(57)【要約】【課題】検知素子と参照素子が直列に接続された構成を有するガスセンサにおいて、検知素子と参照素子の温度負荷の差を容易且つより正確に低減する。【解決手段】本発明によるガスセンサ１０は、検知素子である第１のサーミスタＲｄ１と、参照素子である第２のサーミスタＲｄ２と、第１のサーミスタＲｄ１を加熱する第１のヒータＭＨ１と、第２のサーミスタＲｄ２を加熱する第２のヒータＭＨ２と、第１の期間においては、第１のサーミスタＲｄ１よりも第２のサーミスタＲｄ２の温度が高くなるよう第１及び第２のヒータＭＨ１，ＭＨ２を加熱し、第２の期間においては、第２のサーミスタＲｄ２よりも第１のサーミスタＲｄ１の温度が高くなるよう第１及び第２のヒータＭＨ２を加熱する制御回路２０を備える。本発明によれば、第１の期間と第２の期間を繰り返すことにより、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の熱履歴の差が低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する検知素子と、
前記検知素子に直列に接続された参照素子と、
前記検知素子を加熱する第１のヒータと、
前記参照素子を加熱する第２のヒータと、
第１の期間においては、前記検知素子よりも前記参照素子の温度が高くなるよう前記第１及び第２のヒータを加熱し、第２の期間においては、前記参照素子よりも前記検知素子の温度が高くなるよう前記第１及び第２のヒータを加熱する制御回路と、を備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記制御回路は、前記第１及び第２の期間の一方において、前記検知素子と前記参照素子の接続点に現れる電位に基づき前記検出対象ガスの濃度を算出す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】
前記制御回路は、前記第１の期間においては、前記検知素子及び前記参照素子がそれぞれ第１及び第２の温度となるよう前記第１及び第２のヒータを加熱し、前記第２の期間においては、前記参照素子及び前記検知素子がそれぞれ前記第１及び第２の温度となるよう前記第２及び第１のヒータを加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１の期間と前記第２の期間の長さが同じであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記検出対象ガスはＣＯ２ガスであり、前記第１の期間における前記検知素子の加熱温度は１００〜２００℃であり、前記第１の期間における前記参照素子の加熱温度は２５０〜３５０℃であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記検知素子及び前記参照素子はＭＥＭＳ構造を有しており、前記第１の期間は５０〜４００ｍｓであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記第１の期間における前記検知素子の抵抗値と前記参照素子の抵抗値の比は、０．５〜２．０の範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記検知素子と参照素子は、互いに異なるチップに形成されてい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。
【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、検知素子と参照素子が直列に接続された構成を有する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り、より高精度な検出を行うために検知素子と参照素子を直列に接続し、その接続点から出力信号を得る構成が採用されることがある。例えば、特許文献１に記載されたガスセンサは、検知素子と参照素子を直列に接続するとともに、検知タイミングにおいて検知素子と参照素子をそれぞれ所定の温度に加熱する構成を有している。【０００３】
また、特許文献１に記載されたガスセンサは、参照素子を非検知タイミングにおいて高温に加熱することによって、検知素子と参照素子の熱履歴の差を縮小している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１５６２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたガスセンサでは、非検知タイミングにおいて参照素子だけを選択的に加熱していることから、検知素子と参照素子の加熱回数に差が生じる。このため、非検知タイミングにおける参照素子の加熱温度や加熱時間の設定が難しく、検知素子と参照素子の熱履歴の差を十分に低減することは容易ではなかった。【０００６】
したがって、本発明の目的は、検知素子と参照素子の温度負荷の差を容易且つより正確に低減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】
【０００７】
本発明によるガスセンサは、検出対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する検知素子と、検知素子に直列に接続された参照素子と、検知素子を加熱する第１のヒータと、参照素子を加熱する第２のヒータと、第１の期間においては、検知素子よりも参照素子の温度が高くなるよう第１及び第２のヒータを加熱し、第２の期間においては、参照素子よりも検知素子の温度が高くなるよう第１及び第２のヒータを加熱する制御回路とを備えることを特徴とする。【０００８】
本発明によれば、第１の期間においては検知素子よりも参照素子の方が温度負荷が大きく、第２の期間において参照素子よりも検知素子の方が温度負荷が大きいことから、第１の期間と第２の期間を繰り返すことにより、検知素子と参照素子の熱履歴の差を容易に低減することが可能となる。【０００９】
本発明において、制御回路は、第１及び第２の期間の一方において、検知素子と参照素子の接続点に現れる電位に基づき検出対象ガスの濃度を算出するものであっても構わない。これによれば、第１及び第２の期間の一方において、検出対象ガスの濃度を算出することが可能となる。【００１０】
本発明において、制御回路は、第１の期間においては、検知素子及び参照素子がそれぞれ第１及び第２の温度となるよう第１及び第２のヒータを加熱し、第２の期間においては、参照素子及び検知素子がそれぞれ第１及び第２の温度となるよう第２及び第１のヒータを加熱するものであっても構わない。これによれば、検知素子と参照素子の熱履歴をほぼ一致させることが可能となる。【００１１】
本発明において、第１の期間と第２の期間の長さが同じであっても構わない。これによれば、検知素子と参照素子の熱履歴をより正確に一致させることが可能となる。【００１２】
本発明において、検出対象ガスはＣＯ２ガスであり、第１の期間における検知素子の加熱温度は１００〜２００℃であり、第１の期間における参照素子の加熱温度は２５０〜３５０℃であっても構わない。これによれば、ＣＯ２ガスの濃度を感度良く検出することが可能となる。【００１３】
本発明において、検知素子及び参照素子はＭＥＭＳ構造を有しており、第１の期間は５０〜４００ｍｓであっても構わない。これによれば、消費電力を最小限に抑えることが可能となる。【００１４】
本発明において、第１の期間における検知素子の抵抗値と参照素子の抵抗値の比は、０．５〜２．０の範囲であっても構わない。これによれば、検出対象ガスの濃度を感度良く検出することが可能となる。【００１５】
本発明において、検知素子と参照素子は、互いに異なるチップに形成されていても構わない。これによれば、一方のチップに設けられたヒータの熱が他方のチップに伝わりにくくなることから、検知素子と参照素子のお互いのヒーターから熱干渉を受けずに済むため感度低下を抑えられる。また、熱履歴の差をさらに低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、検知素子と参照素子の熱履歴を容易に低減することが可能となる。これにより、ガスセンサの経時変化を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態によるガスセンサ１０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ＣＯ２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の波形を示すタイミング図である。
【図６】図６は、ガスセンサ１０の効果を説明するためのグラフである。
【図７】図７は、第１の変形例による制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形を示すタイミング図である。
【図８】図８は、第２の変形例による制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形を示すタイミング図である。
【図９】図９は、第３の変形例による制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０は、センサ部Ｓと制御回路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１０は、雰囲気中におけるＣＯ２ガスの濃度を検出するものである。
【００２１】
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、検知素子である第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、参照素子である第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。
【００２２】
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、検知タイミングにおいて例えば１５０℃である。第１のサーミスタＲｄ１を１５０℃に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。
【００２３】
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、検知タイミングにおいて例えば３００℃である。第２のサーミスタＲｄ２を３００℃に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。
【００２４】
ここで、室温（２５℃）における第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値は、約１０倍の比を有している。例えば、室温における第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値は、それぞれ２８０ｋΩ、２８００ｋΩである。そして、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を加熱すると抵抗値が低下する。上述の通り、検知タイミングにおける第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度（例えば３００℃）は、検知タイミングにおける第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度（例えば１５０℃）よりも高いことから、検知タイミングにおいては、第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値の比は０．５〜２．０の範囲、好ましくは、ほぼ同等となる。例えば、１５０℃に加熱された第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値は１０ｋΩであり、３００℃に加熱された第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値も１０ｋΩである。
【００２５】
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、制御回路２０に入力される。ＣＯ２ガスの濃度に基づく検出信号Ｖｏｕｔ１の変化量は、検知タイミングにおける第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値と第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値が近いほど大きくなり、検出感度が向上する。この点から、検知タイミングにおける第１のサーミスタＲｄ１と第２のサーミスタＲｄ２の抵抗値の比は、０．５〜２．０の範囲であることが好ましくは、ほぼ同等であることが特に好ましい。
【００２６】
制御回路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、信号処理部２６及び抵抗Ｒ１〜Ｒ３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Ｒ１〜Ｒ３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。
【００２７】
ＡＤコンバータ２４は増幅信号Ｖａｍｐをデジタル変換し、その値を信号処理部２６に供給する。一方、ＤＡコンバータ２５は、信号処理部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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、常温から例えば１５０℃或いは３００℃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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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に示す制御回路２０に接続される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【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、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
このようにして完成したセンサ部Ｓは、外部端子５６を介して制御回路２０や電源に接続される。
【００４７】
以上が本実施形態によるガスセンサ１０の構成である。このように、本実施形態によるガスセンサ１０は、検知素子である第１のサーミスタＲｄ１と参照素子である第２のサーミスタＲｄ２が互いに異なるチップに形成されていることから、一方のチップに設けられたヒータ抵抗の熱が他方のチップに伝わりにくい。これにより、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２がお互いのヒーターから熱干渉を受けずに済むため感度低下を抑えられる。また、熱履歴の差がさらに低減されることから、検出精度がより向上する。
【００４８】
次に、本実施形態によるガスセンサ１０の動作について説明する。
【００４９】
本実施形態によるガスセンサ１０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。
【００５０】
図４は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度とＣＯ２感度との関係を示すグラフである。
【００５１】
図４に示すように、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度が１００〜２００℃の範囲である場合には、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２５０〜３５０℃の範囲ではＣＯ２ガスの濃度に対する感度が低下し、特に、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。
【００５２】
上記の点を考慮し、本実施形態によるガスセンサ１０は、検知タイミングにおいて第１のサーミスタＲｄ１を例えば１５０℃に加熱することによってＣＯ２ガスの濃度に対する感度を十分に確保する一方、第２のサーミスタＲｄ２を例えば３００℃に加熱することによってＣＯ２ガスの濃度に対する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、検出信号Ｖｏｕｔ１のレベルはＣＯ２ガスの濃度を示すことになる。
【００５３】
図５は、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形を示すタイミング図である。
【００５４】
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が同時に所定のレベルとなる第１の期間Ｔ１と、制御電圧Ｖｍｈ１と制御電圧Ｖｍｈ２が同時に所定のレベルとなる第２の期間Ｔ２が交互に繰り返される。ここで、第１の期間Ｔ１においては、制御電圧Ｖｍｈ１よりも制御電圧Ｖｍｈ２の方が高く設定され、これにより、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℃となり、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℃となる。第１の期間Ｔ１においては、制御回路２０によって検出信号Ｖｏｕｔ１がサンプリングされ、これに基づいてＣＯ２ガスの濃度が算出される。検出信号Ｖｏｕｔ１のサンプリング周期は例えば３０秒である。
【００５５】
一方、第２の期間Ｔ２においては、制御電圧Ｖｍｈ２よりも制御電圧Ｖｍｈ１の方が高く設定され、これにより、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３００℃となり、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１５０℃となる。第２の期間Ｔ２においては、制御回路２０による検出信号Ｖｏｕｔ１のサンプリングは行われない。
【００５６】
このように、第２の期間Ｔ２においては検出信号Ｖｏｕｔ１のサンプリングは行われないが、第１の期間Ｔ１と全く逆の温度負荷を第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に与えることにより、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の熱履歴が一致する。これにより、ガスセンサ１０の経時変化を容易且つ効果的に抑えることが可能となる。
【００５７】
図６は、本実施形態の効果を説明するためのグラフであり、実線は本実施形態によるガスセンサ１０の経時変化を示し、破線は、第２の期間Ｔ２における加熱動作を省略した場合の経時変化を示している。図６に示すように、第２の期間Ｔ２における加熱動作を省略した場合と比べ、本実施形態によるガスセンサ１０は、経時変化が大幅に抑制されていることがわかる。これは、第２の期間Ｔ２において、第１の期間Ｔ１と全く逆の温度負荷を第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に与えることにより、両者の熱履歴を一致させているためである。
【００５８】
第１の期間Ｔ１及び第２の期間Ｔ２の長さは、いずれも５０〜４００ｍｓとすることが好ましく、両者の長さを一致させることが特に好ましい。本実施形態においては、第１及び第２のセンサ部Ｓ１，Ｓ２がＭＥＭＳ構造を有しているため、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱を開始してから、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度が安定するのに要する時間は５０ｍｓ程度だからであり、また、４００ｍｓを超えて加熱する必要はなく、かえって消費電力が増大するからである。そして、第１の期間Ｔ１の長さと第２の期間Ｔ２の長さを一致させれば、第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の熱履歴を完全に一致させることが可能となる。
【００５９】
第２の期間Ｔ２を挿入するタイミングについては、第１の期間Ｔ１と重ならない限り任意である。したがって、図７に示すように、第１の期間Ｔ１の直後に第２の期間Ｔ２を設けることによって両者を連続させても構わないし、図８に示すように、第１の期間Ｔ１と次の第１の期間Ｔ１のちょうど中間のタイミングで第２の期間Ｔ２を挿入しても構わない。但し、第２の期間Ｔ２による残熱が実際の計測に影響しないよう、第１の期間Ｔ１の直前に第２の期間Ｔ２を設けることは避けることが好ましい。
【００６０】
また、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２が交互である必要はなく、図９に示すように、第１の期間Ｔ１が２回経過した後、第２の期間Ｔ２をまとめて２回挿入しても構わない。
【００６１】
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。
【００６２】
例えば、上記実施形態では、検出対象ガスがＣＯ２ガス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。
【００６３】
また、上記実施形態では、第１の期間Ｔ１における第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度と、第２の期間Ｔ２における第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度が等しく（１５０℃）、第１の期間Ｔ１における第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度と、第２の期間Ｔ２における第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度が等しい（３００℃）が、本発明において、この点は必須でない。さらに、単位時間あたりの第１の期間Ｔ１の発生数と第２の期間Ｔ２の発生数が完全に一致していることも必須でない。
【符号の説明】
【００６４】
２０    制御回路
２１〜２３    差動アンプ
２４    ＡＤコンバータ
２５    ＤＡコンバータ
２６    信号処理部
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
３６，３６    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
ＭＨ１    第１のヒータ抵抗
ＭＨ２    第２のヒータ抵抗
Ｒ１〜Ｒ３    抵抗
Ｒｄ１    第１のサーミスタ（検知素子）
Ｒｄ２    第２のサーミスタ（参照素子）
Ｓ    センサ部
Ｓ１    第１のセンサ部
Ｓ２    第２のセンサ部
Ｔ１    第１の期間
Ｔ２    第２の期間
【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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【国際調査報告】
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