプ２１から出力される増幅信号Ｖａｍｐは、ＡＤコンバータ２４に入力される。
【００３１】
ＡＤコンバータ２４は増幅信号Ｖａｍｐをデジタル変換し、その値を制御部２６に供給する。一方、ＤＡコンバータ２５は、制御部２６から供給されるリファレンス信号をアナログ変換することによってリファレンス電圧Ｖｒｅｆを生成するとともに、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２に供給する制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を生成する役割を果たす。制御電圧Ｖｍｈ１は、ボルテージフォロアである差動アンプ２２を介して第１のヒータ抵抗ＭＨ１に印加される。同様に、制御電圧Ｖｍｈ２は、ボルテージフォロアである差動アンプ２３を介して第２のヒータ抵抗ＭＨ２に印加される。
【００３２】
図２は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。また、図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。
【００３３】
センサ部Ｓは、ＣＯ２ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図２及び図３に示すように、２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ２と、これらセンサ部Ｓ１，Ｓ２を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。
【００３４】
セラミックパッケージ５１は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド５２が設けられている。リッド５２は複数の通気口５３を有しており、これにより、雰囲気中のＣＯ２ガスがセラミックパッケージ５１内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図２においてはリッド５２が省略されている。
【００３５】
第１のセンサ部Ｓ１は、基板３１と、基板３１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜３２，３３と、絶縁膜３３上に設けられた第１のヒータ抵抗ＭＨ１と、第１のヒータ抵抗ＭＨ１を覆うヒータ保護膜３４と、ヒータ保護膜３４上に設けられた第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５と、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５を覆うサーミスタ保護膜３６とを備える。
【００３６】
基板３１は、適度な機械的強度を有し、且つ、エッチングなどの微細加工に適した材質であれば特に限定されるものではなく、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などを用いることができる。基板３１には、第１のヒータ抵抗ＭＨ１による熱が基板３１へ伝導するのを抑制するため、平面視で第１のヒータ抵抗ＭＨ１と重なる位置にキャビティ３１ａが設けられている。キャビティ３１ａにより基板３１が取り除かれた部分は、メンブレンと呼ばれる。メンブレンを構成すれば、基板３１を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。
【００３７】
絶縁膜３２，３３は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。絶縁膜３２，３３として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。絶縁膜３２，３３の膜厚は、絶縁性が確保される限り特に限定されず、例えば０．１〜１．０μｍ程度とすればよい。特に、絶縁膜３３は、基板３１にキャビティ３１ａを形成する際のエッチング停止層としても用いられるため、当該機能を果たすのに適した膜厚とすればよい。
【００３８】
第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、温度によって抵抗率が変化する導電性物質からなり、比較的高融点の材料からなる金属材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、絶縁膜３３との密着性を向上させるために、Ｐｔの下地にチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成することが好ましい。
【００３９】
第１のヒータ抵抗ＭＨ１の上部には、ヒータ保護膜３４が形成される。ヒータ保護膜３４の材料としては、絶縁膜３３と同じ材料を用いることが望ましい。第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、常温から１５０℃にまで上昇し、再び常温へ下がるという激しい熱変化を繰り返し生じるため、絶縁膜３３及びヒータ保護膜３４にも強い熱ストレスがかかり、この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。しかしながら、絶縁膜３３とヒータ保護膜３４を同じ材料によって構成すれば、両者の材料特性が同じであり、且つ、密着性が強固であることから、異種材料を用いた場合と比べて、層間剥離やクラックといった破壊が生じにくくなる。ヒータ保護膜３４の材料として酸化シリコンを用いる場合、熱酸化法やＣＶＤ法などの方法により成膜すればよい。ヒータ保護膜３４の膜厚は、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５との絶縁が確保される膜厚であれば特に限定されず、例えば０．１〜３．０μｍ程度とすればよい。
【００４０】
第１のサーミスタＲｄ１は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなり、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。第１のサーミスタＲｄ１の膜厚は、目標とする抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を２ＭΩ程度に設定するのであれば、一対のサーミスタ電極３５間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタを用いているのは、また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。また、薄膜構造であることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１の発熱を効率よく検出することも可能となる。
【００４１】
サーミスタ電極３５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極３５間に第１のサーミスタＲｄ１が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５間における抵抗値は、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５の材料としては、第１のサーミスタＲｄ１の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質であって、比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。
【００４２】
第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５は、サーミスタ保護膜３６で覆われる。尚、第１のサーミスタＲｄ１と還元性を持つ材料を接触させて高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。これを防止するためには、サーミスタ保護膜３６の材料としては、シリコン酸化膜等の還元性を持たない絶縁性酸化膜であることが望ましい。
【００４３】
図２に示すように、第１のヒータ抵抗ＭＨ１の両端は、サーミスタ保護膜３６の表面に設けられた電極パッド３７ａ，３７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極３５の両端は、サーミスタ保護膜３６の表面に設けられた電極パッド３７ｃ，３７ｄにそれぞれ接続される。これらの電極パッド３７ａ〜３７ｄは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。パッケージ電極５４は、セラミックパッケージ５１の裏面に設けられた外部端子５６を介して、図１に示す信号処理回路２０に接続される。
【００４４】
このように、第１のセンサ部Ｓ１は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第１のサーミスタＲｄ１が基板３１上に積層された構成を有していることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって生じる熱が第１のサーミスタＲｄ１に効率よく伝わる。
【００４５】
同様に、第２のセンサ部Ｓ２は、基板４１と、基板４１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜４２，４３と、絶縁膜４３上に設けられた第２のヒータ抵抗ＭＨ２と、第２のヒータ抵抗ＭＨ２を覆うヒータ保護膜４４と、ヒータ保護膜４４上に設けられた第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５と、第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５を覆うサーミスタ保護膜４６とを備える。
【００４６】
基板４１は、第１のセンサ部Ｓ１に用いられる基板３１と同様の材料からなるとともに、同様の構成を有している。つまり、平面視で第２のヒータ抵抗ＭＨ２と重なる位置にキャビティ４１ａが設けられ、これにより、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による熱が基板４１へ伝導するのを抑制している。絶縁膜４２，４３の材料についても絶縁膜３２，３３と同様であり、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられる。絶縁膜４２，４３の厚みも絶縁膜３２，３３と同様である。
【００４７】
また、第２のヒータ抵抗ＭＨ２、ヒータ保護膜４４、第２のサーミスタＲｄ２、サーミスタ電極４５及びサーミスタ保護膜４６についても、第１のセンサ部Ｓ１に用いられる第１のヒータ抵抗ＭＨ１、ヒータ保護膜３４、第１のサーミスタＲｄ１、サーミスタ電極３５及びサーミスタ保護膜３６とそれぞれ同じ構成を有している。第２のヒータ抵抗ＭＨ２の両端は、サーミスタ保護膜４６の表面に設けられた電極パッド４７ａ，４７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極４５の両端は、サーミスタ保護膜４６の表面に設けられた電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続される。これらの電極パッド４７ａ〜４７ｄは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。
【００４８】
以上の構成を有するセンサ部Ｓ１，Ｓ２は、いずれもウェハ状態で多数個同時に作製され、ダイシングによって個片化された後、ダイペースト（図示せず）を用いてセラミックパッケージ５１に固定される。その後、電極パッド３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄと、対応するパッケージ電極５４を、ワイヤボンディング装置を用いてボンディングワイヤ５５で接続する。ボンディングワイヤ５５の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなど、抵抗の低い金属が好適である。
【００４９】
最後に、接着性樹脂（図示せず）などを用いて、外気との通気口５３を有するリッド５２をセラミックパッケージ５１に固定する。この際、接着性樹脂（図示せず）の硬化加熱時に、接着性樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気口５３により容易にパッケージ外へ放出されるため、センサ部Ｓ１，Ｓ２に影響を与えることはない。
【００５０】
このようにして完成したセンサ部Ｓは、外部端子５６を介して信号処理回路２０や電源に接続される。また、補正抵抗Ｒ１は、信号処理回路２０に内蔵するか、セラミックパッケージ５１内に収容するか、或いは、信号処理回路２０が実装される回路基板上に設けられる。
【００５１】
以上が本実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ１０Ａの動作について説明する。
【００５２】
本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、ＣＯ２ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、ＣＯ２ガスの濃度によるサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性の変化を検出信号Ｖｏｕｔ１として取り出すものである。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、ＣＯ２ガスの濃度だけでなく、湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、湿度の影響が測定誤差となってしまう。そこで、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、第１のサーミスタＲｄ１の湿度による誤差成分と第２のサーミスタＲｄ２の湿度による誤差成分が一致するよう、補正抵抗Ｒ１の抵抗値を調整することによって、湿度に基づく検出信号Ｖｏｕｔ１の変化をキャンセルする。
【００５３】
図４は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度と感度との関係を示すグラフである。
【００５４】
図４に示すように、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度が１５０℃以下である場合には、ＣＯ２ガスの濃度に対して十分に高い感度が得られる一方、加熱温度が１５０℃を超えるとＣＯ２ガスの濃度に対する感度が低下し、加熱温度が３００℃に達するとＣＯ２ガスの濃度に対する感度がほぼゼロとなる。実際には、加熱温度が３００℃であってもＣＯ２ガスの濃度に対して僅かな感度は存在するが、加熱温度が１５０℃である場合と比べると大幅に低く、約１／１０以下であるため、ほぼ無視することが可能である。
【００５５】
上記の点を考慮し、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、第１のサーミスタＲｄ１を１５０℃に加熱することによってＣＯ２ガスの濃度に対する感度（第１の感度）を十分に確保する一方、第２のサーミスタＲｄ２を３００℃に加熱することによってＣＯ２ガスの濃度に対する感度（第３の感度）をほぼゼロとしている。そして、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２は直列に接続されていることから、湿度の影響がなければ、検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルはＣＯ２ガスの濃度を示すことになる。
【００５６】
一方、第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合の湿度に対する感度（第２の感度）と、第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合の湿度に対する感度（第４の感度）は互いに異なっている。具体的には、第２の感度が約１２０μＶ／％ＲＨであるのに対し、第４の感度が約２００μＶ／％ＲＨである。したがって、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２を単に直列に接続しただけでは、検出信号Ｖｏｕｔ１に湿度の影響が反映されてしまう。
【００５７】
そこで、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、湿度に応じた検出信号Ｖｏｕｔ１の変化がキャンセルされるよう、第２のサーミスタＲｄ２に対して並列に補正抵抗Ｒ１を接続している。ここで、第２の感度をａ、第４の感度をｂ、３００℃に加熱された第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値をＲｄ２とした場合、補正抵抗Ｒ１の抵抗値は、
Ｒ１＝（ｂ／ａ）×Ｒｄ２
に設定することによって、湿度に応じた検出信号Ｖｏｕｔ１の変化をほぼキャンセルすることができる。上述した例に当てはめれば、
Ｒ１＝（２００／１２０）×Ｒｄ２＝（５／３）×Ｒｄ２
に設定すれば良い。
【００５８】
これにより、湿度が第１のサーミスタＲｄ１に与える影響と第２のサーミスタＲｄ２に与える影響が実効的に一致することから、湿度が変化しても検出信号Ｖｏｕｔ１は変化しなくなる。したがって、検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルは、ＣＯ２ガスの濃度によって決まることになる。
【００５９】
図５は、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形の一例を示すタイミング図である。図５に示すように、本実施形態においては、制御電圧Ｖｍｈ１と制御電圧Ｖｍｈ２を同時に活性レベルとすることによって、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を同時に加熱する。そして、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を活性化させたタイミングで検出信号Ｖｏｕｔ１をサンプリングすれば、湿度の影響をキャンセルするための演算処理を行うことなく、ＣＯ２ガスの濃度を測定することができる。
【００６０】
図６は実測値を示すグラフであり、（ａ）はＣＯ２ガス及び湿度の変化を示し、（ｂ）は検出信号Ｖｏｕｔ１の変化を示している。図６に示すように、補正抵抗Ｒ１を用いない場合には、検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルが湿度によって大きく変化しているのに対し、補正抵抗Ｒ１を用いると、検出信号Ｖｏｕｔ１から湿度の影響がほぼ完全にキャンセルされていることが分かる。
【００６１】
このように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、加熱温度の異なる２つのサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を直列に接続するとともに、第２のサーミスタＲｄ２に対して並列に補正抵抗Ｒ１を接続していることから、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の接続点に現れる検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルは、湿度の影響を受けることなく、ＣＯ２ガスの濃度を正確に表すことになる。このため、湿度の影響をキャンセルするための演算処理を行うことなく、直ちにＣＯ２ガスの濃度を測定することが可能となる。
【００６２】
図７は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構成を示す回路図である。
【００６３】
図７に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、差動アンプ２２，２３に共通制御電圧Ｖｍｈが共通に供給されるとともに、差動アンプ２３がボルテージフォロア接続されておらず、抵抗Ｒ５〜Ｒ７を用いてゲイン調整されている点において、図１に示した第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６４】
抵抗Ｒ５〜Ｒ７は、差動アンプ２３のゲインを調整するための要素であり、例えばこれらの抵抗値を
Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７
に設定することによって、
Ｖｍｈ２＝２×Ｖｍｈ１
とすることができる。つまり、共通制御電圧Ｖｍｈを用いて互いに異なる２つの制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を生成することが可能となる。
【００６５】
これにより、例えば電源電位の変動によって共通制御電圧Ｖｍｈのレベルが一時的に変化したとしても、共通制御電圧Ｖｍｈに連動して制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の両方が同時に変動することから、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の変動による影響が相殺される。このため、共通制御電圧Ｖｍｈが変動しても、検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルは実質的に変化しない。したがって、本実施形態によれば、ＣＯ２ガスの濃度をより安定的に測定することが可能となる。
【００６６】
図８は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ１０Ｃの構成を示す回路図である。
【００６７】
図８に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｃは、補正抵抗Ｒ１が第１のサーミスタＲｄ１に対して並列に接続されている点において、図７に示した第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと相違している。その他の構成は、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６８】
本実施形態が例示するように、第１のサーミスタＲｄ１の湿度に対する感度（第２の感度）が第２のサーミスタＲｄ２の湿度に対する感度（第４の感度）よりも高い場合には、第２の感度を実効的に低減すべく、第１のサーミスタＲｄ１に対して補正抵抗Ｒ１を並列に接続すればよい。
【００６９】
図９は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ１０Ｄの構成を示す回路図である。
【００７０】
図９に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、センサ部Ｓに温度センサである第３のセンサ部Ｓ３及び抵抗Ｒ８が追加されている点において、図１に示した第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。第３のセンサ部Ｓ３は第３のサーミスタＲｄ３からなり、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に、第３のサーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ８が直列に接続されている。第３のサーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ８の接続点からは、温度信号Ｖｏｕｔ２が出力される。温度信号Ｖｏｕｔ２は、ＡＤコンバータ２４に供給される。その他の回路構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７１】
図１０は、本実施形態におけるセンサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。また、図１１は、図１０に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。
【００７２】
図１０及び図１１に示すように、本実施形態においては、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の間に第３のセンサ部Ｓ３が配置されている。特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板６１上に３つのセンサ部Ｓ１〜Ｓ３が集積されている。基板６１には、３つのセンサ部Ｓ１〜Ｓ３に対応する３つのキャビティ６１ａ〜６１ｃが形成されている。
【００７３】
基板６１は、絶縁膜６２，６３と、ヒータ保護膜６４と、キャビティ６１ｃと重なる位置においてヒータ保護膜６４上に設けられた第３のサーミスタＲｄ３及びサーミスタ電極６５と、第１のサーミスタＲｄ１〜Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５を覆うサーミスタ保護膜６６とを備える。図１０に示すように、第３のセンサ部Ｓ３を構成するサーミスタ電極６５の両端は、サーミスタ保護膜６６の表面に設けられた電極パッド６７ａ，６７ｂにそれぞれ接続される。これらの電極パッド６７ａ，６７ｂは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。その他の基本的な構成は、図２及び図３に示した構成と同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７４】
以上が本実施形態によるガスセンサ１０Ｄの構成である。このように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、３つのセンサ部Ｓ１〜Ｓ３が１つの基板６１に集積されていることから、部品点数を増やすことなく、温度センサである第３のセンサ部Ｓ３を追加することができる。しかも、第３のセンサ部Ｓ３を中央に配置することにより、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の距離を離すことができるため、相互の熱干渉を低減することができる。つまり、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２は、加熱温度が互いに異なり、且つ、同時に加熱されるため、両者の距離が近いと熱干渉が生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態においては、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の間に第３のセンサ部Ｓ３を配置していることから、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の間の熱干渉が低減され、より正確な測定が可能となる。
【００７５】
図１２は、温度信号Ｖｏｕｔ２をサンプリングするタイミングを説明するためのタイミング図である。図１２に示すように、本実施形態においても、制御電圧Ｖｍｈ１と制御電圧Ｖｍｈ２を同時に活性レベルとすることによって、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を同時に加熱する。そして、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を活性化させたタイミングで検出信号Ｖｏｕｔ１をサンプリングするとともに、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を活性化させる前のタイミングで温度信号Ｖｏｕｔ２をサンプリングする。これにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱の影響を受けることなく、第３のセンサ部Ｓ３によって環境温度を正確に測定することが可能となる。
【００７６】
温度信号Ｖｏｕｔ２は、図９に示すＡＤコンバータ２４に供給される。ＡＤコンバータ２４に供給された温度信号Ｖｏｕｔ２はデジタル変換されて、制御部２６に供給される。制御部２６の内部には、環境温度と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の関係を示す数式あるいはテーブルが格納されており、これによって制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２が補正される。図１３は、環境温度と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の関係を示すグラフである。図１３に示すように、制御部２６は、環境温度が高くなるほど制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルが下がるよう、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を補正する。このように、温度信号Ｖｏｕｔ２によって得られた現在の環境温度に応じて、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルを変化させることにより、現在の環境温度にかかわらず第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱温度を設計通りの温度とすることができる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、温度信号Ｖｏｕｔ２に基づいて制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２が補正されるだけでなく、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の間に第３のセンサ部Ｓ３が配置されていることから、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の間の熱干渉が低減される。これにより、ＣＯ２ガスの濃度をより正確に測定することが可能となる。
【００７８】
しかも、第３のセンサ部Ｓ３は、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２と同じチップ上に配置されているため、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２が受けている環境温度とほぼ等しい環境温度を、第３のセンサ部Ｓ３で測定することが可能となる。これにより非常に正確な温度測定が可能となることから、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱温度をほぼ設計通りとすることができる。
【００７９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００８０】
例えば、上記実施形態では、第１のガスがＣＯ２ガスであり、第２のガスが水蒸気である場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。
【符号の説明】
【００８１】
１０Ａ〜１０Ｄ    ガスセンサ
２０    信号処理回路
２１〜２３    差動アンプ
２４    ＡＤコンバータ
２５    ＤＡコンバータ
２６    制御部
３１，４１，６１    基板
３１ａ，４１ａ，６１ａ〜６１ｃ    キャビティ
３２，３３，４２，４３，６２，６３    絶縁膜
３４，４４，６４    ヒータ保護膜
３５，４５，６５    サーミスタ電極
３６，３６，６６    サーミスタ保護膜
３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄ，６７ａ，６７ｂ    電極パッド
５１    セラミックパッケージ
５２    リッド
５３    通気口
５４    パッケージ電極
５５    ボンディングワイヤ
５６    外部端子
ＭＨ１，ＭＨ２    ヒータ抵抗
Ｒ１    補正抵抗
Ｒ２〜Ｒ８    抵抗
Ｒｄ１，Ｒｄ３    サーミスタ
Ｓ    センサ部
Ｓ１    第１のセンサ部
Ｓ２    第２のセンサ部
Ｓ３    第３のセンサ部
【図１】
2019060848.tif 000003
【図２】
2019060848.tif 000004
【図３】
2019060848.tif 000005
【図４】
2019060848.tif 000006
【図５】
2019060848.tif 000007
【図６】
2019060848.tif 000008
【図７】
2019060848.tif 000009
【図８】
2019060848.tif 000010
【図９】
2019060848.tif 000011
【図１０】
2019060848.tif 000012
【図１１】
2019060848.tif 000013
【図１２】
2019060848.tif 000014
【図１３】
2019060848.tif 000015