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技術 ガス検出装置

出願人 TDK株式会社
発明者 海田佳生平林潤松尾裕
出願日 2015年6月24日 (5年6ヶ月経過) 出願番号 2015-126164
公開日 2017年1月12日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2017-009472
状態 特許登録済
技術分野 電気的手段による材料の調査、分析
主要キーワード 検出感度補正 環境温度値 発熱体加熱 水素濃度値 ガス濃度値 水素ガス検出器 Co系酸化物 デバイス相互間
関連する未来課題
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図面 (14)

課題

感温抵抗素子発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置を提供することを目的とする。

解決手段

空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧印加するD/A変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧デジタル値に変換するA/D変換器と、演算処理を行うMPUとを有するガス検出装置であって、前記MPUは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記A/D変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象ガス濃度を算出する演算手段と、を有する。

概要

背景

対象ガスを検出する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感温抵抗素子ヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検出するものである。空間の温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料ボロメータ材料、Ptなど金属を用いた測温体を感温抵抗素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。

測定対象ガスを正確に検出するためには、感温抵抗素子の値を読み出し時に於いて、測定対象ガスを検出する感温抵抗素子を毎回一定温度で加熱する必要がある。

しかし、環境温度が変化すると、環境温度の変化分だけ感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度に対して、より高温又は、低温で加熱されることになる。加熱温度が変化すると、その温度変化分だけ、大気及び対象ガスの熱伝導率が変化するため、感温抵抗素子は、誤った値を検出することになる。

図10は、従来に於けるガスセンサ51の構造断面図である。ガスセンサ51は、測定対象ガス濃度を検出する第1の感温抵抗素子52及び発熱体54と、環境温度を検出する第2の感温抵抗素子53とを有し、測定環境暴露された空間に配置される。セラミックパッケージ58に第1の感温抵抗素子52及び発熱体54と、第2の感温抵抗素子53とを配置し、測定環境に暴露させるために通気孔56を備えたリッド55によりガスセンサ51を形成している。第1の感温抵抗素子52及び第2の感温抵抗素子53は、ダイペースト(図示せず)等でセラミックパッケージ58に固定され、その後、ボンディングワイヤ66により第1の感温抵抗素子52及び第2の感温抵抗素子53の電極パッド65と、セラミックパッケージ58に固定されたセラミックパッケージ電極67とを接続する。次にリッド55をセラミックパッケージ58に接着剤(又は溶接等)により固定している。

第1の感温抵抗素子52は、基板57、薄膜サーミスタ電極61、薄膜サーミスタ膜62、薄膜サーミスタ保護膜63とで構成されている。また、発熱体54は、発熱体保護膜60を挟んで第1の感温抵抗素子52の背面に配置されている。発熱体54は、薄膜サーミスタ膜62を加熱するためのものである。

第2の感温抵抗素子53は、第1の感温抵抗素子52を加熱するための発熱体54を備えていない以外は第1の感温抵抗素子52と同じ構成である。

図11は、従来に於けるガス検出装置71の回路構成である。第1の感温抵抗素子52と第2の感温抵抗素子53に対して、基準抵抗72、73とをそれぞれ直列に接続することにより、ブリッジ回路を構成しており、第1の感温抵抗素子52の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検出している。

特開2010−91299号公報

概要

感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置を提供することを目的とする。空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧印加するD/A変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧デジタル値に変換するA/D変換器と、演算処理を行うMPUとを有するガス検出装置であって、前記MPUは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記A/D変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する演算手段と、を有する。

目的

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第1の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体ヒータ電圧印加するD/A変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧デジタル値に変換するA/D変換器と、演算処理を行うMPUと、を有するガス検出装置であって、前記MPUは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記A/D変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象ガス濃度を算出する演算手段と、を有することを特徴とするガス検出装置。

請求項2

前記ガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じた温度を検出する第1の感温抵抗素子と、雰囲気温度を検出する第2の感温抵抗素子と、前記第1の感温抵抗素子を加熱するための発熱体と、前記第1及び第2の感温抵抗素子とブリッジ回路を構成するための固定抵抗とで構成されており、前記第1の感温抵抗素子を加熱するための前記ヒータ電圧は、一定の振幅を有する電圧であることを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。

請求項3

前記演算手段は、前記A/D変換器からの値を、メモリから読み出し特定環境温度に於ける感温抵抗素子の検出感度を基準検出感度として用いた近似式除算すると共に、前記除算された値に前記ガスセンサの検出感度補正値を乗算することにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する手段であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス検出装置。

請求項4

前記検出感度補正値は、前記基準検出感度と、環境温度より求めたガスセンサの有する検出感度との比率により求めることを特徴とする請求項3に記載のガス検出装置。

技術分野

0001

本発明は、感温抵抗素子発熱体を用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に関するものである。

背景技術

0002

対象ガスを検出する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検出するものである。空間の温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料ボロメータ材料、Ptなど金属を用いた測温体を感温抵抗素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。

0003

測定対象ガスを正確に検出するためには、感温抵抗素子の値を読み出し時に於いて、測定対象ガスを検出する感温抵抗素子を毎回一定温度で加熱する必要がある。

0004

しかし、環境温度が変化すると、環境温度の変化分だけ感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度に対して、より高温又は、低温で加熱されることになる。加熱温度が変化すると、その温度変化分だけ、大気及び対象ガスの熱伝導率が変化するため、感温抵抗素子は、誤った値を検出することになる。

0005

図10は、従来に於けるガスセンサ51の構造断面図である。ガスセンサ51は、測定対象ガス濃度を検出する第1の感温抵抗素子52及び発熱体54と、環境温度を検出する第2の感温抵抗素子53とを有し、測定環境暴露された空間に配置される。セラミックパッケージ58に第1の感温抵抗素子52及び発熱体54と、第2の感温抵抗素子53とを配置し、測定環境に暴露させるために通気孔56を備えたリッド55によりガスセンサ51を形成している。第1の感温抵抗素子52及び第2の感温抵抗素子53は、ダイペースト(図示せず)等でセラミックパッケージ58に固定され、その後、ボンディングワイヤ66により第1の感温抵抗素子52及び第2の感温抵抗素子53の電極パッド65と、セラミックパッケージ58に固定されたセラミックパッケージ電極67とを接続する。次にリッド55をセラミックパッケージ58に接着剤(又は溶接等)により固定している。

0006

第1の感温抵抗素子52は、基板57、薄膜サーミスタ電極61、薄膜サーミスタ膜62、薄膜サーミスタ保護膜63とで構成されている。また、発熱体54は、発熱体保護膜60を挟んで第1の感温抵抗素子52の背面に配置されている。発熱体54は、薄膜サーミスタ膜62を加熱するためのものである。

0007

第2の感温抵抗素子53は、第1の感温抵抗素子52を加熱するための発熱体54を備えていない以外は第1の感温抵抗素子52と同じ構成である。

0008

図11は、従来に於けるガス検出装置71の回路構成である。第1の感温抵抗素子52と第2の感温抵抗素子53に対して、基準抵抗72、73とをそれぞれ直列に接続することにより、ブリッジ回路を構成しており、第1の感温抵抗素子52の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検出している。

0009

特開2010−91299号公報

発明が解決しようとする課題

0010

図12は、第1の感温抵抗素子52の薄膜サーミスタ膜62の加熱温度に対する環境温度変化への影響度を示したグラフであり、X軸にガスセンサが配置されている環境の温度を、Y軸に薄膜サーミスタ膜62の加熱温度及び、第1の感温抵抗素子52を加熱する発熱体54に加える電力による加熱温度の換算値発熱体加熱温度として取ったものである。このグラフでは、環境温度が25℃の時に薄膜サーミスタ膜62が155℃で加熱されるように発熱体54に対する加熱温度を、発熱体54に印加するヒータ電圧振幅で調整したものである。尚、図中の発熱体温度のグラフは、1.4Vのヒータ電圧を発熱体62に印加したときのグラフである。

0011

しかし、環境温度が変化すると、その温度変化を受けて発熱体の抵抗値が変化する(白金測温体の場合は、環境温度の上昇とともに抵抗値も大きくなる)ため、薄膜サーミスタ膜62を加熱する発熱体54を加熱するために加えられる電力量が変化することにより、発熱体54を加熱する温度が変動することとなる。また、薄膜サーミスタ膜62は、発熱体54を加熱するヒータ電圧による加熱分が、環境温度に上乗せされた温度で加熱されているために、環境温度の変化の影響も直接受けることとなる。図12のグラフでは、環境温度が60℃になると、薄膜サーミスタ膜62は、180℃で加熱されるようになり、環境温度が25℃の時に比べて、25℃も高温で加熱されることになる。

0012

図13は、薄膜サーミスタ膜62の加熱温度に対する、第1の感温抵抗素子52の水素ガスに対する検出感度への影響度を示したグラフであり、X軸に薄膜サーミスタ膜62の温度を、Y軸に第1の感温抵抗素子52の水素ガスに対する検出感度を取ったものである。
図13のグラフでは、薄膜サーミスタ膜62の温度が155℃で加熱された時の水素ガスに対する第1の感温抵抗素子52の検出感度は、2.9uV/ppmであるが、薄膜サーミスタ膜62が加熱される温度が上昇するにつれて、第1の感温抵抗素子52の水素ガスの検出感度も上がっており、薄膜サーミスタ膜62の温度が180℃の時には、第1の感温抵抗素子52の水素ガスの検出感度は、3.0uV/ppmに変化している。

0013

第1の感温抵抗素子52の水素ガスの検出感度に精度を求めるには、薄膜サーミスタ膜62の加熱温度を環境温度に左右されることなく常に安定に加熱する必要があるが、例えば、水素ガス検出器に於いて、100ppmの水素ガス濃度検出対象とした時、その水素ガスの検出誤差を5%(5ppm)以下とすると、第1の感温抵抗素子52の水素ガスの検出感度の誤差を5ppm以下に抑えるためには、発熱体62に印加するヒータ電圧を環境温度変化を含めて10uV以下の精度で制御しなければならず、非常に高精度の通電制御が必要となる。

0014

特許文献1では、可燃性ガスへの熱伝導によって自身の温度が変化すると共に自身の抵抗値が変化する発熱抵抗体が特定の目標温度になるように通電を行い、発熱抵抗体の抵抗値に対応した出力値に基いて、ガス濃度を演算により求めると共に、演算によって求められたガス濃度値に対して、環境温度を検出する温度検出手段により検出された環境温度値を用いて、補正を行うことが提案されている。

0015

しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献1の構成では、発熱抵抗体の発熱温度のずれが、発熱抵抗体からの出力値の誤差となるため、環境温度変化の影響に対して発熱抵抗体を目標温度に保つために、非常に精密な通電制御が必要となる。

0016

また、発熱温度に変化が生じると、その温度変化分だけ発熱抵抗体の検出ガスに対する感度変動が生じる。

0017

さらに、水素ガス濃度、環境温度及び湿度について演算により求め、さらに演算により求めた環境温度・湿度を用いて、水素ガス濃度の補正を行うとの記載があるが、具体的な手法についての開示がなされていない。

0018

そこで本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第1の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となるガス検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0019

上記の目的を達成するため、本発明に係わるガス検出装置は、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサの発熱体にヒータ電圧を印加するD/A変換器と、前記ガスセンサからの出力電圧デジタル値に変換するA/D変換器と、演算処理を行うMPUと、を有するガス検出装置であって、前記MPUは、前記ヒータ電圧を設定するヒータ電圧設定手段と、前記A/D変換器からの値を、温度補正された前記ガスセンサの有する検出感度を用いて演算を行うことにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する演算手段と、を有することを特徴とするガス検出装置である。

0020

本発明の請求項2に係わる発明は、前記ガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じた温度を検出する第1の感温抵抗素子と、雰囲気温度を検出する第2の感温抵抗素子と、前記第1の感温抵抗素子を加熱するための発熱体と、前記第1及び第2の感温抵抗素子とブリッジ回路を構成するための固定抵抗とで構成されており、前記第1の感温抵抗素子を加熱するために、前記ヒータ電圧設定手段に於いて設定される電圧は、一定の振幅を有する電圧であることを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置である。

0021

本発明の請求項3に係わる発明は、前記演算手段は、前記A/D変換器からの値を、予め保存されたメモリから読み出した特定環境温度に於ける感温抵抗素子の検出感度を基準検出感度として用いた近似式除算すると共に、前記除算された値に前記ガスセンサの検出感度補正値を乗算することにより、雰囲気中に含まれる検出対象のガス濃度を算出する手段であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス検出装置である。

0022

本発明の請求項4に係わる発明は、前記検出感度補正値は、前記基準検出感度と、環境温度より求めたガスセンサの有する検出感度との比率により求めることを特徴とする請求項3に記載のガス検出装置である。

発明の効果

0023

本発明によれば、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第1の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となる。

図面の簡単な説明

0024

実施形態に於けるガスセンサの構造断面図である。
実施形態に於けるガス検出装置の回路構成図である。
実施形態に於けるガス検出装置の演算手順を示すフローチャートである。
実施形態に於けるガス検出電圧と水素ガス濃度との関係を示す。
実施形態に於けるガス検出装置による水素ガス検出結果を示すグラフである。
実施形態に於けるガス検出装置を用いた水素ガス濃度演算結果を示すグラフである。
実施形態に於けるガス検出装置を用いた水素ガス濃度演算結果を示す図である。
実施形態に於ける環境温度に対する感温抵抗素子の感度への影響度を示す。
実施形態に於ける感温抵抗素子の補正係数を格納するデータテーブル構成を示す説明図である。
従来に於けるガスセンサの構造断面図である。
従来に於けるガスセンサの回路構成図である。
環境温度変化に対する感温抵抗素子の加熱温度への影響度を示す。
薄膜サーミスタ膜の温度変化に対する感温抵抗素子の感度への影響度を示す。

実施例

0025

以下、各図を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。雰囲気中のガス検出として、雰囲気中の水素二酸化炭素や可燃性ガス等のガス濃度及び、雰囲気中に含まれる水蒸気量を測定するための検出方法は、同一の検出方法で行うことが出来る。本実施形態に於いては、雰囲気中の特定のガス濃度検出として、水素ガスを検出する形態について説明しているが、特定のガス濃度とは、雰囲気中の水素、二酸化炭素等だけでなく空気と異なる熱伝導率を有する可燃性ガス全般及び、雰囲気中に含まれる水蒸気量としての湿度値も含まれる。

0026

実施例に於いては、同一符号は同一部材を示すものとする。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。

0027

図1は、本実施形態のガスセンサ1を説明する構造断面図である。本実施形態によるガスセンサは、測定対象のガス濃度を検出する第1の感温抵抗素子2及び発熱体4と、環境温度を検出する第2の感温抵抗素子3とを有し、測定環境に暴露された空間に配置される。本実施例では、セラミックパッケージ8に第1の感温抵抗素子2及び発熱体4と、第2の感温抵抗素子3とを配置し、測定環境に暴露させるために通気孔6を備えたリッド5によりガスセンサ1を形成している。第1の感温抵抗素子2及び第2の感温抵抗素子3は、ダイペースト(図示せず)等でセラミックパッケージ8に固定され、その後、ボンディングワイヤ16により第1の感温抵抗素子2及び第2の感温抵抗素子3の電極パッド15と、セラミックパッケージ8に固定されたセラミックパッケージ電極17とを接続する。次にリッド5をセラミックパッケージ8に接着剤(又は溶接等)により固定している。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、及びデバイス相互間の厚みの比率は、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よい。また、本説明はセラミックパケージを用いて行っているが、パッケージとしてはセラミックに限定されるものではなく、樹脂を用いたものでもよい。

0028

第1の感温抵抗素子2は、基板7、薄膜サーミスタ電極11、薄膜サーミスタ膜12、薄膜サーミスタ保護膜13とで構成されている。また、発熱体4は、発熱体保護膜10を挟んで第1の感温抵抗素子2の背面に配置されている。発熱体4は、薄膜サーミスタ膜12を加熱するためのものである。

0029

第2の感温抵抗素子3は、第1の感温抵抗素子2の薄膜サーミスタ膜12を加熱するための発熱体4を備えていない以外は第1の感温抵抗素子2と同じ構成である。このような構成にすることで、第1の感温抵抗素子2と第2の感温抵抗素子3の素子特性を同じにすることができる。すなわち、熱容量の違いによる応答時間の差がなく、環境温度の変化に対して常に同じ挙動とすることができる。

0030

基板7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い。例えば、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が好適である。

0031

基板7には、発熱体4を高温動作させた時に、熱が基板へ伝導するのを抑制するために発熱体4の位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ14を有している。基板を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、非常に少ない消費電力で発熱体4を高温にすることができる。また、基板7への伝導経路が数μmの薄膜部分のみで形成された断熱構造であるため、基板7への熱伝導が小さく、効率よく発熱体4を高温にすることができる。

0032

発熱体4の材質としては、導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、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。

0033

図1に於いて、空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに測定対象ガスの濃度を検出する感熱体として、薄膜サーミスタ膜12が発熱体4を覆うように形成されている。これにより薄膜サーミスタ膜12は、発熱体4の発熱による温度を直接検出することができる。

0034

薄膜サーミスタ膜12を形成するサーミスタの材質は、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温度抵抗係数を持つ材料を、薄膜プロセスを用いて形成されている。膜厚目標とするサーミスタ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140kΩ程度に設定するのであれば、素子電極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。

0035

薄膜サーミスタ膜12の熱を電気信号に変換して取り出す為に薄膜サーミスタ電極11が形成されている。薄膜サーミスタ電極11の材質としては、薄膜サーミスタ膜12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。

0036

薄膜サーミスタ電極11、発熱体4は、電極パッド15と接続される。電極パッド15は、ボンディングワイヤ16でセラミックパッケージ電極17を通して外部の回路と電気的接続される。電極パッド15は、例えばアルミニウム(Al)や金(Au)などの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。

0037

素子は、ウエハ状態から個片へと切断された後、ダイペースト(図示せず)等を用いてセラミックパッケージ8に固定した後、電極パッド15と、セラミックパッケージ電極17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16で接続する。ボンディングワイヤ16はAu、Al、Cuなど、抵抗の低い金属ワイヤが好適である。

0038

セラミックパッケージ8と外気との通気孔6を設けたリッド5を、接着剤(又は溶接等(図示せず))を用いて固定する。この際、接着剤(図示せず)の硬化の加熱時に、樹脂に含まれる物質ガスとなって発生するが、通気孔6により容易にパッケージ外へ放出されるため、素子自体に悪影響を与えることはない。以上よりガスセンサ1を得ることができる。

0039

第1の感温抵抗素子2の表面温度は、発熱体4に一定時間毎パルス電圧Vpを印加することにより、特定の温度に加熱されるが、この温度は常に一定ではなく、検出対象とするガス及び、雰囲気温度によって変更される。例えば、雰囲気中の水素ガスを検出するのであれば、第1の感温抵抗素子2の表面温度は、100℃以上に加熱されるのが望ましい。

0040

第2の感温抵抗素子3は、ガスセンサ1が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する。第1の感温抵抗素子2は、発熱体4にヒータ電圧Vpが印加されていない時は、第2の感温抵抗素子3と同様に、ガスセンサ1が配置されている場所の環境温度の変化を電気抵抗に変換する動作を行い、発熱体4にヒータ電圧Vpが印加されている時は、第1の感温抵抗素子2の薄膜サーミスタ膜12が、発熱体4に印加されるヒータ電圧Vpによる熱エネルギー(例えば150℃)によって熱せられることにより、第1の感温抵抗素子2の周囲の空気に含まれているガスの熱伝導が作用して熱放散が大きくなるため、第1の感温抵抗素子2の温度が低下する。この温度低下により第1の感温抵抗素子2の抵抗値は増大する。第1の感温抵抗素子2の発熱体4にヒータ電圧Vpを印加した時の第1の感温抵抗素子2の抵抗値と、発熱体4にヒータ電圧Vpを印加していない時の第1の感温抵抗素子2の抵抗値との差分により雰囲気中の水素ガスを検出することが可能となっている。

0041

測定対象として、雰囲気中の水素ガスを挙げて説明しているが、第1の感温抵抗素子2を用いて発熱体4の加熱による熱伝導を利用した第1の感温抵抗素子2の温度変化を電気抵抗に変換するものであれば、測定対象が水素ガスに限られるものではなく、例えば、流速などを検出するために使用されても良い。

0042

第1の感温抵抗素子2及び、第2の感温抵抗素子3は、温度の上昇に応じて抵抗値が減少するNTC(negative temperature coefficient)を使用する場合に於いては、NTCサーミスタの温度に対する抵抗値は近似的に以下の式(数式1)で表わすことが出来る。

0043

0044

式中のRTHはTに於けるNTCサーミスタの抵抗値、R0はT0に於ける基準抵抗、T0は基準温度、Tはサーミスタ温度、Bは感温抵抗素子の温度に対する感度である。

0045

図2は、ガス検出装置21の回路構成を示す図である。ガス検出装置21は、ガスセンサ1、基準抵抗22、23、ボルテージフォロワ24、増幅器25、A/D変換器26、D/A変換器27、MPU28とで構成される。

0046

図9は、水素ガス濃度等を演算により求めるための感温抵抗素子の補正係数を格納するためのデータテーブルを示すものである。図9のデータテーブルは、MPU28のメモリ(図示せず)に内蔵されているものである。第1の感温抵抗素子2及び、第2の感温抵抗素子3を用いた補正係数を格納するデータテーブルの構成を示しており、水素ガス濃度、第1の感温抵抗素子2の素子感度及び、第2の感温抵抗素子3による環境温度とを、算出するための計算式係数を保存している。

0047

図4は、実施形態に於ける第1の感温抵抗素子2により検出された出力電圧Vd2と水素ガス濃度との関係を示すグラフであり、X軸に出力電圧Vd2を、Y軸にガスセンサ1が配置されている空間に流す水素ガスの濃度を取ったものであり、環境温度は25℃の時のものである。このグラフより、第1の感温抵抗素子2により検出された出力電圧Vd2の値と、水素ガス濃度との関係は、ほぼ2次の近似線上に乗っている。この2次の近似式のパラメータは、図9に示すデータテーブルに水素ガス濃度Vout´を算出する時に使用するパラメータ(aa、ba、ca)として、保存される。

0048

図8は、実施形態に於ける環境温度に対する第1の感温抵抗素子2の水素ガスへの感度への影響度を示すグラフであり、X軸にガスセンサ1が配置されている環境温度を、Y軸に第1の感温抵抗素子2の環境温度に対する感度変化を取ったものである。このグラフより、環境温度と第1の感温抵抗素子2の環境温度に対する感度変化との関係は、ほぼ1次の近似線上に乗っている。この1次の近似式のパラメータは、図9に示すデータテーブルに水素ガス濃度Vds2を算出する時に使用するパラメータ(ab、bb)として、保存される。

0049

尚、出力電圧Vd2と水素ガス濃度との関係を表わすパラメータの作成には、環境温度が25℃の時の第1の感温抵抗素子2の素子感度を基準値Vds1(基準検出感度)として用いており、この基準値Vds1は、感度補正の比率を算出する際に用いるパラメータとしてデータテーブルに保存される。

0050

図9に示すデータテーブルには、他に第2の感温抵抗素子3の温度に対する感度を示す値“B”及び、環境温度25℃に於ける抵抗値“Rref@25”等が保存されている。

0051

図2を用いて、ガス検出装置21の回路の動作について説明する。発熱体4による加熱対象は薄膜サーミスタ膜12であるが、便宜上、第1の感温抵抗素子2と置き換えて説明する。第1の感温抵抗素子2と基準抵抗22、第2の感温抵抗素子3と基準抵抗23とは直列に接続されてブリッジ回路を構成しており、その中間電圧として、出力電圧Vd1及びVc1を出力する。MPU28は、A/D変換器26、D/A変換器27の動作について制御しており、発熱体4に対してD/A変換器27よりヒータ電圧Vpを印加する。D/A変換器27がヒータ電圧Vpを発熱体4に印加することにより、第1の感温抵抗素子2が特定の温度に加熱される。この時、第1の感温抵抗素子2は、発熱体4と環境温度とによって加熱されることになる。第1の感温抵抗素子2の加熱温度が安定してから一定時間経過後に、第1の感温抵抗素子2の抵抗変化を電圧Vd1に変換し、増幅器25を経由してA/D変換器26に入力された値を出力電圧Vd2として、発熱体4による加熱終了後に、第2の感温抵抗素子3の抵抗変化を電圧Vc1に変換し、ボルテージフォロワ24を経由してA/D変換器26に入力された値を出力電圧Vc2として、MPU28に読み込む。

0052

D/A変換器27が発熱体4に印加するヒータ電圧Vpは、環境温度の変化に関係なく、常に一定の振幅を有する電圧である。

0053

本実施例に於いては、発熱体4に印加するヒータ電圧として、一定の振幅を有する電圧を用いて説明しているが、発熱体4に印加する電圧は、一定の電圧値であれば、振幅を有するものであっても又は、DC電圧であってもよい。

0054

MPU28は、図3に示す演算手順に従って、A/D変換器26を経由して読み込まれたVd2及びVc2の処理を適切に行い、演算結果であるガス濃度値をVout端子29より外部に出力する。

0055

図3は、ガス検出装置21に於いて、ガスセンサ1からの信号をMPU28に取り込み、MPU28内の演算部(図示せず)で演算処理を行い、算出したガス濃度をVout端子29より出力する手順についての測定・演算のフローチャートを示したものである。以下、第1の感温抵抗素子2によるガス検出から演算処理後のVout端子29よりガス濃度値出力までを、各ステップ処理手順について示す。

0056

ステップ31で、MPU28よりD/A変換器27に指令を出し発熱体4にヒータ電圧Vpを印加する。このヒータ電圧Vpは、一定の振幅を有する電圧である。発熱体4に印加するヒータ電圧VpのON/OFF期間は、MPU28により制御されている。ヒータ電圧VpのON期間は、第1の感温抵抗素子2の加熱温度が安定してから一定時間経過の後に、第1の感温抵抗素子2の抵抗変化を電圧Vd1に変換完了するまでの期間、第1の感温抵抗素子2の加熱温度を一定に保持する必要があるため、最低限この期間は、ヒータ電圧VpをONに保持するように、発熱体4に印加するヒータ電圧VpのON/OFF期間を決定する。ヒータ電圧VpのON期間について、ON期間が長くなる分には特性的には問題ないが、消費電力が増加するために、1msec〜1secの範囲で、測定対象ガスの種類・濃度等に応じて適切に選択している。

0057

ステップ32で、第1の感温抵抗素子2が発熱体4による加熱温度が安定してから一定時間経過後に、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を第1の感温抵抗素子2の抵抗値変化を電気信号に変換して、出力電圧Vd1を出力する。出力電圧Vd1は、増幅器25で信号を増幅した後にA/D変換器26でデジタル信号に変換された後に出力電圧Vd2として、MPU28に読み込まれる。

0058

ステップ33で、MPU28に読み込んだ出力電圧Vd2と、MPU28のメモリ(図
示せず)内のデータエリアに保存してある出力電圧Vd2と水素ガス濃度との関係を表わ
すパラメータ(aa、ba、ca)とを、数式2の近似式に代入し、水素ガス濃度Vou
t´を算出する。

0059

0060

この演算により、第1の感温抵抗素子2の水素ガスに対する素子感度として、基準値V
ds1を用いて演算した水素ガス濃度が算出される。

0061

ステップ34で、第2の感温抵抗素子3の抵抗変化を電圧Vc1に変換し、ボルテージ
フォロワ24を経由してA/D変換器26に入力された値を出力電圧Vc2として、MP
U28に読み込む。MPU28のメモリ(図示せず)内のデータエリアに保存してある第
2の感温抵抗素子3の温度特性を表わすパラメータ(B、Rref@25)と、MPU28に読
み込んだ出力電圧Vc2を、サーミスタの温度特性を求める数式3に代入して環境温度T
cを算出する。

0062

0063

数式3のVccはガス検出装置21の電源電圧であり、Bは感温抵抗素子の温度に対する感度である。

0064

ステップ35で、MPU28で算出した環境温度Tcと、MPU28のメモリ(図示
せず)内のデータエリアに保存してある環境温度と水素ガスに対する第1の感温抵抗
子2の素子感度との関係を表わすパラメータ(ab、bb)とを、数式4の近似式に代入
現在の環境温度Tcに於ける水素ガスに対する素子感度Vds2を算出する。

0065

0066

数式4のxは、環境温度Tcである。

0067

ステップ36で、現在の環境温度Tcに於ける水素ガスに対する素子感度Vds2と、
基準素子感度Vds1との値を数式5に代入し、比率Sratを算出する。この演算結果
より、基準値の素子感度VdS1を使って算出したガス濃度値Vout´を真の値にする
ための補正値を求めている。

0068

0069

水素ガス濃度Vout´と素子感度の比率Sratとを乗算することにより、本来の
素子感度による水素ガス濃度検出値に補正された値が算出される。

0070

発熱体4へのヒータ電圧を制御することにより、薄膜サーミスタ膜12の加熱温度を安定化する場合、例えば、薄膜サーミスタ膜12の加熱温度バラツキによる水素ガスの検出誤差を水素ガス100ppm検出の時に5%(5ppm)以下に抑えるためには、発熱体4に印加するヒータ電圧を10uV以下の精度で制御しなければならず、非常に高精度の制御が要求されるものである。

0071

しかし、発熱体4へのヒータ電圧を、環境温度に関係なく常に一定の振幅を有する電圧を印加するようにし、環境温度変化による薄膜サーミスタ膜12への加熱温度の影響は、素子感度を補正することにより、簡易な構成を取ることが出来る。例えば、薄膜サーミスタ膜12の加熱温度バラツキによる水素ガスの検出誤差を水素ガス100ppm検出の時に5%(5ppm)以下に抑えるには、第1の感温抵抗素子2の素子感度を約4.7%以下の誤差精度で制御を行えば良い。これは、発熱体4へのヒータ電圧を環境温度変化に対応しながら薄膜サーミスタ膜12の加熱温度を一定の温度で加熱するために、ヒータ電圧を常に10uV以下の精度で制御することに比べて、非常に簡易な制御構成で済む。

0072

図5は、ガスセンサ1が配置された雰囲気中の特定の水素濃度値に対する出力電圧Vd2の出力結果をあらわしたグラフであり、X軸にガスセンサ1が配置されている雰囲気中に流す水素ガス濃度を、Y軸に出力電圧Vd2(水素ガス検出値)を取ったものである。出力電圧Vd2は、第1の感温抵抗素子2が空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスを検出し電気抵抗に変換した出力値Vd1をA/D変換器26を通してMPU28に取り込んだ値である。この出力電圧Vd2から演算により測定対象ガスである水素ガスの濃度を算出している。

0073

図6は、MPU28に取り込んだ出力電圧Vd2を演算により求めた水素ガス濃度値の結果を示したグラフであり、X軸にガスセンサ1が配置されている雰囲気中に流す水素ガス濃度を、Y軸にMPU28で演算により求めた水素ガス濃度値Voutを取ったものである。図6グラフ中の実線は、本実施例による水素ガス濃度の演算結果を、破線は、比較例として従来による水素ガス濃度の演算結果を示したものである。図6に記載のグラフ中の従来例では、雰囲気中の水素ガスフロー濃度に対する水素ガス濃度の演算結果では、水素ガスフロー濃度1000ppmに対して水素ガス濃度演算結果が約1500ppmと大きな誤差が生じているが、実施例に於いては、ほぼ誤差が生じていないことがわかる。

0074

図7に、図6のグラフを表にした演算結果を示す。図7−aは、ガスセンサ1が配置された雰囲気中の水素濃度500ppmから10000ppmに対し、実施例及び比較例での演算結果を表にしたものであり、図7−bは、図7−aの演算結果の誤差を表にしたものである。比較例の値では、検出対象の水素ガス濃度が1000ppmの時に、42.3%の検出誤差が生じている。一方、本実施の値では、2.8%の検出誤差に抑えられている。検出誤差の差は、水素ガスの濃度が低いほど顕著である。

0075

図6図7より、従来のガス検出装置では、検出対象のガスが特に低濃度の場合又、環境温度変化が生じる場合に於いては、高精度の測定が困難であり、本実施形態に於けるガス検出装置を用いることにより、検出対象のガスが低濃度から高濃度の範囲に於いて、高精度の検出を可能にするものである。

0076

以上により、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、環境温度変化により、第1の感温抵抗素子を加熱する温度が本来あるべき加熱温度よりも高温又は、低温で加熱されることによる影響によって生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で検出誤差を低減し、検出対象ガスの濃度を高精度に求めることが可能となる。これにより、ガス検出装置の測定精度の低下を抑制し、ガス濃度の変化を精度よく測定を行うガス検出装置を提供することを示したものである。

0077

本発明は、ガスの熱伝導の変化からガス濃度を検出するガスセンサに好適であり、産業機器環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検出する用途に用いられる。

0078

1ガスセンサ
2 第1の感温抵抗素子
3 第2の感温抵抗素子
4発熱体
5リッド
6通気孔
7基板
8セラミックパッケージ
絶縁膜
10 発熱体保護膜
11薄膜サーミスタ電極
12 薄膜サーミスタ膜
13 薄膜サーミスタ保護膜
14キャビティ
15電極パッド
16ボンディングワイヤ
17 セラミックパッケージ電極
21ガス検出装置
22、23基準抵抗
24ボルテージフォロワ
25増幅器
26 A/D変換器
27 D/A変換器
28 MPU

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