(57)【要約】【課題】検出対象ガスと雑ガスが混在している場合であっても、検出対象ガスの濃度を正確に測定する。【解決手段】第１のガスと第２のガスの混合濃度を検出可能な第１のセンサ部Ｓ１と、第１のガスよりも第２のガスに対する検出感度が高い第２のセンサ部Ｓ２と、第１のセンサ部Ｓ１によって検出された混合濃度から、第２のセンサ部によって検出された第２のガスの濃度を減じることによって、第１のガスの濃度を算出する信号処理回路２０とを備える。本発明によれば、第１のセンサ部Ｓ１によって検出された混合濃度から第２のセンサ部Ｓ２によって検出された第２のガスの濃度を減じていることから、雑ガスである第２のガスの影響をキャンセルし、検出対象である第１のガスの濃度を正しく算出することが可能となる。【選択図】図１
2018135100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスと第２のガスの混合濃度を検出可能な第１のセンサ部と、
前記第１のガスよりも前記第２のガスに対する検出感度が高い第２のセンサ部と、
前記第１のセンサ部によって検出された前記混合濃度から、前記第２のセンサ部によって検出された前記第２のガスの濃度を減じることによって、前記第１のガスの濃度を算出する信号処理回路と、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及び第２のガスは可燃性ガスであり、前記第１のセンサ部は接触燃焼式のセンサであ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１のガスは前記第２のガスよりも熱伝導率が測定環境雰囲気に近く、前記第２のセンサ部は熱伝導式のセンサであ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１のガスはＣＯガスであり、前記第２のガスはエタノール、酢酸又は有機系消臭剤であ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のセンサ部は、第１のサーミスタと前記第１のサーミスタの近傍に配置された触媒を含み、
前記第２のセンサ部は、第２のサーミスタを含み、前記第２のサーミスタの近傍には触媒が配置されていないことを特徴とする請求項３又は４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第２のセンサ部は、抵抗をさらに含み、
前記第２のサーミスタは、前記第１のセンサ部と前記第２のセンサ部に兼用されており、
前記第１のセンサ部は、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から第１の検出信号を出力し、
前記第２のセンサ部は、前記第２のサーミスタと前記抵抗の接続点から第２の検出信号を出力す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】
前記第２のセンサ部は、前記第２のサーミスタの近傍に配置された触媒作用を持たないダミー触媒をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記第１のセンサ部は、第１及び第２のサーミスタと前記第１のサーミスタの近傍に配置された触媒を含み、
前記第２のセンサ部は、第３のサーミスタ及び抵抗を含み、
前記第１のセンサ部は、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から第１の検出信号を出力し、
前記第２のセンサ部は、前記第３のサーミスタと前記抵抗の接続点から第２の検出信号を出力し、
前記第２のサーミスタの近傍には触媒が配置されていないことを特徴とする請求項３又は４に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記第１のセンサ部は、前記第２のサーミスタの近傍に配置された触媒作用を持たないダミー触媒をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記第２のセンサ部は、前記抵抗に対して並列に接続された第４のサーミスタをさらに含むことを特徴とする請求項８又は９に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記信号処理回路は、前記第１の検出信号に基づいて前記第２のガスの種類を判定することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、前記第１の検出信号の立ち上がり波形に基づいて前記第２のガスの種類を判定することを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
前記信号処理回路は、前記第１の検出信号の傾きに基づいて前記第１のガスの有無を判定することを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記信号処理回路は、所定の検出サイクルで前記第１のガスの濃度を算出し、前記第２のセンサ部によって検出された前記第２のガスの濃度が所定値を超えていることに応答して、前記検出サイクルを短縮することを特徴とする請求項２乃至１３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記信号処理回路は、前記第１のセンサ部による前記第２のガスの検出感度と前記第２のセンサ部による前記第２のガスの検出感度との差を補正することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項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雑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】
近年、ＣＯガスなど人体に有害なガスを検知するガスセンサが普及している。例えば、特許文献１及び２には、検出対象ガスと非検出対象である雑ガスを識別することが可能な接触燃焼式のガスセンサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１７５９６９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２３４６８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及び２に記載されたガスセンサは、検出対象ガスと雑ガスを識別することはできるものの、検出対象ガスと雑ガスが混在している場合に検出対象ガスの濃度を正確に測定することは困難であった。【０００５】
したがって、本発明の目的は、検出対象ガスと雑ガスが混在している場合であっても、検出対象ガスの濃度を正確に測定することが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のガスと第２のガスの混合濃度を検出可能な第１のセンサ部と、前記第１のガスよりも前記第２のガスに対する検出感度が高い第２のセンサ部と、前記第１のセンサ部によって検出された前記混合濃度から、前記第２のセンサ部によって検出された前記第２のガスの濃度を減じることによって、前記第１のガスの濃度を算出する信号処理回路とを備えることを特徴とする。【０００７】
本発明によれば、第１のセンサ部によって検出された混合濃度から第２のセンサ部によって検出された第２のガスの濃度を減じていることから、雑ガスである第２のガスの影響をキャンセルし、検出対象である第１のガスの濃度を正しく算出することが可能となる。【０００８】
本発明において、前記第１及び第２のガスは可燃性ガスであり、前記第１のセンサ部は接触燃焼式のセンサであることが好ましく、前記第１のガスは前記第２のガスよりも熱伝導率が測定環境雰囲気に近く、前記第２のセンサ部は熱伝導式のセンサであることがより好ましい。これによれば、可燃性の雑ガスの存在による測定誤差を軽減することが可能となる。ここで、前記第１のガスは例えばＣＯガスであり、前記第２のガスは例えばエタノール、酢酸又は有機系消臭剤である。【０００９】
本発明において、前記第１のセンサ部は、第１のサーミスタと前記第１のサーミスタの近傍に配置された触媒を含み、前記第２のセンサ部は、第２のサーミスタを含み、前記第２のサーミスタの近傍には触媒が配置されていないことが好ましい。これによれば、検出対象ガスの燃焼を促進させることができる。【００１０】
この場合、前記第２のセンサ部は、抵抗をさらに含み、前記第２のサーミスタは、前記第１のセンサ部と前記第２のセンサ部に兼用されており、前記第１のセンサ部は、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から第１の検出信号を出力し、前記第２のセンサ部は、前記第２のサーミスタと前記抵抗の接続点から第２の検出信号を出力する構成であっても構わない。これによれば、必要な素子数を削減することができる。この場合、前記第２のセンサ部は、前記第２のサーミスタの近傍に配置された触媒作用を持たないダミー触媒をさらに含むことが好ましい。これによれば、サーミスタの経時変化、環境温度の変化、不可燃性の雑ガスの存在などによる測定誤差を低減することが可能となる。【００１１】
或いは、前記第１のセンサ部は、第１及び第２のサーミスタと前記第１のサーミスタの近傍に配置された触媒を含み、前記第２のセンサ部は、第３のサーミスタ及び抵抗を含み、前記第１のセンサ部は、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から第１の検出信号を出力し、前記第２のセンサ部は、前記第３のサーミスタと前記抵抗の接続点から第２の検出信号を出力し、前記第２のサーミスタの近傍には触媒が配置されていない構成であっても構わない。これによれば、第１のセンサ部による測定と第２のセンサ部による測定を同時又は非同期に実行することが可能となる。この場合、前記第１のセンサ部は、前記第２のサーミスタの近傍に配置された触媒作用を持たないダミー触媒をさらに含むことが好ましい。これによれば、サーミスタの経時変化、環境温度の変化、不可燃性の雑ガスの存在などによる測定誤差を低減することが可能となる。また、第２のセンサ部は、前記抵抗に対して並列に接続された第４のサーミスタをさらに含んでいても構わない。これによれば、湿度による測定誤差をキャンセルすることが可能となる。また、第２のセンサ部を用いてＣＯ２ガスの濃度を測定することも可能となる。【００１２】
本発明において、前記信号処理回路は、前記第１の検出信号に基づいて前記第２のガスの種類を判定することが好ましい。これによれば、雑ガスの種類に応じたより正確なキャンセル動作を行うことが可能となる。この場合、前記信号処理回路は、前記第１の検出信号の立ち上がり波形に基づいて前記第２のガスの種類を判定することができる。また、前記信号処理回路は、前記第１の検出信号の傾きに基づいて前記第１のガスの有無を判定しても構わない。【００１３】
本発明において、前記信号処理回路は、所定の検出サイクルで前記第１のガスの濃度を算出し、前記第２のセンサ部によって検出された前記第２のガスの濃度が所定値を超えていることに応答して、前記検出サイクルを短縮しても構わない。これによれば、第１のセンサ部に付着した雑ガスを速やかに除去することが可能となる。【００１４】
本発明において、前記信号処理回路は、前記第１のセンサ部による前記第２のガスの検出感度と前記第２のセンサ部による前記第２のガスの検出感度との差を補正することが好ましい。これによれば、感度補正によって雑ガスの影響を正確にキャンセルすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
このように、本発明によれば、検出対象ガスと雑ガスが混在している場合であっても、検出対象ガスの濃度を正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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、第１のセンサ部Ｓ１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、ガスセンサ１０Ａの動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、測定雰囲気中にＣＯガスと酢酸が混在している場合におけるガスセンサ１０Ａの動作の一例を示すグラフであり、（ａ）は第１のセンサ部Ｓ１の出力波形を示し、（ｂ）は第２のセンサ部Ｓ２の出力波形を示し、（ｃ）は差分値の算出結果を示している。
【図６】図６は、第１のセンサ部Ｓ１を用いた測定において、測定雰囲気中に各種のガスが存在する場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形を示す図である。
【図７】図７は、雑ガスの種類を判別する動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】図８は、第１のセンサ部Ｓ１を用いた測定において、測定雰囲気中に各種のガスが存在する場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形を示す図であり、（ａ）はＣＯガス、エタノール又はその混合ガスが存在する場合を示し、（ｂ）はＣＯガス、酢酸又はその混合ガスが存在する場合を示し、（ｃ）はＣＯガス、有機系消臭剤又はその混合ガスが存在する場合を示している。図８（ｄ）は、雑ガスの種類ごとにＣＯの有無による波形の傾きの比率を示すテーブルである。
【図９】図９は、ＣＯガスの有無を判別する動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１０は、スイッチＳＷ１の切り替え動作と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２との関係を説明するためのタイミング図である。
【図１１】図１１は、スイッチＳＷ１の切り替え動作と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２との関係を説明するための別のタイミング図である。
【図１２】図１２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１３】図１３は、制御電圧Ｖｍｈ１〜Ｖｍｈ３の変化を説明するためのタイミング図である。
【図１４】図１４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１５】図１５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１６】図１６は、第３及び第４のサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の検出感度を説明するための模式的なグラフである。
【図１７】図１７は、制御電圧Ｖｍｈ１〜Ｖｍｈ４の波形の一例を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
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。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、第１のセンサ部Ｓ１、第２のセンサ部Ｓ２及び信号処理回路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ＣＯガスの濃度を検出するものであり、後述するように、エタノール、酢酸、有機系消臭剤などの雑ガスの影響をキャンセルすることが可能である。
【００２０】
第１のセンサ部Ｓ１は、検出対象ガスであるＣＯガスの濃度を検出するための接触燃焼式のガスセンサであり、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が電源配線間（Ｖｃｃ配線とＧＮＤ配線との間）に直列に接続された構成を有している。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。このうち、第１のサーミスタＲｄ１は触媒ＣＴで覆われており、第２のサーミスタＲｄ２はダミー触媒ＤＣＴで覆われている。
【００２１】
触媒ＣＴは、γアルミナなどに白金（Ｐｔ）を担持させたものを、バインダーとともにペースト状にして、塗布・焼成を行ったものを用いることができる。尚、担持させる材料としては、金（Ａｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）などの触媒金属であっても構わない。一方、ダミー触媒ＤＣＴは、白金（Ｐｔ）などの触媒金属を含まないγアルミナなどからなり、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の熱容量を一致させる目的で設けられる。
【００２２】
触媒ＣＴは、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって所定の温度に加熱されると、検出対象ガスであるＣＯガスと雰囲気中のＯ２ガスの反応（燃焼）を促進させ、ＣＯ２ガスに変化させる。その際に生じる反応熱は第１のサーミスタＲｄ１に伝導し、その抵抗値を変化させる。これに対し、ダミー触媒ＤＣＴは、第２のヒータ抵抗ＭＨ２によって所定の温度に加熱されても、ＣＯガスの燃焼を促進させないため、第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値は、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱のみを反映したものとなる。
【００２３】
したがって、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の接続点から出力される第１の検出信号Ｖｄ１は、測定環境雰囲気中における可燃性ガスの濃度に応じたレベルとなる。第１の検出信号Ｖｄ１は、信号処理回路２０に入力される。
【００２４】
第２のセンサ部Ｓ２は、エタノール、酢酸、有機系消臭剤などの雑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２のサーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ１が電源配線間（Ｖｃｃ配線とＧＮＤ配線との間）に直列に接続された構成を有している。図１に示すように、第２のサーミスタＲｄ２は、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２によって兼用されており、その切り替えはスイッチＳＷ１によって行われる。
【００２５】
第２のサーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ１の接続点からは、第２の検出信号Ｖｄ２が取り出され、信号処理回路２０に入力される。
【００２６】
信号処理回路２０は、差動アンプ２１、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２２、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２３及び制御部２４を備えている。差動アンプ２１は、第１又は第２の検出信号Ｖｄ１，Ｖｄ２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から出力される増幅信号Ｖａｍｐ１，Ｖａｍｐ２は、ＡＤコンバータ２２に入力される。ＡＤコンバータ２２は増幅信号Ｖａｍｐ１，Ｖａｍｐ２をデジタル変換し、その値を制御部２４に供給する。一方、ＤＡコンバータ２３は、制御部２４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。また、制御部２４は、スイッチＳＷ１の切り替えなど、後述する各種動作を制御する。
【００２７】
図２は、第１のセンサ部Ｓ１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。
【００２８】
第１のセンサ部Ｓ１は、可燃性ガスの触媒反応に基づいてガス濃度を検出する接触燃焼式のガスセンサであり、図２及び図３に示すように、２つの検出部３０，４０と、これら検出部３０，４０を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。上述の通り、検出対象となる可燃性ガスはＣＯガスであるが、検出対象外である可燃性の雑ガス、例えば、エタノール、酢酸、有機系消臭剤などについても、不可避的に検出される。
【００２９】
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、雰囲気中の可燃性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。
【００３０】
検出部３０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、サーミスタ保護膜３６上に設けられた触媒ＣＴを備える。
【００３１】
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への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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、数十度から数百度にまで上昇し、次に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。
【００３５】
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及び触媒ＣＴの発熱を効率よく検出することも可能となる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
触媒ＣＴは、γアルミナなどに白金（Ｐｔ）などの触媒金属を担持させたものであり、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって所定の温度に加熱されると、雰囲気中の可燃性ガスとＯ２ガスの反応（燃焼）を促進させる。例えば、検出対象ガスであるＣＯガスが存在すると、雰囲気中のＯ２ガスとの反応（燃焼）を促進させ、ＣＯ２ガスに変化させる。その際に生じる反応熱は第１のサーミスタＲｄ１に伝導し、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値を変化させる。
【００４０】
このように、検出部３０は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１、第１のサーミスタＲｄ１及び触媒ＣＴ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触媒ＣＴ及び第１のサーミスタＲｄ１に効率よく伝わるとともに、触媒ＣＴの反応熱が第１のサーミスタＲｄ１に効率よく伝わる。
【００４１】
一方、検出部４０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、サーミスタ保護膜４６上に設けられたダミー触媒ＤＣＴを備える。
【００４２】
基板４１は、検出部３０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。
【００４３】
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、検出部３０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。
【００４４】
ダミー触媒ＤＣＴは、白金（Ｐｔ）などの触媒金属を含まない他は、触媒ＣＴと同じ構成を有している。したがって、ダミー触媒ＤＣＴに触媒作用はなく、あくまで検出部３０と検出部４０の熱容量を一致させる目的で設けられる。
【００４５】
以上の構成を有する検出部３０，４０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。
【００４６】
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、検出部３０，４０に影響を与えることはない。
【００４７】
このようにして完成した第１のセンサ部Ｓ１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、スイッチＳＷ１や第２のセンサ部Ｓ２を構成する抵抗Ｒ１は、信号処理回路２０に内蔵するか、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。
【００４８】
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。
【００４９】
図４は、本実施形態によるガスセンサ１０Ａの動作を説明するためのフローチャートである。
【００５０】
まず、信号処理回路２０に含まれる制御部２４によってスイッチＳＷ１を制御し、ノードＮ１とＮ２を接続する（ステップＳ１１）。これにより、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が直列に接続されることから、第１のセンサ部Ｓ１が選択された状態となる。この状態で制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとすることにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行う（ステップＳ１２）。
【００５１】
第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行うと、検出部３０側においては第１のサーミスタＲｄ１及び触媒ＣＴが加熱される一方、検出部４０側においては第２のサーミスタＲｄ２及びダミー触媒ＤＣＴが加熱される。このため、測定雰囲気中にＣＯガスなどの可燃性ガスが存在している場合には、触媒ＣＴによって燃焼が促進されるため、第２のサーミスタＲｄ２よりも第１のサーミスタＲｄ１の温度が高くなる。これによって生じる第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値の差は、第１の検出信号Ｖｄ１として現れる。
【００５２】
一方、測定雰囲気中にＣＯ２ガスのように空気と熱伝導率差の大きい不燃性ガスが存在している場合には、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性が変化するため、その抵抗値も変化するが、このような変化は第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に対して等しく生じるため、第１の検出信号Ｖｄ１には影響しない。つまり、空気と熱伝導率差の大きい不燃性ガスによる測定誤差はキャンセルされる。また、経時変化や環境温度の変化によっても第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値が変化するが、このような変化についても第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に対して等しく生じることから、第１の検出信号Ｖｄ１には影響しない。したがって、第１のセンサ部Ｓ１から出力される第１の検出信号Ｖｄ１は、測定雰囲気中に含まれる可燃性ガスの濃度だけを実質的に反映したものとなる。
【００５３】
第１の検出信号Ｖｄ１は、信号処理回路２０に含まれる差動アンプ２１によって増幅信号Ｖａｍｐ１に変換された後、ＡＤコンバータ２２に入力される。ＡＤコンバータ２２は、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱が開始された後、所定のタイミングでサンプリングを行い、サンプリングした増幅信号Ｖａｍｐ１をデジタル変換してサンプリング値Ａ１'を生成し、これを制御部２４に供給する（ステップＳ１３）。サンプリングのタイミングについては、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を開始した直後のオーバーシュート波形をサンプリングしないよう、加熱を開始してから所定の期間が経過したタイミングとすることが好ましく、一定期間または複数回に亘ってサンプリングした値の平均値を用いることがより好ましい。その後、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をグランドレベルに戻すことにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を終了する（ステップＳ１４）。
【００５４】
上述の通り、ステップＳ１３でサンプリングされた値は可燃性ガスの濃度を示すものであるが、検出対象であるＣＯガスの他、検出対象外である可燃性の雑ガス、例えば、エタノール、酢酸、有機系消臭剤などについても、不可避的に検出される。つまり、ステップＳ１３でサンプリングされた値は、検出対象ガス（ＣＯガス）と検出対象外である可燃性の雑ガスの混合濃度を示している。
【００５５】
次に、制御部２４によってスイッチＳＷ１を制御し、ノードＮ１とＮ３を接続する（ステップＳ１５）。これにより、第２のサーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ１が直列に接続されることから、第２のセンサ部Ｓ２が選択された状態となる。この状態で制御電圧Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとすることにより、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱を行う（ステップＳ１６）。尚、一連の動作を連続的に行う場合には、ステップＳ１４にて制御電圧Ｖｍｈ２をグランドレベルに戻す必要はなく、そのままＶａｃｔレベルを維持しても構わない（図１０参照）。
【００５６】
第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱を行うと、第２のサーミスタＲｄ２及びダミー触媒ＤＣＴが加熱される。このため、測定雰囲気中にエタノール、酢酸、有機系消臭剤など、空気と熱伝導率差の大きい雑ガスが存在している場合には、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。これによって生じる第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値の変化は、第２の検出信号Ｖｄ２として現れる。
【００５７】
一方、本実施形態において検出対象とするＣＯガスは、空気と熱伝導率がほとんど同じ（少なくとも、エタノール、酢酸、有機系消臭剤などの雑ガスよりも熱伝導率が空気に近い）ため、第２の検出信号Ｖｄ２にはほとんど反映されない。したがって、第２のセンサ部Ｓ２から出力される第２の検出信号Ｖｄ２は、測定雰囲気中に含まれる、空気と熱伝導率差の大きい雑ガスの濃度だけを実質的に反映したものとなる。
【００５８】
第２の検出信号Ｖｄ２は、信号処理回路２０に含まれる差動アンプ２１によって増幅信号Ｖａｍｐ２に変換された後、ＡＤコンバータ２２に入力される。ＡＤコンバータ２２は、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱が開始された後、所定のタイミングでサンプリングを行い、サンプリングした増幅信号Ｖａｍｐ２をデジタル変換して計測値Ａ２'を生成し、これを制御部２４に供給する（ステップＳ１７）。サンプリングのタイミングについては、上述の通りである。その後、制御電圧Ｖｍｈ２をグランドレベルに戻すことにより、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱を終了する（ステップＳ１８）。
【００５９】
次に、制御部２４に記憶された基準値Ａ０を読み出す（ステップＳ１９）。基準値とは、測定環境雰囲気中に検出対象ガス及び雑ガスが存在しない場合に得られるサンプリング値に相当し、製造時にあらかじめ基準値Ａ０を格納しておいても構わないし、検出対象ガス及び雑ガスが存在しない条件下で実際に計測を行うことによって基準値Ａ０を取得しても構わない。また、第１のセンサ部Ｓ１に対応する基準値と第２のセンサ部Ｓ２に対応する基準値が異なる場合には、それぞれの基準値を読み出す。
【００６０】
次に、ステップＳ１３及びステップＳ１７にて得られたサンプリング値に基づいて、計測値Ａ１，Ａ２を算出する（ステップＳ２０）。計測値Ａ１は、第１のセンサ部Ｓ１によって検出されたガスの濃度を示す値であり、
Ａ１＝Ａ１'−Ａ０
によって算出される。一方、計測値Ａ２は、第２のセンサ部Ｓ２によって検出されたガスの濃度を示す値であり、
Ａ２＝Ａ２'−Ａ０
によって算出される。つまり、いずれの計測値Ａ１，Ａ２も、測定雰囲気中に検出対象ガス及び雑ガスが存在しない場合に得られる基準値Ａ０に相当する信号成分が除去され、検出したガスに起因する信号成分のみが抽出される。
【００６１】
次に、計測値Ａ１，Ａ２に基づいて差分値Ａ３を算出する（ステップＳ２１）。差分値Ａ３は、
Ａ３＝Ａ１−Ａ２
によって算出される。これにより、第１のセンサ部Ｓ１によって検出されたガス濃度から、第２のセンサ部Ｓ２によって検出されたガス濃度がキャンセルされる。例えば、計測値Ａ１にエタノール、酢酸、有機系消臭剤などの雑ガスによる信号成分が重畳している場合であっても、当該成分がキャンセルされ、検出対象であるＣＯガスに起因する信号成分のみが抽出される。尚、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の検出感度に差がある場合には、感度補正を行う必要がある。
【００６２】
そして、差分値Ａ３をガス濃度に変換すれば、一連の検出動作が完了する（ステップＳ２２）。このように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａによれば、第１のセンサ部Ｓ１によって検出されたガス濃度から、第２のセンサ部Ｓ２によって検出されたガス濃度がキャンセルされることから、雑ガスによる影響が排除される。これにより、検出対象であるＣＯガスの濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００６３】
図５は、測定雰囲気中にＣＯガスと酢酸が混在している場合におけるガスセンサ１０Ａの動作の一例を示すグラフであり、（ａ）は第１のセンサ部Ｓ１の出力波形を示し、（ｂ）は第２のセンサ部Ｓ２の出力波形を示し、（ｃ）は差分値の算出結果を示している。
【００６４】
図５（ａ）に示す例では、時刻ｔ１１に第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を開始し（ステップＳ１２）、時刻ｔ１４に加熱を終了している（ステップＳ１４）。加熱時間は、０．２秒である。図５（ａ）に示すように、加熱を開始した直後においては、差動アンプ２１から出力される増幅信号Ｖａｍｐ１がオーバーシュートしている。このため、波形が安定する時刻ｔ１２〜ｔ１３の期間にサンプリングを行っている（ステップＳ１３）。尚、図５（ａ）に示す波形Ｖａｉｒは、第１のセンサ部Ｓ１を用いた測定において、測定雰囲気中に検出対象ガス及び雑ガスが存在しない場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形であり、第１のセンサ部Ｓ１の基準値Ａ０に対応する。したがって、Ｖａｍｐ１とＶａｉｒの差（計測値Ａ１）がＣＯガスと酢酸の混合濃度を示すことになる。
【００６５】
図５（ｂ）に示す例では、時刻ｔ２１に第２のヒータ抵抗ＭＨ２による加熱を開始し（ステップＳ１６）、時刻ｔ２４に加熱を終了している（ステップＳ１８）。加熱時間は、同じく０．２秒である。図５（ｂ）に示すように、加熱を開始した直後においては、差動アンプ２１から出力される増幅信号Ｖａｍｐ２が不安定であることから、波形が安定する時刻ｔ２２〜ｔ２３の期間にサンプリングを行っている（ステップＳ１７）。尚、図５（ｂ）に示す波形Ｖａｉｒは、第２のセンサ部Ｓ２を用いた測定において、測定雰囲気中に検出対象ガス及び雑ガスが存在しない場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形であり、第２のセンサ部Ｓ２の基準値Ａ０に対応する。したがって、Ｖａｍｐ２とＶａｉｒの差（計測値Ａ２）が酢酸の濃度を示すことになる。
【００６６】
そして、計測値Ａ１から計測値Ａ２を減算すれば、差分値Ａ３が得られる。図５（ｃ）に示す波形Ｖｄｅｆは、差分値Ａ３に相当する信号成分を示す波形である。実際には、ＡＤコンバータ２２によって数値化された計測値Ａ１，Ａ２を用いて制御部２４が演算を行うため、図５（ｃ）に示す波形Ｖｄｅｆが実際に生成されるわけではない。
【００６７】
尚、図５（ｂ）は感度補正後の波形を示している。一例として、第１のセンサ部Ｓ１におけるＣＯ検出感度が１０μＶ／ｐｐｍ、第１のセンサ部Ｓ１における酢酸検出感度が１５μＶ／ｐｐｍ、第２のセンサ部Ｓ２における酢酸検出感度が５μＶ／ｐｐｍ、差動アンプ２１のゲインが１００倍であるとすれば、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の酢酸検出感度に３倍の差が存在することから、これを補正する必要がある。図５（ａ），（ｂ）に示す例では、計測値Ａ１が０．７Ｖであり、計測値Ａ２（感度補正後）が０．４Ｖであることから、その差である０．３ＶがＣＯガスに起因するものである。そして、ＣＯ検出感度が１０μＶ／ｐｐｍ、差動アンプ２１のゲインが１００倍であることから、ＣＯガスの濃度は、
０．３（Ｖ）／（１０（μＶ／ｐｐｍ）×１００）＝３００ｐｐｍ
となる。
【００６８】
このように、第１のセンサ部Ｓ１における雑ガスの検出感度と第２のセンサ部Ｓ２における雑ガスの検出感度に差がある場合には、感度補正を行うことにより、雑ガスの影響を正確にキャンセルすることが可能となる。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、検出対象であるＣＯガスに雑ガスが混在している場合であっても、雑ガスの影響をキャンセルすることができることから、検出対象であるＣＯガスの濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００７０】
ここで、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の検出感度差が雑ガスの種類によって大きく異なる場合には、上述した動作に加え、雑ガスの種類を判別する動作を別途実行することが好ましい。
【００７１】
図６は、第１のセンサ部Ｓ１を用いた測定において、測定雰囲気中に各種のガスが存在する場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形を示す図である。
【００７２】
図６においては、時刻ｔ４１〜ｔ４２に第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行った場合に得られる、差動アンプ２１の出力波形を示している。ここで、図６に示す波形Ｖｃｏは雰囲気中に存在するガスがＣＯである場合に得られる波形、波形Ｖｅｔｈは雰囲気中に存在するガスがエタノールである場合に得られる波形、波形Ｖａｃｅは雰囲気中に存在するガスが酢酸である場合に得られる波形、波形Ｖｏｒｇは雰囲気中に存在するガスが有機系消臭剤である場合に得られる波形、波形Ｖａｉｒは空気のみである場合に得られる波形をそれぞれ示している。
【００７３】
図６に示すように、増幅信号の波形は、雰囲気中に存在するガスの種類によって異なる。特に、加熱を開始してから波形が立ち上がるまでの時間や、ピークが現れるまでの時間などの立ち上がり波形がガスの種類によって異なることが分かる。図６には、ガスの種類ごとの立ち上がり開始時間及びピークが現れるまでの時間（立ち上がり時間）を示す表も示されている。このような特性の差を利用すれば、測定雰囲気中に存在するガスの種類を判別することが可能となる。
【００７４】
図７は、雑ガスの種類を判別する動作を説明するためのフローチャートである。
【００７５】
まず、信号処理回路２０に含まれる制御部２４によってスイッチＳＷ１を制御し、ノードＮ１とＮ２を接続する（ステップＳ３１）。これにより、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が直列に接続されることから、第１のセンサ部Ｓ１が選択された状態となる。この状態で、図６に示す時刻ｔ３１の時点でサンプリングされた差動アンプ２１の出力に基づき、サンプリング値Ｂ１を取得する（ステップＳ３２）。
【００７６】
次に、図６に示す時刻ｔ４１の時点で制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとすることにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行う（ステップＳ３３）。さらに、図６に示す時刻ｔ３２〜ｔ３５の時点でそれぞれサンプリングされた差動アンプ２１の出力に基づき、サンプリング値Ｂ２〜Ｂ５を取得する（ステップＳ３４）。その後、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をグランドレベルに戻すことにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を終了する（ステップＳ３５）。
【００７７】
このようにしてサンプリング値Ｂ１〜Ｂ５を取得した後、制御部２４は、サンプリング値Ｂ１〜Ｂ５の比較を行う。具体的には、まず、サンプリング値Ｂ１とサンプリング値Ｂ２を比較し、サンプリング値Ｂ２の方が大きいか否かを判定する（ステップＳ３６）。その結果、サンプリング値Ｂ２の方が大きければ、測定雰囲気中に存在するガスをエタノールであると判定する（ステップＳ３７）。ステップＳ３７の判定結果が否である場合、サンプリング値Ｂ３とサンプリング値Ｂ４を比較し、サンプリング値Ｂ３の方が大きいか否かを判定する（ステップＳ３８）。その結果、サンプリング値Ｂ３の方が大きければ、測定雰囲気中に存在するガスを酢酸であると判定する（ステップＳ３９）。ステップＳ３９の判定結果が否である場合、サンプリング値Ｂ４とサンプリング値Ｂ５を比較し、サンプリング値Ｂ４の方が大きいか否かを判定する（ステップＳ４０）。その結果、サンプリング値Ｂ４の方が大きければ、測定雰囲気中に存在するガスを有機系消臭剤であると判定する（ステップＳ４１）。これに対し、いずれも否であれば、測定雰囲気中に存在するガスは、エタノール、酢酸、有機系消臭剤のいずれでもないと判定する（ステップＳ４２）。この場合、測定雰囲気中に存在するガスは空気のみ、或いは、ＣＯガスであると判定することができる。
【００７８】
このような方法によれば、雰囲気中に存在する雑ガスの種類を判定することができることから、雑ガスの種類に応じた適切な検出感度差の補正を行うことができる。上述の通り、雑ガスが酢酸である場合は、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の検出感度に例えば３倍の差が存在するが、雑ガスがエタノールである場合の検出感度差は例えば４．５倍、雑ガスが有機系消臭剤である場合の検出感度差は例えば２倍である。このように、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の検出感度差が雑ガスの種類によって大きく異なる場合であっても、上述した雑ガスの種類を判別する動作を別途実行すれば、差分値Ａ３を算出する際に適切な感度補正を施すことが可能となる。
【００７９】
図８は、第１のセンサ部Ｓ１を用いた測定において、測定雰囲気中に各種のガスが存在する場合に差動アンプ２１から出力される信号の波形を示す図であり、（ａ）はＣＯガス、エタノール又はその混合ガスが存在する場合を示し、（ｂ）はＣＯガス、酢酸又はその混合ガスが存在する場合を示し、（ｃ）はＣＯガス、有機系消臭剤又はその混合ガスが存在する場合を示している。また、図８（ｄ）は、雑ガスの種類ごとにＣＯの有無による波形の傾きの比率を示すテーブルである。
【００８０】
図８（ａ）〜（ｃ）においては、いずれも時刻ｔ６１〜ｔ６２に第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行った場合に得られる差動アンプ２１の出力波形を示している。ここで、図８（ａ）に示す波形Ｖｃｏは雰囲気中に存在するガスがＣＯである場合に得られる波形、波形Ｖｅｔｈは雰囲気中に存在するガスがエタノールである場合に得られる波形、波形Ｖｍｉｘ１は雰囲気中に存在するガスがＣＯとエタノールの両方である場合に得られる波形である。また、図８（ｂ）に示す波形Ｖｃｏは雰囲気中に存在するガスがＣＯである場合に得られる波形、波形Ｖａｃｅは雰囲気中に存在するガスが酢酸である場合に得られる波形、波形Ｖｍｉｘ２は雰囲気中に存在するガスがＣＯと酢酸の両方である場合に得られる波形である。さらに、図８（ｃ）に示す波形Ｖｃｏは雰囲気中に存在するガスがＣＯである場合に得られる波形、波形Ｖｏｒｇは雰囲気中に存在するガスが有機系消臭剤である場合に得られる波形、波形Ｖｍｉｘ３は雰囲気中に存在するガスがＣＯと有機系消臭剤の両方である場合に得られる波形である。
【００８１】
図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、増幅信号の波形は、所定の雑ガスとともにＣＯガスが含まれているか否かによって異なる。特に、ＣＯガスの有無によって、ピークが現れた直後における波形の傾きと、ピークが現れてから所定時間が経過した後における波形の傾きとの差が異なる。図８（ｄ）には、雑ガスの種類ごとに、ＣＯの有無による波形の傾きの比率を示すテーブルが示されている。このテーブルは制御部２４に記憶されている。このような特性の差を利用すれば、所定の雑ガスとともにＣＯガスが含まれているか否かについても判別することが可能となる。
【００８２】
図９は、ＣＯガスの有無を判別する動作を説明するためのフローチャートである。
【００８３】
まず、信号処理回路２０に含まれる制御部２４によってスイッチＳＷ１を制御し、ノードＮ１とＮ２を接続する（ステップＳ５１）。これにより、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２が直列に接続されることから、第１のセンサ部Ｓ１が選択された状態となる。次に、図８に示す時刻ｔ６１の時点で制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとすることにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を行う（ステップＳ５２）。次に、図８に示す時刻ｔ５１〜ｔ５４の時点でそれぞれサンプリングされた差動アンプ２１の出力に基づき、サンプリング値Ｃ１〜Ｃ４を取得する（ステップＳ５３）。その後、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をグランドレベルに戻すことにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を終了する（ステップＳ５４）。
【００８４】
次に、図７のフローチャートに示した方法で判定された雑ガスの種類を読み出す（ステップＳ５５）。そして、読み出された雑ガスに対応するテーブル及びサンプリング値Ｃ１〜Ｃ４を参照することによってＣＯガスの有無を判定する（ステップＳ５６）。図８にテーブルの一例を示すように、サンプリング値Ｃ１−Ｃ２の傾きとサンプリング値Ｃ３−Ｃ４の傾きの比は、ＣＯガスの有無によって既知であるため、ステップＳ５３で取得されたサンプリング値Ｃ１〜Ｃ４を解析すれば、雑ガスにＣＯガスが含まれているか否かを判定することができる。
【００８５】
このようにして得られた判定結果は、参考データとして利用することができる。例えば、図４のフローチャートに示す方法によって所定濃度を超えるＣＯガスが検出された一方で、図９のフローチャートに示す方法によってＣＯガスが含まれていないと判定された場合には、何らかの異常が発生しているか、或いは、測定誤差が著しく増大していると考えられる。このような場合、例えばエラー信号を発生させることによって注意を喚起することができる。
【００８６】
図１０は、スイッチＳＷ１の切り替え動作と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２との関係を説明するためのタイミング図である。
【００８７】
図１０に示す例では、時刻ｔ７１〜ｔ７２の期間にスイッチＳＷ１のノードＮ１とノードＮ２が接続され、時刻ｔ７２〜ｔ７３の期間にスイッチＳＷ１のノードＮ１とノードＮ３が接続される。これに連動して、時刻ｔ７１〜ｔ７２の期間に制御電圧Ｖｍｈ１をＶａｃｔレベルとするとともに、時刻ｔ７１〜ｔ７３の期間に制御電圧Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとすることにより、第１のセンサ部Ｓ１及び第２のセンサ部Ｓ２を交互に活性化させている。一例として、時刻ｔ７１〜ｔ７２の期間および時刻ｔ７２〜ｔ７３の期間はいずれも０．２秒であり、この動作を３０秒周期で実行している。これにより、３０秒周期でＣＯガスの濃度を検出することが可能となる。また、ＣＯガスの濃度が所定値を超えた場合、検出サイクルを短縮することにより、ＣＯガスの濃度をより高頻度に検出しても構わない。
【００８８】
図１１は、スイッチＳＷ１の切り替え動作と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２との関係を説明するための別のタイミング図である。
【００８９】
図１１に示す例では、通常時、つまり雑ガスの濃度が検出限界未満あるいは所定値未満である場合には検出サイクルを３０秒に設定し、雑ガス検出時、つまり雑ガスが検出された場合あるいは雑ガスの濃度が所定値以上である場合には検出サイクルを２秒に短縮している。このように、雑ガス検出時に検出サイクルを短縮することにより、雑ガスの燃焼が促進されるため、触媒ＣＴの表面に付着した雑ガスを除去することが可能となる。
【００９０】
＜第２の実施形態＞
図１２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。
【００９１】
図１２に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の一部が兼用されておらず、互いに独立している点において、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。
【００９２】
具体的には、第３のサーミスタＲｄ３及びこれを加熱する第３のヒータ抵抗ＭＨ３が追加されており、第３のサーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１によって第２のセンサ部Ｓ２が構成される。したがって、第２の検出信号Ｖｄ２は、第３のサーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１の接続点から出力される。これに伴い、スイッチＳＷ１が削除されているとともに、第１の検出信号Ｖｄ１を受ける差動アンプ２１ａと第２の検出信号Ｖｄ２を受ける差動アンプ２１ｂがそれぞれ別個に設けられている。その他の構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと基本的に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。
【００９３】
図１３は、制御電圧Ｖｍｈ１〜Ｖｍｈ３の変化を説明するためのタイミング図である。
【００９４】
図１３に示す例では、時刻ｔ８１〜ｔ８２の期間に制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｈｍ２をＶａｃｔレベルとするとともに、時刻ｔ８２〜ｔ８３の期間に制御電圧Ｖｍｈ３をＶａｃｔレベルとすることにより、第１のセンサ部Ｓ１及び第２のセンサ部Ｓ２を交互に活性化させている。一例として、時刻ｔ８１〜ｔ８２の期間および時刻ｔ８２〜ｔ８３の期間はいずれも０．２秒であり、この動作を３０秒周期で実行している。これにより、３０秒周期でＣＯガスの濃度を検出することが可能となる。また、ＣＯガスの濃度が所定値を超えた場合、検出サイクルを短縮することにより、ＣＯガスの濃度をより高頻度に検出しても構わない。
【００９５】
本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、スイッチＳＷ１を備えておらず、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２が独立しているため、第１のセンサ部Ｓ１を活性化させる期間と第２のセンサ部Ｓ２を活性化させる期間の一部または全部を重複させても構わない。但し、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２との間における熱的干渉などを防止するためには、図１３に示すように、これらを活性化させる期間を互いに分離することが好ましい。
【００９６】
＜第３の実施形態＞
図１４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。
【００９７】
図１４に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｃは、第２のサーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ１が入れ替えられている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。これに伴い、第２のサーミスタＲｄ２を覆うダミー触媒ＤＣＴは省略されている。その他の構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと基本的に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。
【００９８】
本実施形態によるガスセンサ１０Ｃの動作は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと基本的に同じである。しかしながら、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａとは異なり、第１のセンサ部Ｓ１が第１のサーミスタＲｄ１と抵抗Ｒ１によって構成されていることから、測定雰囲気中にＣＯ２ガスのように空気と熱伝導率差の大きい不燃性ガスが存在すると、第１のサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化し、測定誤差となってしまう。このような誤差は、第２のセンサ部Ｓ２によってＣＯ２ガスの濃度を検出することにより、信号処理回路２０においてキャンセルすることができる。
【００９９】
＜第４の実施形態＞
図１５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。
【０１００】
図１５に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、第２のセンサ部Ｓ２の抵抗Ｒ１に対して並列に接続された第４のサーミスタＲｄ４及びこれを加熱する第４のヒータ抵抗ＭＨ４が追加されている点において、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと相違している。第４のヒータ抵抗ＭＨ４には、ＤＡコンバータ２３から制御電圧Ｖｍｈ４が与えられる。その他の構成は、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂと基本的に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。
【０１０１】
本実施形態においては、第３のサーミスタＲｄ３と第４のサーミスタＲｄ４が互いに異なる温度に加熱される。これは、制御電圧Ｖｍｈ３と制御電圧Ｖｍｈ４を互いに異なるレベルに設定することにより実現できる。第３及び第４のサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４を加熱した状態で測定雰囲気中に雑ガスが存在すると、その濃度に応じて第３及び第４のサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の放熱特性が変化する。ここで、第３のサーミスタＲｄ３と第４のサーミスタＲｄ４は、互いに異なる温度に加熱されるため、第３のサーミスタＲｄ３における雑ガスの検出感度と、第４のサーミスタＲｄ４における雑ガスの検出感度は、互いに相違する。
【０１０２】
さらに、第３及び第４のサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の放熱特性は、測定雰囲気中の湿度（Ｈ２Ｏ）によっても変化する。ここでも、第３のサーミスタＲｄ３と第４のサーミスタＲｄ４は、互いに異なる温度に加熱されるため、第３のサーミスタＲｄ３における湿度の検出感度と、第４のサーミスタＲｄ４における湿度の検出感度は、互いに相違する。
【０１０３】
図１６は、第３及び第４のサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の検出感度を説明するための模式的なグラフである。
【０１０４】
図１６に示すように、第３のサーミスタＲｄ３における雑ガスの検出感度はある程度大きな値を有している一方、第４のサーミスタＲｄ４における雑ガスの検出感度は非常に小さく、無視できるレベルである。これに対し、第３のサーミスタＲｄ３における湿度の検出感度はａである一方、第４のサーミスタＲｄ４における湿度の検出感度はｂ（≠ａ）である。したがって、第３のサーミスタＲｄ３と第４のサーミスタＲｄ４を単に直列に接続しただけでは、第２の検出信号Ｖｄ２に湿度の影響が反映されてしまう。
【０１０５】
そこで、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、湿度に応じた第２の検出信号Ｖｄ２の変化がキャンセルされるよう、第４のサーミスタＲｄ４に対して並列に接続された抵抗Ｒ１の抵抗値を所定の値に設定している。上述の通り、第３のサーミスタＲｄ３における湿度の検出感度をａ、第４のサーミスタＲｄ４における湿度の検出感度をｂ、第４のサーミスタＲｄ４の抵抗値をＲｄ４とした場合、抵抗Ｒ１の抵抗値を
Ｒ１＝（ｂ／ａ）×Ｒｄ４
に設定することによって、湿度に応じた第２の検出信号Ｖｄ２の変化をほぼキャンセルすることができる。
【０１０６】
これにより、湿度が第３のサーミスタＲｄ３に与える影響と第４のサーミスタＲｄ４に与える影響が実効的に一致することから、湿度が変化しても第２の検出信号Ｖｄ２は変化しなくなる。したがって、第２の検出信号Ｖｄ２のレベルは、雑ガスの濃度によって決まることになる。
【０１０７】
図１７は、制御電圧Ｖｍｈ１〜Ｖｍｈ４の波形の一例を示すタイミング図である。
【０１０８】
図１７に示す例では、時刻ｔ９１〜ｔ９２の期間に制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をＶａｃｔレベルとするとともに、時刻ｔ９２〜ｔ９３の期間に制御電圧Ｖｍｈ３，Ｖｍｈ４をそれぞれＶａｃｔ１，Ｖａｃｔ２レベルとすることにより、第１のセンサ部Ｓ１及び第２のセンサ部Ｓ２を交互に活性化させている。一例として、時刻ｔ９１〜ｔ９２の期間および時刻ｔ９２〜ｔ９３の期間はいずれも０．２秒であり、この動作を３０秒周期で実行している。これにより、３０秒周期でＣＯガスの濃度を検出することが可能となる。また、ＣＯガスの濃度が所定値を超えた場合、検出サイクルを短縮することにより、ＣＯガスの濃度をより高頻度に検出しても構わない。
【０１０９】
本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２が独立しているため、第２のセンサ部Ｓ２でＣＯ２ガスを検出することも可能である。第２のセンサ部Ｓ２でＣＯ２ガスを検出する場合、第３のサーミスタＲｄ３を１５０℃に加熱し、第４のサーミスタＲｄ４を３００℃に加熱すればよい。これは、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からである。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。
【０１１０】
また、第３のサーミスタＲｄ３の加熱温度が１５０℃である場合の湿度に対する感度ａと、第４のサーミスタＲｄ４の加熱温度が３００℃である場合の湿度に対する感度ｂは互いに異なっている。具体的には、感度ａが約１２０μＶ／％ＲＨであるのに対し、感度ｂは約２００μＶ／％ＲＨである。したがって、この場合は、抵抗Ｒ１の抵抗値を
Ｒ１＝（２００／１２０）×Ｒｄ４＝（５／３）×Ｒｄ４
に設定すれば良い。
【０１１１】
これにより、湿度が第３のサーミスタＲｄ３に与える影響と第４のサーミスタＲｄ４に与える影響が実効的に一致することから、湿度が変化しても第２の検出信号Ｖｄ２は変化しなくなる。したがって、第２の検出信号Ｖｄ２のレベルは、ＣＯ２ガスの濃度によって決まることになる。このように、本実施形態によるガスセンサ１０Ｄは、ＣＯガスなどの可燃性ガスのみならず、ＣＯ２ガスの濃度を検出することも可能である。
【０１１２】
また、本実施形態においては、第３のサーミスタＲｄ３と第４のサーミスタＲｄ４がブリッジ回路を構成していることから、第１のセンサ部Ｓ１と同様、第２のセンサ部Ｓ２においてもサーミスタの経時変化が抑制されるため、測定誤差を低減することが可能である。
【０１１３】
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。
【０１１４】
例えば、本発明において測定環境雰囲気が空気であることは必須でなく、空気とは異なる測定環境雰囲気であっても構わない。
【符号の説明】
【０１１５】
１０Ａ〜１０Ｃ    ガスセンサ
２０    信号処理回路
２１，２１ａ，２１ｂ    差動アンプ
２２    ＡＤコンバータ
２３    ＤＡコンバータ
２４    制御部
３０，４０    検出部
３１，４１    基板
３１ａ，４１ａ    キャビティ
３２，３３，４２，４３    絶縁膜
３４，４４    ヒータ保護膜
３５，４５    サーミスタ電極
３６，４６    サーミスタ保護膜
３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄ    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
ＣＴ    触媒
ＤＣＴ    ダミー触媒
ＭＨ１〜ＭＨ４    ヒータ抵抗
Ｎ１〜Ｎ３    ノード
Ｒ１    抵抗
Ｒｄ１〜Ｒｄ４    サーミスタ
Ｓ１    第１のセンサ部
Ｓ２    第２のセンサ部
ＳＷ１    スイッチ
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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