JP2017166826A - Gas sensor - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor capable of accurately detecting the concentration of each component of a mixed gas by a single detection element.SOLUTION: A gas sensor includes: a detection element heated at a plurality of different temperatures; a variable resistor; a bridge circuit for performing output by using the detection element and the variable resistor; and a calculation processing device for calculating the concentration of gas from the output. The calculation processing device has such a function that output sensitivity of the bridge circuit relative to a resistance change of the detection element is adjusted by controlling the variable resistor according to the temperatures at which the detection element is heated.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明はガスセンサに関するものである。   The present invention relates to a gas sensor.

従来、ガスセンサの検知方式として接触燃焼式、半導体式、熱伝導式などが知られている。これらの方式は、いずれもヒータで加熱された検知素子の電気抵抗が検知対象ガスの存在によって変化することを利用してガス濃度を検知するものである。   Conventionally, a catalytic combustion type, a semiconductor type, a heat conduction type, and the like are known as a detection method of a gas sensor. In any of these methods, the gas concentration is detected by utilizing the fact that the electric resistance of the detection element heated by the heater changes depending on the presence of the detection target gas.

また、特許文献１には、異なる温度で発熱する測温体２個を有し、それぞれの水素濃度および湿度に応じた出力を換算することで、水素と水蒸気が混合した環境下でそれぞれの濃度を区別して検出する熱伝導式ガスセンサが開示されている。   Further, Patent Document 1 has two temperature measuring elements that generate heat at different temperatures, and by converting the output corresponding to each hydrogen concentration and humidity, each concentration in an environment where hydrogen and water vapor are mixed. A heat conduction type gas sensor that distinguishes and detects the above is disclosed.

特許第４０１６８１３号公報Japanese Patent No. 4016813

しかしながら、混合ガスのそれぞれの成分を検知するために異なる温度で加熱される複数の検知素子を備えたガスセンサは、検知素子が単一のガスセンサと比べ大型化および消費電力の増大をもたらす。   However, a gas sensor including a plurality of sensing elements that are heated at different temperatures to detect each component of the mixed gas results in an increase in size and power consumption compared to a single gas sensor.

また、単一の検知素子を異なる温度で加熱することにより同等の機能を実現する方法も考えられるが、通常こうしたガスセンサは検知対象ガスの濃度変化による検知素子の抵抗変化を電気的な出力に変換するために外部の抵抗器と接続したブリッジ回路を用いており、加熱温度の変化による検知素子の抵抗変化のために、検知対象ガスの濃度変化による検知素子の抵抗変化に対する出力感度が変化してしまって出力からガス濃度を算出する際の精度が悪化してしまうという問題がある。   In addition, it is possible to achieve a similar function by heating a single sensing element at different temperatures. Usually, such a gas sensor converts the change in resistance of the sensing element due to a change in the concentration of the gas to be detected into an electrical output. In order to achieve this, a bridge circuit connected to an external resistor is used. Due to the change in resistance of the sensing element due to changes in the heating temperature, the output sensitivity to the change in resistance of the sensing element due to changes in the concentration of the detection target gas changes There is a problem that accuracy in calculating the gas concentration from the output is deteriorated.

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、混合ガスのそれぞれの成分を高精度に検知でき、なおかつ小型で省消費電力のガスセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a gas sensor that can detect each component of a mixed gas with high accuracy and that is small in size and consumes less power.

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のガスセンサは、異なる複数の温度で加熱される検知素子と、可変抵抗器と、前記検知素子と前記可変抵抗器を用いて出力を行うブリッジ回路と、前記出力からガス濃度を算出する演算処理装置を備えたガスセンサであって、前記演算処理装置は、前記検知素子が加熱される温度に応じて前記可変抵抗器を制御することで、前記検知素子の抵抗変化に対する前記ブリッジ回路の出力感度を調整する機能を有していることを特徴とするガスセンサである。   In order to solve the above-mentioned problem, a gas sensor according to claim 1 of the present invention provides a detection element heated at a plurality of different temperatures, a variable resistor, and output using the detection element and the variable resistor. A gas sensor including a bridge circuit to perform and an arithmetic processing device for calculating a gas concentration from the output, wherein the arithmetic processing device controls the variable resistor in accordance with a temperature at which the detection element is heated. The gas sensor has a function of adjusting an output sensitivity of the bridge circuit with respect to a resistance change of the detection element.

本発明の請求項２に記載のガスセンサは、可変抵抗器としてサーミスタを用い、可変抵抗器の抵抗を調整するため可変抵抗器の加熱温度を制御している。また、本発明の請求項３に記載のガスセンサは、可変抵抗器として複数の固定抵抗器を接続したものを用い、複数の固定抵抗器の中から検知素子の加熱温度に対応したもののみをブリッジ回路に接続することで可変抵抗器の抵抗を制御している。   The gas sensor according to claim 2 of the present invention uses a thermistor as the variable resistor, and controls the heating temperature of the variable resistor in order to adjust the resistance of the variable resistor. Moreover, the gas sensor according to claim 3 of the present invention uses a variable resistor connected to a plurality of fixed resistors, and bridges only the one corresponding to the heating temperature of the sensing element from the plurality of fixed resistors. The resistance of the variable resistor is controlled by connecting to the circuit.

本発明の請求項４に記載のガスセンサは、検知素子がメンブレン構造を有する薄膜サーミスタであり、検知対象ガスの熱伝導の変化を測定することでガス濃度を算出する。   The gas sensor according to claim 4 of the present invention is a thin film thermistor in which the detection element has a membrane structure, and calculates a gas concentration by measuring a change in heat conduction of the detection target gas.

本発明の請求項５に記載のガスセンサは、検知素子がメンブレン構造を有する酸化スズ薄膜であり、前記検知素子が検知対象ガスと反応して酸素が脱離することで生じる前記検知素子の抵抗変化を測定することで検知対象ガスの濃度を算出する。     The gas sensor according to claim 5 of the present invention is a tin oxide thin film in which the sensing element has a membrane structure, and the resistance change of the sensing element caused by the reaction of the sensing element with the gas to be sensed and desorption of oxygen. Is measured to calculate the concentration of the detection target gas.

本発明の請求項６に記載のガスセンサは、検知素子が感熱層および触媒層からなり、加熱された触媒層上で検知対象ガスが酸化することにより生じた熱を感熱層で測定することで検知対象ガスの濃度を算出する。   In the gas sensor according to claim 6 of the present invention, the detection element includes a heat-sensitive layer and a catalyst layer, and the heat generated by oxidizing the detection target gas on the heated catalyst layer is detected by the heat-sensitive layer. Calculate the concentration of the target gas.

本発明により、単一の検知素子であっても複数のガスを高精度で検知できるようになり、従来の混合ガス用ガスセンサよりも小型で省消費電力のガスセンサとなる。   According to the present invention, a plurality of gases can be detected with high accuracy even with a single sensing element, and the gas sensor is smaller and consumes less power than a conventional mixed gas sensor.

本発明における実施形態１を説明するための断面構造図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram for explaining Embodiment 1 of the present invention. 本発明における実施形態１を説明するための回路構成図である。It is a circuit block diagram for demonstrating Embodiment 1 in this invention. 本発明における実施形態１の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating operation | movement of Embodiment 1 in this invention. 本発明における実施形態２を説明するための断面構造図である。It is sectional structure drawing for demonstrating Embodiment 2 in this invention. 本発明における実施形態２を説明するための回路構成図である。It is a circuit block diagram for demonstrating Embodiment 2 in this invention. 本発明における実施形態３を説明するための断面構造図であるIt is a cross-section figure for demonstrating Embodiment 3 in this invention.

（実施形態１）
図１は、実施形態１のガスセンサを説明するための断面構造図である。本実施形態によるガスセンサは、検知素子１および可変抵抗器２が同一の基板３上に形成されている。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram for explaining a gas sensor according to a first embodiment. In the gas sensor according to the present embodiment, the sensing element 1 and the variable resistor 2 are formed on the same substrate 3.

検知素子１は、絶縁膜４、マイクロヒータ５、マイクロヒータ保護膜６、薄膜サーミスタ７、薄膜サーミスタ電極８、薄膜サーミスタ保護膜９を備える。   The sensing element 1 includes an insulating film 4, a microheater 5, a microheater protective film 6, a thin film thermistor 7, a thin film thermistor electrode 8, and a thin film thermistor protective film 9.

可変抵抗器２は、薄膜サーミスタ電極８の間隔が異なる以外は検知素子１と同じ構成である。このような構成にすることで、検知素子１と可変抵抗器２を同一の工程で製造することができる。また、検知素子１と可変抵抗器２の特性が揃ったものを作ることができ、特性の揃ったものを組み合わせる選別工程もなくすことができる。   The variable resistor 2 has the same configuration as that of the sensing element 1 except that the distance between the thin film thermistor electrodes 8 is different. With this configuration, the sensing element 1 and the variable resistor 2 can be manufactured in the same process. In addition, it is possible to make a device having the same characteristics of the sensing element 1 and the variable resistor 2, and to eliminate the selection step of combining the devices having the same characteristics.

基板３としては、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。基板の表面および裏面には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの絶縁膜４が形成される。絶縁膜４として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜法を適用すればよい。膜厚は、絶縁膜４上に形成する膜と基板との絶縁がとれ、且つキャビティ１０を形成する際のエッチング停止層として機能すればよい。通常０．１〜１．０μｍ程度が好適である。   The substrate 3 is not particularly limited as long as it has a suitable mechanical strength and is suitable for fine processing such as etching. For example, a silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a glass substrate, or the like is suitable. An insulating film 4 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on the front and back surfaces of the substrate. In order to form a silicon oxide film as the insulating film 4, for example, a thermal oxidation method or a film formation method by CVD (Chemical Vapor Deposition) may be applied. The film thickness should just function as an etching stop layer when the film | membrane formed on the insulating film 4 and a board | substrate are insulated, and the cavity 10 is formed. Usually, about 0.1-1.0 micrometer is suitable.

基板３には、マイクロヒータ５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マイクロヒータ５の位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ１０を有している。このキャビティ１０により基板が取り除かれた部分はメンブレン１１と呼ばれる。メンブレン１１では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マイクロヒータ５を高温にすることができる。また、基板３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３への熱伝導が小さく、効率よくマイクロヒータ５を高温にすることができる。   The substrate 3 has a cavity 10 in which a part of the substrate is thinned corresponding to the position of the microheater 5 in order to suppress heat conduction to the substrate when the microheater 5 is operated at a high temperature. Yes. A portion where the substrate is removed by the cavity 10 is called a membrane 11. Since the heat capacity of the membrane 11 is reduced by the thickness of the substrate, the microheater 5 can be heated to a high temperature with very little power consumption. In addition, since the conduction path to the substrate 3 is a heat insulating structure formed by only a thin film portion having a thickness of several μm, the heat conduction to the substrate 3 is small, and the microheater 5 can be efficiently heated to a high temperature.

マイクロヒータ５の材質としては、薄膜サーミスタ７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。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、さらに耐腐食性が高い、Ｐｔなどがより好適である。また絶縁膜４との密着性を向上させるためにはＰｔの下部にはチタン(Ｔｉ)などの密着層を形成するのが好ましい。   The material of the microheater 5 is a metal layer made of a material having a relatively high melting point, which is a conductive substance that can withstand processes such as a film forming process and a heat treatment process of the thin film thermistor 7, for example, molybdenum (Mo), platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing any two or more thereof is preferable. Further, a conductive material capable of high-precision dry etching such as ion milling is preferable, and Pt or the like having higher corrosion resistance is more preferable. In order to improve the adhesion to the insulating film 4, it is preferable to form an adhesion layer such as titanium (Ti) under the Pt.

図１において、ガスによるマイクロヒータ５の温度検出用の感熱素子として、薄膜サーミスタ７が形成されている。薄膜サーミスタ７は薄膜サーミスタ電極８を備え、マイクロヒータ５を覆うように形成される。これによりマイクロヒータ５の温度を直接検出することができる。   In FIG. 1, a thin film thermistor 7 is formed as a thermal element for detecting the temperature of the microheater 5 by gas. The thin film thermistor 7 includes a thin film thermistor electrode 8 and is formed so as to cover the microheater 5. Thereby, the temperature of the micro heater 5 can be directly detected.

薄膜サーミスタ７を形成するサーミスタの材質としては、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スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成する。膜厚は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、素子の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。   As a material of the thermistor for forming the thin film thermistor 7, a material having a negative temperature resistance coefficient such as a composite metal oxide, amorphous silicon, polysilicon, germanium or the like is formed using a thin film process such as sputtering or CVD. The film thickness may be adjusted according to the target thermistor resistance value. For example, if the resistance value (R25) at room temperature is set to about 140 kΩ using MnNiCo-based oxide, the distance between the electrodes of the element is set. However, it may be set to a film thickness of about 0.2 to 1 μm.

なお、マイクロヒータ５の温度検出用の感熱素子としては薄膜サーミスタ７が好適である。まず、薄膜の積層構造であるために、マイクロヒータ５の発熱を直上にて直接検出することができる。また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいために、検出感度を大きくすることができるためである。   A thin film thermistor 7 is suitable as a thermal element for detecting the temperature of the microheater 5. First, because of the laminated structure of thin films, the heat generated by the microheater 5 can be directly detected. Moreover, since the resistance temperature coefficient is larger than that of a platinum temperature detector, the detection sensitivity can be increased.

薄膜サーミスタ７の電気信号を取り出す為に、薄膜サーミスタ電極８が形成される。薄膜サーミスタ電極８の材質としては、薄膜サーミスタ７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。 In order to take out the electrical signal of the thin film thermistor 7, a thin film thermistor electrode 8 is formed. The material of the thin film thermistor electrode 8 is a conductive material that can withstand processes such as the film forming process and heat treatment process of the thin film thermistor 7 and has a relatively high melting point, such as molybdenum (Mo), platinum (Pt), gold ( Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing any two or more thereof is preferable.

マイクロヒータ５及び絶縁膜４を覆うようにマイクロヒータ保護膜６が形成される。マイクロヒータ保護膜６としては、絶縁膜４と同じ材料であることが望ましい。マイクロヒータ５は数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。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。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、マイクロヒータ５の熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。マイクロヒータ保護膜６として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、マイクロヒータ５を確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みが良い。通常０．１〜３．０μｍ程度が好適である。   A microheater protective film 6 is formed so as to cover the microheater 5 and the insulating film 4. The microheater protective film 6 is preferably made of the same material as the insulating film 4. The microheater 5 is repeatedly subjected to thermal stress that rises to several hundred degrees and then drops to room temperature. Continuously receiving this thermal stress leads to destruction such as delamination and cracks. The same material has the same material characteristics, strong adhesion, and high mechanical strength compared to the case where different materials are laminated. For this reason, destruction can be prevented even against thermal stress of the microheater 5. For example, in order to form a silicon oxide film as the microheater protective film 6, a thermal oxidation method or a film formation method by CVD may be applied. The film thickness is good enough to cover the microheater 5 reliably and to provide interlayer insulation. Usually, about 0.1-3.0 micrometers is suitable.

また、薄膜サーミスタ７に、複合金属酸化物等を利用する場合においては、マイクロヒータ保護膜６は、絶縁性を有する酸化膜であることが望ましく、例えばシリコン酸化膜等が望ましい。マイクロヒータ保護膜６の上には薄膜サーミスタ７および薄膜サーミスタ電極８が形成される。マイクロヒータ保護膜６は、マイクロヒータ５の保護膜であると同時に、薄膜サーミスタ７の下地層でもあり、薄膜サーミスタ７と直接接触する。   Further, when a composite metal oxide or the like is used for the thin film thermistor 7, the microheater protective film 6 is preferably an insulating oxide film, for example, a silicon oxide film. A thin film thermistor 7 and a thin film thermistor electrode 8 are formed on the microheater protective film 6. The microheater protective film 6 is not only a protective film for the microheater 5 but also an underlayer for the thin film thermistor 7 and is in direct contact with the thin film thermistor 7.

一般的に、複合金属酸化物を利用したサーミスタは、高温で還元劣化があるためサーミスタ全体を耐還元材料でコーティングする方法が知られている。即ち、サーミスタを還元性を持つ材料と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。よって薄膜サーミスタ保護膜９においてもシリコン酸化膜等の絶縁性を有する酸化膜であることが望ましい。   In general, a thermistor using a composite metal oxide has a reduction deterioration at a high temperature. Therefore, a method of coating the whole thermistor with a reduction resistant material is known. That is, when the thermistor is brought into contact with a reducing material and brought to a high temperature state, oxygen is taken from the thermistor to cause reduction, which affects the thermistor characteristics. Therefore, the thin film thermistor protective film 9 is also desirably an insulating oxide film such as a silicon oxide film.

また、同様な理由により、薄膜サーミスタ電極８は薄膜サーミスタ７の基板側に形成されていることが望ましい。すなわち、マイクロヒータ５上に、絶縁層であるマイクロヒータ保護膜６を介して、薄膜サーミスタ電極８、薄膜サーミスタ７の順に積層し形成されている。つまり、薄膜サーミスタ電極８の上に薄膜サーミスタ７が形成される。一般的に、薄膜電極は、電極材料と下地との密着力を上げるために密着層が形成される。例えばクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）等が数ｎｍ程度の膜厚で形成される。薄膜サーミスタ７上に薄膜サーミスタ電極８が形成された場合、この密着層が直接薄膜サーミスタと接触し、サーミスタからの酸素を奪う等により酸化することで、界面抵抗が上昇し薄膜サーミスタ７の検出特性が変動してしまい好ましくない。   For the same reason, the thin film thermistor electrode 8 is desirably formed on the substrate side of the thin film thermistor 7. That is, the thin film thermistor electrode 8 and the thin film thermistor 7 are laminated on the microheater 5 in this order via the microheater protective film 6 that is an insulating layer. That is, the thin film thermistor 7 is formed on the thin film thermistor electrode 8. In general, in the thin film electrode, an adhesion layer is formed in order to increase the adhesion between the electrode material and the base. For example, chromium (Cr), titanium (Ti), or the like is formed with a film thickness of about several nm. When the thin film thermistor electrode 8 is formed on the thin film thermistor 7, the adhesion layer is in direct contact with the thin film thermistor and is oxidized by depriving oxygen from the thermistor. Fluctuates and is not preferable.

薄膜サーミスタ電極８、マイクロヒータ５はメンブレン１１の外で、電極パッド１２と接続される。電極パッド１２は、ワイヤーボンドなどで外部の回路と電気的接続され、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。   The thin film thermistor electrode 8 and the micro heater 5 are connected to the electrode pad 12 outside the membrane 11. The electrode pad 12 is electrically connected to an external circuit by wire bonding or the like, is formed of a material such as aluminum (Al) or gold (Au), and may be laminated as necessary.

続いて、図２および３を用いてガス検知の動作について説明する。まず、マイクロプロセッサ１６は、検知素子１のマイクロヒータ５にパルス電圧を印加する。パルス電圧は一定の間隔をあけて印加され、検知対象ガスが２種類ある場合はＶｍ１、Ｖｍ２の２つの異なる電圧を印加する。Ｖｍ１、Ｖｍ２はあらかじめ設定された電圧であり、乾燥空気雰囲気中において検知素子１の薄膜サーミスタ７を所定の加熱温度Ｔｍ１、Ｔｍ２に加熱するのに必要な電圧である。   Next, the gas detection operation will be described with reference to FIGS. First, the microprocessor 16 applies a pulse voltage to the micro heater 5 of the sensing element 1. The pulse voltage is applied at a constant interval, and when there are two types of detection target gases, two different voltages Vm1 and Vm2 are applied. Vm1 and Vm2 are preset voltages, and are voltages necessary for heating the thin film thermistor 7 of the sensing element 1 to predetermined heating temperatures Tm1 and Tm2 in a dry air atmosphere.

これと同時に、マイクロプロセッサ１６は、可変抵抗器２のマイクロヒータ５にもパルス電圧を印加する。検知対象ガスが２種類ある場合は検知素子１と同じくＶｃ１、Ｖｃ２の２つの異なる電圧が印加され、検知素子１にＶｍ１が印加されているタイミングではＶｃ１、検知素子１にＶｍ２が印加されているタイミングではＶｃ２と対応したパルス電圧が印加される。Ｖｃ１、Ｖｃ２はあらかじめ設定された電圧であり、可変抵抗器２の薄膜サーミスタ７を所定の加熱温度Ｔｃ１、Ｔｃ２に加熱するのに必要な電圧である。以上のそれぞれの印加電圧の関係を示したタイミング図が図３である。   At the same time, the microprocessor 16 applies a pulse voltage to the micro heater 5 of the variable resistor 2. When there are two types of detection target gases, two different voltages Vc1 and Vc2 are applied as in the detection element 1, and Vc1 and Vm2 are applied to the detection element 1 at the timing when Vm1 is applied to the detection element 1. At the timing, a pulse voltage corresponding to Vc2 is applied. Vc1 and Vc2 are preset voltages, and are voltages necessary for heating the thin film thermistor 7 of the variable resistor 2 to predetermined heating temperatures Tc1 and Tc2. FIG. 3 is a timing chart showing the relationship between the above applied voltages.

ここで、温度Ｔにおける検知素子１の薄膜サーミスタ７の抵抗値をＲｍ（Ｔ）、同じく温度Ｔにおける可変抵抗器２の薄膜サーミスタ７の抵抗値をＲｃ（Ｔ）と表すと、以下の関係を満たしている。
Ｒｍ（Ｔｍ１）＝Ｒｃ（Ｔｃ１）
Ｒｍ（Ｔｍ２）＝Ｒｃ（Ｔｃ２） Here, when the resistance value of the thin film thermistor 7 of the sensing element 1 at the temperature T is represented by Rm (T) and the resistance value of the thin film thermistor 7 of the variable resistor 2 at the temperature T is represented by Rc (T), the following relationship is obtained. Satisfies.
Rm (Tm1) = Rc (Tc1)
Rm (Tm2) = Rc (Tc2)

すなわち、検知素子１が乾燥空気雰囲気中にある時は、検知素子１の薄膜サーミスタ７と可変抵抗器２の薄膜サーミスタ７の抵抗値が等しくなり、ブリッジ回路の出力ＶｄがＶｃｃとグラウンドの中点となる。これにより、雰囲気の変化による検知素子１の薄膜サーミスタ７の抵抗値変化に対する出力Ｖｄの感度も一定となる。   That is, when the sensing element 1 is in a dry air atmosphere, the resistance values of the thin film thermistor 7 of the sensing element 1 and the thin film thermistor 7 of the variable resistor 2 are equal, and the output Vd of the bridge circuit is Vcc and the midpoint of the ground. It becomes. Thereby, the sensitivity of the output Vd with respect to the resistance value change of the thin film thermistor 7 of the sensing element 1 due to the change in atmosphere is also constant.

検知素子１と可変抵抗器２のそれぞれが加熱されているタイミングでブリッジ回路の出力Ｖｄを測定する。検知素子１にＶｍ１、可変抵抗器２にＶｃ１が印加されているタイミングの出力をＶｄ１、同じく検知素子１にＶｍ２、可変抵抗器２にＶｃ２が印加されているタイミングの出力をＶｄ２とする。出力Ｖｄ１、Ｖｄ２は雰囲気ガスの影響を含んだものである。ガスの熱伝導率はガスの種類、温度により異なるため、検知素子１の加熱制御温度が異なるとガスの検出感度もそれぞれ異なる。測定対象ガスが二酸化炭と水蒸気の２種類である場合、以下のような近似が成り立つ。
ａ（Ｔｍ１）Ｘ＋ｂ（Ｔｍ１）Ｙ＝Ｖｄ１
ａ（Ｔｍ２）Ｘ＋ｂ（Ｔｍ２）Ｙ＝Ｖｄ２
ここで、Ｘ、Ｙはそれぞれ二酸化炭素と水蒸気の濃度、ａ（Ｔ）、ｂ（Ｔ）はそれぞれ温度Ｔにおける二酸化炭素と水蒸気の検出感度とする。ａ（Ｔｍ１）、ｂ（Ｔｍ１）、ａ（Ｔｍ２）、ｂ（Ｔｍ２）はあらかじめマイクロプロセッサ１６に入力された定数であり、これらの定数と出力の値を用いて上記の連立方程式を解くことにより、二酸化炭素濃度Ｘ、水蒸気濃度Ｙを求めることができる。 The output Vd of the bridge circuit is measured at the timing when each of the detection element 1 and the variable resistor 2 is heated. An output at a timing when Vm1 is applied to the sensing element 1 and Vc1 is applied to the variable resistor 2 is Vd1, and an output at a timing when Vm2 is applied to the sensing element 1 and Vc2 is applied to the variable resistor 2 is Vd2. The outputs Vd1 and Vd2 include the influence of the atmospheric gas. Since the thermal conductivity of the gas varies depending on the type and temperature of the gas, the detection sensitivity of the gas varies depending on the heating control temperature of the sensing element 1. When the measurement target gas is two kinds of carbon dioxide and water vapor, the following approximation is established.
a (Tm1) X + b (Tm1) Y = Vd1
a (Tm2) X + b (Tm2) Y = Vd2
Here, X and Y are the carbon dioxide and water vapor concentrations, respectively, and a (T) and b (T) are the carbon dioxide and water vapor detection sensitivities at the temperature T, respectively. a (Tm1), b (Tm1), a (Tm2), and b (Tm2) are constants input to the microprocessor 16 in advance. By using these constants and output values, the above simultaneous equations are solved. Carbon dioxide concentration X and water vapor concentration Y can be obtained.

なお、上述したようにあらかじめ検知対象ガスのそれぞれの温度と検出感度を求めておく必要がある。二酸化炭素検出感度は、乾燥空気と二酸化炭素の混合ガス雰囲気中に本実施形態のガスセンサを入れ、二酸化炭素濃度と出力Ｖｄの関係から得る。また、水蒸気検出感度も同様に乾燥空気と水蒸気の混合ガス雰囲気中に本実施形態のガスセンサを入れて測定する。検知素子１の薄膜サーミスタ７の加熱温度Ｔｍを変えて測定することで温度と検出感度の関係を求めることができる。   As described above, it is necessary to obtain the temperature and detection sensitivity of each detection target gas in advance. The carbon dioxide detection sensitivity is obtained from the relationship between the carbon dioxide concentration and the output Vd when the gas sensor of the present embodiment is placed in a mixed gas atmosphere of dry air and carbon dioxide. Similarly, the water vapor detection sensitivity is measured by putting the gas sensor of this embodiment in a mixed gas atmosphere of dry air and water vapor. The relationship between temperature and detection sensitivity can be determined by changing the heating temperature Tm of the thin film thermistor 7 of the sensing element 1.

また、本実施形態では検知対象ガスを二酸化炭素と水蒸気の２種類としたが、検知可能なガスはこの２つに限るものではない。他の例を挙げると、水素やメタンといった空気と熱伝導率が十分異なるガスであれば同様の原理で検知可能である。   In this embodiment, the detection target gas is two types of carbon dioxide and water vapor, but the detectable gas is not limited to these two. As another example, a gas having a sufficiently different thermal conductivity from air such as hydrogen or methane can be detected by the same principle.

（実施形態２）
図４は、実施形態２のガスセンサを説明するための断面構造図である。以下、符号
は実施形態１と共通である。本実施形態によるガスセンサは、可変抵抗器２が外部の回路となっているため、基板３上には検知素子１のみが形成されている。検知素子１の構成は実施形態１と同様である。 (Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional structure diagram for explaining the gas sensor of the second embodiment. Hereinafter, the reference numerals are the same as those in the first embodiment. In the gas sensor according to the present embodiment, since the variable resistor 2 is an external circuit, only the detection element 1 is formed on the substrate 3. The configuration of the detection element 1 is the same as that of the first embodiment.

図５の回路構成図を用いてガス検知の動作について説明する。検知素子１のマイクロヒータ５は実施形態１と同様に２つの異なる電圧を印加され、薄膜サーミスタ７は２つの異なる温度Ｔｍ１、Ｔｍ２に加熱される。   The gas detection operation will be described with reference to the circuit configuration diagram of FIG. The micro heater 5 of the sensing element 1 is applied with two different voltages as in the first embodiment, and the thin film thermistor 7 is heated to two different temperatures Tm1, Tm2.

可変抵抗器２は、２個の固定抵抗器１７とスイッチング素子１８からなる。２個の固定抵抗器１７の抵抗は、それぞれＲｍ（Ｔｍ１）、Ｒｍ（Ｔｍ２）と等しい。マイクロプロセッサ１６はスイッチング素子１８を制御し、２個の固定抵抗器１７のうち、薄膜サーミスタ７の加熱温度に対応したものをブリッジ回路に接続する。   The variable resistor 2 includes two fixed resistors 17 and a switching element 18. The resistances of the two fixed resistors 17 are equal to Rm (Tm1) and Rm (Tm2), respectively. The microprocessor 16 controls the switching element 18 and connects the two fixed resistors 17 corresponding to the heating temperature of the thin film thermistor 7 to the bridge circuit.

これにより、検知素子１の駆動温度がＴｍ１の時とＴｍ２の時の場合のいずれも、雰囲気中に検知対象ガスが存在しない場合のブリッジ回路の出力ＶｄはＶｃｃとグラウンドの中点となり、検知素子１の薄膜サーミスタ７の抵抗変化に対する出力Ｖｄの変化も一定となる。   As a result, the output Vd of the bridge circuit when the detection target gas is not present in the atmosphere is the midpoint between Vcc and ground, regardless of whether the driving temperature of the detection element 1 is Tm1 or Tm2. The change of the output Vd with respect to the resistance change of the thin film thermistor 1 is also constant.

以降の測定動作は実施形態１と同様であり、それぞれの加熱温度に対するブリッジ回路の出力から測定対象ガスの濃度を算出する。   The subsequent measurement operation is the same as that of the first embodiment, and the concentration of the measurement target gas is calculated from the output of the bridge circuit for each heating temperature.

（実施形態３）
図６は、実施形態３のガスセンサを説明するための断面構造図である。実施形態１および２のガスセンサは、空気と検知対象ガスの熱伝導率の違いを利用して検知対象ガスの濃度を求める方式であるのに対し、本実施形態のガスセンサは、検知対象ガスがヒータで加熱された触媒層と接触酸化することにより生じた熱を感熱部で検知して検知対象ガスの濃度を求める方式である。検知素子の構成としては、表面に触媒層１９を備えている点が実施形態１および２の検知素子と異なる。可変抵抗器、ブリッジ回路、演算処理装置を含む他の部分については実施形態１または実施形態２と同様である。 (Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram for explaining the gas sensor according to the third embodiment. The gas sensor of the first and second embodiments is a method for obtaining the concentration of the detection target gas by utilizing the difference in thermal conductivity between air and the detection target gas, whereas the gas sensor of the present embodiment is configured such that the detection target gas is a heater. In this method, the heat generated by contact oxidation with the catalyst layer heated in step 1 is detected by the heat sensitive part to determine the concentration of the detection target gas. The configuration of the detection element is different from the detection elements of Embodiments 1 and 2 in that a catalyst layer 19 is provided on the surface. Other parts including the variable resistor, the bridge circuit, and the arithmetic processing unit are the same as those in the first or second embodiment.

触媒層１９の材質は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属からなる多孔質体、あるいはこれらの貴金属の粒子を担持した多孔質セラミックが好適である。   The material of the catalyst layer 19 is preferably a porous body made of a noble metal such as platinum (Pt) or palladium (Pd) or rhodium (Rh), or a porous ceramic carrying particles of these noble metals.

ガス検知の動作は実施形態１または２と同様である。ガス種により触媒層と接触酸化するのに必要なヒータ加熱温度が異なることを利用し、複数の温度で検知素子を加熱することでそれぞれのガス種の濃度を算出する。   The gas detection operation is the same as in the first or second embodiment. Utilizing the fact that the heater heating temperature necessary for contact oxidation with the catalyst layer differs depending on the gas type, the concentration of each gas type is calculated by heating the sensing element at a plurality of temperatures.

なお、本実施形態のガスセンサは実施形態１および２のガスセンサでは検知できない、熱伝導率が空気と近い一酸化炭素等が検知可能である。   In addition, the gas sensor of this embodiment can detect carbon monoxide or the like whose thermal conductivity is close to air, which cannot be detected by the gas sensors of Embodiments 1 and 2.

実施形態１に基づくガスセンサの出力特性を下記に示す。二酸化炭素１００００ｐｐｍ、水蒸気１５６００ｐｐｍ（２５℃、５０％ＲＨ相当）を混合した雰囲気下で、Ｔｍ１を７５℃、Ｔｍ２を１７５℃に設定して測定した。事前の測定による二酸化炭素の検出感度はＴｍ１で−０．２９９μＶ／ｐｐｍ、Ｔｍ２で−０．３７０μＶ／ｐｐｍとなり、水蒸気の検出感度はＴｍ１で０．０５８μＶ／ｐｐｍ、Ｔｍ２で０．３３３μＶ／ｐｐｍとなった。前記の雰囲気下における出力はＶｄ１が−１．６３８ｍＶ、Ｖｄ２が２．２０５ｍＶであった。   The output characteristics of the gas sensor based on Embodiment 1 are shown below. In an atmosphere in which 10000 ppm of carbon dioxide and 15600 ppm of water vapor (25 ° C., corresponding to 50% RH) were mixed, Tm 1 was set to 75 ° C. and Tm 2 was set to 175 ° C. for measurement. The carbon dioxide detection sensitivity based on prior measurements is -0.299 μV / ppm at Tm1, and -0.370 μV / ppm at Tm2, and the water vapor detection sensitivity is 0.058 μV / ppm at Tm1 and 0.333 μV / ppm at Tm2. became. The output under the above atmosphere was Vd1 of −1.638 mV and Vd2 of 2.205 mV.

以上を用いて連立方程式を立てると、次のようになる。
−０．２９９Ｘ＋０．０５８Ｙ＝−１６３８
−０．３７０Ｘ＋０．３３３Ｙ＝２２０５
この連立方程式を解くことにより、Ｘ＝８６２１ｐｐｍ、Ｙ＝１６２００ｐｐｍと求まった。 Using the above, the simultaneous equations are established as follows.
−0.299X + 0.058Y = −1638
−0.370X + 0.333Y = 2205
By solving these simultaneous equations, X = 8621 ppm and Y = 16200 ppm were obtained.

比較例として、前記実施例と同じ検知素子を用いて可変抵抗器２の抵抗値を制御せず固定して測定した場合の検出精度を以下に示す。前記実施例と同じく、測定雰囲気は二酸化炭素１００００ｐｐｍ、水蒸気１５６００ｐｐｍで、Ｔｍ１を７５℃、Ｔｍ２を１７５℃に設定して測定した。事前の測定による二酸化炭素の検出感度はＴｍ１で−０．０８２μＶ／ｐｐｍ、Ｔｍ２で−０．３７０μＶ／ｐｐｍとなり、水蒸気の検出感度はＴｍ１で０．０８８μＶ／ｐｐｍ、Ｔｍ２で０．３４１μＶ／ｐｐｍとなった。前記の雰囲気下における出力はＶｄ１が０．０２７ｍＶ、Ｖｄ２が３．３８４ｍＶであった。   As a comparative example, the detection accuracy in the case where measurement is performed with the resistance value of the variable resistor 2 fixed without using the same sensing element as in the above embodiment is shown below. As in the previous example, the measurement atmosphere was 10000 ppm carbon dioxide and 15600 ppm water vapor, and Tm1 was set to 75 ° C. and Tm2 was set to 175 ° C. for measurement. The carbon dioxide detection sensitivity based on prior measurements is -0.082 μV / ppm at Tm1, and -0.370 μV / ppm at Tm2, and the water vapor detection sensitivity is 0.088 μV / ppm at Tm1 and 0.341 μV / ppm at Tm2. became. The output under the above atmosphere was Vd1 of 0.027 mV and Vd2 of 3.384 mV.

以上を用いて連立方程式を立てると、次のようになる。
−０．０８２Ｘ＋０．０８８Ｙ＝２７
−０．３７０Ｘ＋０．３４１Ｙ＝３３８４
この連立方程式を解くと、Ｘ＝−６２７６３ｐｐｍ、Ｙ＝−５８１１７ｐｐｍとなる。この測定方法では全くガスセンサの用をなしていないことがわかる。 Using the above, the simultaneous equations are established as follows.
-0.082X + 0.088Y = 27
-0.370X + 0.341Y = 3384
Solving these simultaneous equations yields X = −62763 ppm and Y = −58117 ppm. It can be seen that this measurement method does not use a gas sensor at all.

１ 検知素子
２ 可変抵抗器
３ 基板
４ 絶縁膜
５ マイクロヒータ
６ マイクロヒータ保護膜
７ 薄膜サーミスタ
８ 薄膜サーミスタ電極
９ 薄膜サーミスタ保護膜
１０ キャビティ
１１ メンブレン
１２ 電極パッド
１３ アナログデジタルコンバータ
１４ 増幅回路
１５ デジタルアナログコンバータ
１６ マイクロプロセッサ
１７ 固定抵抗器
１８ スイッチング素子
１９ 触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensing element 2 Variable resistor 3 Substrate 4 Insulating film 5 Micro heater 6 Micro heater protective film 7 Thin film thermistor 8 Thin film thermistor electrode 9 Thin film thermistor protective film 10 Cavity 11 Membrane 12 Electrode pad 13 Analog digital converter 14 Amplifying circuit 15 Digital analog converter 16 Microprocessor 17 Fixed resistor 18 Switching element 19 Catalyst layer

Claims (6)

異なる複数の温度で加熱される検知素子と、可変抵抗器と、前記検知素子と前記可変抵抗器を用いて出力を行うブリッジ回路と、前記出力からガス濃度を算出する演算処理装置を備えたガスセンサであって、前記演算処理装置は、前記検知素子が加熱される温度に応じて前記可変抵抗器を制御することで、前記検知素子の抵抗変化に対する前記ブリッジ回路の出力感度を調整する機能を有していることを特徴とするガスセンサ。   A gas sensor comprising a sensing element heated at a plurality of different temperatures, a variable resistor, a bridge circuit that performs output using the sensing element and the variable resistor, and an arithmetic processing unit that calculates a gas concentration from the output The arithmetic processing unit has a function of adjusting the output sensitivity of the bridge circuit with respect to a resistance change of the detection element by controlling the variable resistor according to a temperature at which the detection element is heated. A gas sensor characterized by 前記可変抵抗器は異なる複数の温度で加熱されるサーミスタであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 1, wherein the variable resistor is a thermistor heated at a plurality of different temperatures. 前記可変抵抗器は複数の固定抵抗器からなり、前記演算処理装置は、前記複数の固定抵抗器のうち前記検知素子が加熱される温度に対応したものを前記ブリッジ回路に接続するよう前記可変抵抗を制御する機能を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。   The variable resistor includes a plurality of fixed resistors, and the arithmetic processing unit is configured to connect the variable resistor corresponding to a temperature at which the detection element is heated among the plurality of fixed resistors to the bridge circuit. The gas sensor according to claim 1, which has a function of controlling the gas. 前記検知素子はメンブレン構造を有する薄膜サーミスタであり、検知対象ガスの熱伝導の変化を測定することでガス濃度を算出することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the detection element is a thin film thermistor having a membrane structure, and calculates a gas concentration by measuring a change in heat conduction of a detection target gas. . 前記検知素子はメンブレン構造を有する酸化スズ薄膜であり、前記検知素子が検知対象ガスと反応して酸素が脱離することで生じる前記検知素子の抵抗変化を測定することで検知対象ガスの濃度を算出することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載のガスセンサ。   The sensing element is a tin oxide thin film having a membrane structure, and the concentration of the detection target gas is determined by measuring a resistance change of the detection element caused by oxygen desorption when the detection element reacts with the detection target gas. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is calculated. 前記検知素子は感熱層および触媒層からなり、加熱された触媒層上で検知対象ガスが酸化することにより生じた熱を感熱層で測定することで検知対象ガスの濃度を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載のガスセンサ。   The detection element includes a heat sensitive layer and a catalyst layer, and the concentration of the detection target gas is calculated by measuring heat generated by oxidation of the detection target gas on the heated catalyst layer. The gas sensor according to any one of claims 1 to 3.

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