JP2022129947A

JP2022129947A - 熱式センサ

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Publication number: JP2022129947A
Application number: JP2021028838A
Authority: JP
Inventors: 慎也中川; Shinya Nakagawa
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: JP7509054B2

Abstract

【課題】通電によって発熱する抵抗における抵抗値が、繰り返し発熱に起因して増加した場合でも、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制し、測定装置としての測定精度の低下を抑制できる熱式センサを提供する。【解決手段】熱式センサは、電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗を備えており、複数の抵抗は、薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第１抵抗と、抵抗値の経時的変化の態様または、電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、第１抵抗とは異なる第２抵抗と、を含む事を特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、熱式センサに関する。

従来、長期にわたって高精度な温度補償が行え、また、回路の簡略化が可能なフローセンサが提案されていた。該フローセンサは、電流を流すことによって発熱するヒータ（３）と、そのヒータの近傍に配置した温度センサ（４ａ，４ｂ）と、周囲温度を測定する測温抵抗体（５）と、発熱抵抗体に流す電流を制御する制御回路を備え、流体の流量または流速に応じて変化する、ヒータからの熱による温度分布の状態を温度センサにより検出する。制御回路は、測温抵抗体と第１固定抵抗（８ａ）を直列に接続した第１の分岐と、発熱抵抗体と第２固定抵抗（８ｂ）を直列に接続した第２の分岐を並列に接続したブリッジ回路を備え、そのブリッジ回路は、同一の半導体基板（１）上に形成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、発熱用抵抗（２）と温度補償用抵抗（３）として絶縁基板（５）面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、流体の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制できる流量センサ（１）も提案されていた。該流量センサは、発熱用抵抗と温度補償用抵抗における信号を処理する信号処理部を有しており、発熱用抵抗は樹脂製の絶縁基板の表面（５ａ）上に配置されるチップ抵抗器であって、温度補償用抵抗は絶縁基板の裏面（５ｂ）上に配置されるチップ抵抗器である。発熱用抵抗の絶縁基板を経由する放熱の経路には温度補償用抵抗が配置されており、絶縁基板は発熱用抵抗と流体との接触機会よりも、温度補償用抵抗と流体との接触機会を少なくしている（例えば、特許文献２参照）。

上記２件の発明においては、通電によって発熱する抵抗における抵抗値が経時的に増加し、これにより、抵抗への通電による発熱量が徐々に変化する場合があった。その結果、測定装置としての精度が低下する場合があった。

特開２００２－３１０７６２号公報特開２０１７－０６７７２４号公報特開２０１１－１７４８１４号公報

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、通電によって発熱する抵抗（以下、「ヒータ抵抗」とも記載する。）における抵抗値が、繰り返し発熱に起因して増加した場合でも、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制し、測定装置としての測定精度の低下を抑制できる熱式センサを提供することを最終的な目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第１抵抗と、
抵抗値の経時的増加の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第１抵抗とは異なる第２抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサである。

本発明によれば、繰り返し発熱することにより、第１抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第２抵抗の存在によって、第１抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。そうすると、このことによる第１抵抗の発熱量の変化を抑制できる。その結果、熱式センサの測定精度の劣化も抑制できる。例えば、第１抵抗のみの抵抗を備える熱式センサを用いて雰囲気ガスのガス組成を測定する場合、第１抵抗の抵抗値の増加に伴って発熱量が減少し、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じるため、測定値に補正が必要となる。これに対し、第２抵抗を付加して第１抵抗における発熱量の減少を抑制することで、測定値の補正が不要となる。

また、本発明においては、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置された第１抵抗と、
前記薄膜部または前記基板における前記第１抵抗の近傍に配置され、前記第１抵抗における抵抗値の1倍以上１．５倍以下の抵抗値を有する第２抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによっても、繰り返し発熱することにより、第１抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第２抵抗の存在によって、第１抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。

また、本発明においては、前記温度検出器は、前記薄膜部において、一対が対向して配置される二つ以上のサーモパイルであり、前記第１抵抗は、前記薄膜部において一対の前記サーモパイルの間に設置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、抵抗の周囲における温度を精度良く検出することができる。

また、本発明においては、前記第２抵抗は、前記第１抵抗と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第２抵抗において発生した熱は、第１抵抗において発生した熱と比較して拡散しやすく、第２抵抗における抵抗値の経時的変化を抑制できる。なお、高い放熱性を有する箇所とは、例えば熱伝導性の高い基板上である。

また、本発明においては、前記第１抵抗における初期抵抗値は、前記第２抵抗における前記初期抵抗値と同等であることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第１抵抗と同一部品にて第２抵抗を構成でき、部品コストや部品管理コストを低減できる。また、第２抵抗を付加した場合における、第１抵抗の抵抗値の変化による発熱量の変化の算出式を簡易化することができ、管理・設計負荷を低減することが可能となる。

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第２抵抗は、前記基板上に
おいて、前記第１抵抗と直列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第１抵抗における抵抗値が経時的に増加した場合に、第２抵抗における抵抗値は変わらないことから第１抵抗における分圧が増加する。このことにより、第１抵抗における発熱量の減少を抑制できる。

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第２抵抗は、前記基板上において、前記第１抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第１抵抗における抵抗値が経時的に増加した際に、第２抵抗における抵抗値は変わらないことから第１抵抗に流れる電流が減少する。このことにより、第１抵抗における発熱量の増加を抑制できる。

また、本発明においては、前記第１抵抗には定電圧源から電力を供給し、前記第２抵抗には定電流源から電力を供給し、前記第２抵抗は、前記薄膜部上において一対の前記サーモパイルの間に設置され、前記第１抵抗と前記第２抵抗は、互いに独立して並列に配置されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、二つの抵抗におけるそれぞれの抵抗値はともに経時的に変化するが、それぞれの抵抗値における発熱量は互いに逆方向に経時的に変化する。この逆方向の変化による打ち消し合いの効果により、両方の抵抗を合わせた発熱量の経時的な変化は抑制される。

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第２抵抗は、薄膜部において前記第１抵抗と直列に接続されており、電流を流すことで前記第２抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第１抵抗と第２抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第１抵抗及び第２抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第２抵抗は、薄膜部において前記第１抵抗と並列に接続されており、電流を流すことで前記第２抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第１抵抗と第２抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第１抵抗及び第２抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。第２抵抗が第１抵抗に対して並列に接続される配置で、定電流を印加する場合と、第２抵抗が第１抵抗に対して直列に接続される配置で、定電圧を印加する場合とで、同様の効果が得られる。

なお、上記の課題を解決するための手段は、可能な限り互いに組み合わせて用いることができる。

本発明によれば、ヒータ抵抗における抵抗値が増加した際に、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制できる。その結果、ヒータ抵抗の寿命が延び、本発明における熱式センサの測定装置としての測定精度の低下を抑制できる。

従来の熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す模式的な図である。実施例１における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成を示すブロック図である。熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。変形例１における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。変形例２における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。変形例３における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。

〔適用例〕
本適用例においては、熱式センサが熱式ガスセンサである場合について説明する。本適用例に係る熱式ガスセンサは、電流を流すことによって発熱する抵抗であるヒータ抵抗に対して付加的に補償抵抗が配置された構成を有する。すなわち、複数の抵抗を備える。

図２は、本発明が適用可能な熱式ガスセンサ１を構成するセンサ素子２の一例を示す平面図である。センサ素子２は、ヒータ抵抗３と、ヒータ抵抗３を挟んで対称に設けられたサーモパイル（温度検出部）４と、ヒータ抵抗３と同様に電流を流すことによって発熱し、ヒータ抵抗３に対して直列に接続された補償抵抗１３とを備える。なお、図２では二つのサーモパイル４を示しているが、サーモパイル４は二つ以上であればその数に限定はない。ヒータ抵抗３は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。サーモパイル４の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形である。ヒータ抵抗３及びサーモパイル４及び補償抵抗１３は、シリコン基板６上に形成された絶縁薄膜５内に設けられている。

図２では簡略化して示しているが、サーモパイル４はそれぞれ、複数の熱電対７（図１（ｂ）参照）が絶縁薄膜５内に所定の間隔で並んで配置されることで構成されている。このうち、ヒータ抵抗３と同じ側で接続されている箇所が温接点８（図１（ｂ）参照）であり、ヒータ抵抗３と反対側で接続されている箇所が冷接点９（図１（ｂ）参照）である。

また、絶縁薄膜５における、ヒータ抵抗３及びサーモパイル４の下方のシリコン基板６には、凹部であるキャビティエリア１０が設けられている。なお、キャビティエリア１０に係る断面図は図１（ｂ）に示す。ここで、ヒータ抵抗３はキャビティエリア１０の開口を横断するように配置されているのに対し、補償抵抗１３はシリコン基板６上に接して配置されている。よって、ヒータ抵抗３においてキャビティエリア１０に放出する発熱と比較して、補償抵抗１３における発熱はシリコン基板６を伝達して速やかに拡散する。すなわち、補償抵抗１３は、ヒータ抵抗３と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。

定電圧源１１は、センサ素子２の外部に配置されており、ヒータ抵抗３及び補償抵抗１３に導電する電極１２に導線が接続されている。定電圧源１１からセンサ素子２に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗３及び補償抵抗１３が発熱する。ここで、ヒータ抵抗３は、キャビティ１０上の絶縁薄膜５内に配置されており、比較的放熱性が低い状態であるに対し、補償抵抗１３は、シリコン基板6上の絶縁薄膜５内に配置されており、放熱性が高い状
態となっている。換言すると、補償抵抗１３はヒータ抵抗３と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。よって、定電圧源１１からの通電により、ヒータ抵抗３の温度は上昇するが、補償抵抗１３はヒータ抵抗３のように温度が上昇しない。その結果、定電圧源１１からの繰り返しの通電により、ヒータ抵抗３の抵抗値は経時的に増加する。一方、補償抵抗１３の抵抗値は、経時的には殆ど変化しない。

本適用例に係る熱式ガスセンサは、ヒータ抵抗３に対して付加的に補償抵抗１３を配置することで、ヒータ抵抗３における抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗３におけ
る発熱量の減少を抑制する機能を有する。詳細は後述する（実施例１の式（２）参照）。

〔実施例１〕
以下、本発明の実施例１に係る熱式センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明を熱式ガスセンサに適用した例について説明するが、本発明を酸素濃縮器やガスフローメーター等、他の装置に適用しても構わない。なお、本発明に係る熱式ガスセンサは、以下の構成に限定する趣旨のものではない。

＜装置構成＞
図１は、従来の熱式ガスセンサ１を構成するセンサ素子２の一例を示す模式的な図である。図１（ａ）は従来の熱式ガスセンサ１を構成するセンサ素子２の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面Ｘ－Ｘに係る断面図である。熱式ガスセンサ１は一種のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）であり、例えば雰囲気ガスのガス組成（濃度比率）の測定に用いられる。

従来の熱式ガスセンサ１は、ヒータ抵抗３以外に抵抗を備えていない。センサ素子２は、ヒータ抵抗３と、ヒータ抵抗３を挟んで対称に設けられたサーモパイル４とを備える。ヒータ抵抗３及びサーモパイル４は、絶縁薄膜５内に形成され、絶縁薄膜５はシリコン基板６上に設けられている。ここで、ヒータ抵抗３は、本発明における第１抵抗に相当する。また、絶縁薄膜５、及びシリコン基板６はそれぞれ、本発明における薄膜部、及び基板に相当する。

図１（ｂ）に示すように、サーモパイル４を構成する熱電対７は、温接点８がヒータ抵抗３における発熱を感知すると、ゼーベック効果により、冷接点９との温度差によって起電力が生じる。温接点８はキャビティエリア１０の上部に並んで位置し、冷接点９はシリコン基板６におけるキャビティエリア１０以外の領域に位置する。ヒータ抵抗３において発生した熱は、キャビティエリア１０に放出されるため、シリコン基板６への熱の拡散は抑制される。よって、シリコン基板６におけるキャビティエリア１０以外の領域に位置する冷接点９の温度はほとんど増加せず、ヒータ抵抗３の周囲に位置する温接点８との温度差がより生じやすい。

定電圧源１１から電極１２を介してセンサ素子２に定電圧を印加することで、ヒータ抵抗３が発熱する。ヒータ抵抗３において発生した熱の温度をサーモパイル４で測定することで、センサ素子２に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定できる。

熱伝導率はガスの種類によって固有の値であるため、センサ素子２に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスのガス組成を測定できる。例えば雰囲気ガスが空気である場合は、空気中の酸素濃度を測定することも可能である。しかし、ヒータ抵抗３における発熱量が常に一定でないと、熱式ガスセンサ１の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じる。

フローメータ―の場合は、雰囲気ガスは図１（ｂ）におけるヒータ抵抗３及び一対の熱電対７の並びに沿って流れる。ヒータ抵抗３とサーモパイル４の各々の長手方向は、雰囲気ガスの流れ方向と直交する。よって、雰囲気ガスがセンサ素子２に流入すると、ヒータ抵抗３の熱は、ヒータ抵抗３を中心として対称に拡散せず、雰囲気ガスが流れる方向に沿って非対称に拡散する。その際に、ヒータ抵抗３の両側における温接点８の間に温度差が生じる。そして、当該温度差に比例してサーモパイル４から出力電圧が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル４の起電力に基づいて検出できる。この場合もヒータ抵抗３における発熱量が常に一定でないと、フローメータ―の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの流量に測定誤差が生じる。

定電圧源１１からセンサ素子２に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗３における抵抗値は、ヒータ抵抗３の発熱の繰り返しによって経時的に増加し、ヒータ抵抗３における電力は減少するといった不都合が考えられた。ここで、仮に、ヒータ抵抗３における初期抵抗値Ｒｈが経時的に増加してａ倍（ａ＞１）になった時をヒータ抵抗３の寿命と定義する。このとき、ヒータ抵抗３における初期の電力をＷ_０、寿命に達した時の電力をＷ_１とすると、Ｗ_０とＷ_１の比率は次のような式（１）で表される。

なお、Ｖは定電圧源１１の電圧値である。

ここで、図２の説明に戻る。上述の通り、定電圧源１１からセンサ素子２に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗３における抵抗値は経時的に増加するのに対し、補償抵抗１３における抵抗値はほとんど増加しない。熱式ガスセンサ１を用いて繰り返し熱伝導率を測定する場合を考えた際に、補償抵抗１３における抵抗値の増加率は、ヒータ抵抗３における抵抗値の増加率と比較して極端に小さいため、定電圧を印加しても補償抵抗１３における抵抗値は変わらないと考えてよい。そうすると、繰り返し熱伝導率を測定した場合に、ヒータ抵抗３における抵抗値が経時的に増加すると同時に、ヒータ抵抗３の両端の分圧が増加する。したがって、ヒータ抵抗３における電力（発熱量と略等価である）の減少は抑制される。このとき、式（１）と同様に、Ｗ_０とＷ_１の比率は次のような式（２）で表される。

ここで、Ｒｈ＝Ｒ１とすると、ａ＞１より、式（２）におけるＷ_１／Ｗ_０の値は、式（１）におけるＷ_１／Ｗ_０の値より大きい。すなわち、ヒータ抵抗３に対して付加的に補償抵抗１３を配置することで、ヒータ抵抗３における抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗３における電力の減少を抑制できる。ここで、補償抵抗１３は、本発明における第２抵抗に相当する。

また、式（２）において、電力がＷ_０からＷ_１に減少する際の、減少率を小さくするための補償抵抗１３の抵抗値について考える。Ｗ_０からＷ_１への減少率が０である場合、すなわちＷ_１／Ｗ_０の値が１である場合、Ｗ_０からＷ_１への減少率は最小である。このとき、補償抵抗１３の抵抗値Ｒ１をｋＲｈとすると、次のような式（３）が成立する。

Ｗ_１／Ｗ_０の値を１とするｋとして、第３行目のようなｋが求まる。すなわち、ヒータ抵抗３における初期抵抗値Ｒｈが経時的に増加してａ倍になった時をヒータ抵抗３の寿命とすると、補償抵抗１３における初期抵抗値Ｒ１をヒータ抵抗３における初期抵抗値Ｒｈの√ａ倍とすることで、ヒータ抵抗３における電力の減少率を最小に抑制することができる。その結果、ヒータ抵抗３の寿命を延ばすことができる。なお、√ａの値は、例えば１以上１．５以下としてもよい。

図３は、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサ１の機能構成を示すブロック図である。熱式ガスセンサ１は、制御部１４と、それぞれ無線または有線で制御部１４に接続されている、入力部１５及び計測部１６及び記憶部１７及び出力部１８とを備えている。

制御部１４には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が含まれ、例えばガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報が蓄積されている。上述通り、センサ素子２に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定し、ガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報に基づいて雰囲気ガスのガス組成を測定できる。

入力部１５には、例えば測定対象のガスに含まれるガスの種類を予め入力する機能が備えられる。これにより、センサ素子２に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスにおける、入力した各々のガスのガス組成を測定することができる。

測定部１６には、ガス流路（不図示）やヒータ抵抗３や補償抵抗１３やサーモパイル４等が含まれ、例えばヒータ抵抗３の電力やヒータ抵抗３における発熱の温度等のパラメーターの測定を行う。測定されたパラメーターは記憶部１７に蓄積される。

制御部１４において、測定部１６におけるサーモパイル４の出力と、記憶部１７に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する。測定されたガス組成は、出力部１８に表示される。出力部１８は、例えば液晶モニターである。

図４は、熱式ガスセンサ１による、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。以下、図４を用いて処理の流れについて説明する。本フローチャートでは、まず、熱式ガスセンサ１を構成するセンサ素子２に、入力部１５においてガスの種類を特定した雰囲気ガスを流入する（Ｓ１０１）。フローメータ―の場合は、図２におけるサーモパイル４の短手方向に沿ってヒータ抵抗３に対して流入する。ヒータ抵抗３に対して流入した雰囲気ガスは、ヒータ抵抗３における発熱によって加熱される（Ｓ１０２）。なお、本実施例では、定電圧源１１からセンサ素子２に定電圧を印加することでヒ
ータ抵抗３が発熱するが、ヒータ抵抗３と補償抵抗１３の接続の態様によっては、定電流を駆動する場合もある。次に、制御部１４において、サーモパイル４の出力と、記憶部１７に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する（Ｓ１０３）。測定した雰囲気ガスのガス組成のパラメーターは新たに記憶部１７に蓄積される。最後に、出力部１８に雰囲気ガスのガス組成が表示される（Ｓ１０４）。これによれば、例えば雰囲気ガスにおける特定のガスの純度を把握できる。

なお、以下の変形例において、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成、及び熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理については、実施例１と同様に、図３及び図４に示す通りである。

〔変形例１〕
次に、本発明の変形例１について説明する。図５は、変形例１における熱式ガスセンサ１ａを構成するセンサ素子２ａの一例を示す平面図である。実施例１に対する変形例１の相違点は、補償抵抗１３ａがヒータ抵抗３ａに対して並列に接続される点、及び電源として定電流源１９を用いて、定電流源１９から電極１２ａを介してセンサ素子２ａに定電流を印加する点である。定電流を印加する場合は、補償抵抗１３ａがヒータ抵抗３ａに対して並列に接続されることで、実施例１と同様の効果が得られる。すなわち、ヒータ抵抗３ａにおける抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗３ａにおける電力の減少を抑制する効果が得られる。

ここで、ヒータ抵抗３ａにおける初期抵抗値Ｒｈが経時的に増加してａ倍（ａ＞１）になった時をヒータ抵抗３ａの寿命と定義する。このとき、補償抵抗１３ａにおける初期抵抗値をＲ１、ヒータ抵抗３ａにおける初期の電力をＷ_０、寿命に達した時の電力をＷ_１とすると、Ｗ_０とＷ_１の比率は次のような式（４）で表される。

なお、Ｉは定電流源１９の電流値である。また、Ｒｈ＝Ｒ１である。ここで、同条件下で式（４）におけるＷ_１／Ｗ_０の値は、式（２）におけるＷ_１／Ｗ_０の値と等しい。よって、センサ素子２ａにおいて、補償抵抗１３ａがヒータ抵抗３ａに対して並列に接続される配置で、センサ素子２ａに定電流を印加する場合と、補償抵抗１３ａがヒータ抵抗３ａに対して直列に接続される配置で、センサ素子２ａに定電圧を印加する場合とで、同様の効果が得られる。

〔変形例２〕
次に、本発明の変形例２について説明する。図６は、変形例２における熱式ガスセンサ１ｂを構成するセンサ素子２ｂの一例を示す平面図である。実施例１に対する変形例２の相違点は、ヒータ抵抗３ｂと補償抵抗１３ｂが互いに独立して並列に配置されており、ヒータ抵抗３ｂと同様に、補償抵抗１３ｂも一対のサーモパイル４ｂの間においてキャビティエリア１０ｂの開口を横断するように配置されている点、及び二つの電源がセンサ素子２ｂの外部に配置されており、定電圧源１１ｂはヒータ抵抗３ｂに導電する電極１２ｂに
導線が接続されており、定電流源１９ｂは補償抵抗１３ｂに導電する電極１２ｂに導線が接続されている点である。ヒータ抵抗３ｂ及び補償抵抗１３ｂが発熱する際には、初期の時点で二つの抵抗においてそれぞれ同値の電力が生じるように、定電圧及び定電流をセンサ素子２ｂに印加する。このとき、二つの抵抗における抵抗値はそれぞれ経時的に増加するが、電力はそれぞれ逆方向に変化するので、打ち消し合って抵抗値の増加を抑制する効果が得られる。具体的には、定電圧が印可されるヒータ抵抗３ｂにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、ヒータ抵抗３ｂにおける電力は経時的に減少するのに対し、定電流が印可される補償抵抗１３ｂにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、補償抵抗１３ｂにおける電力は経時的に増加する。

ここで、ヒータ抵抗３ｂにおける初期抵抗値Ｒｈ、及び補償抵抗１３ｂにおける初期抵抗値Ｒ１が経時的に増加してａ倍（ａ＞１）になった時をヒータ抵抗３ｂ及び補償抵抗１３ｂの寿命と定義する。このとき、ヒータ抵抗３ｂ及び補償抵抗１３ｂにおける初期の電力の合計をＷ_０、寿命に達した時の電力の合計をＷ_１とすると、Ｗ_０とＷ_１の比率は次のような式（５）で表される。

なお、Ｖは定電圧源１１ｂの電圧値であり、Ｉは定電流源１９ｂの電流値である。また、Ｒｈ＝Ｒ１である。ここで、同条件下で式（５）におけるＷ_１／Ｗ_０の値は、式（１）におけるＷ_１／Ｗ_０の値より大きいので、変形例２の構成によっても、充分に、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制することが可能である。

〔変形例３〕
次に、本発明の変形例３について説明する。図７は、変形例３における熱式ガスセンサ１ｃを構成するセンサ素子２ｃの一例を示す平面図である。実施例１に対する変形例３の相違点は、センサ素子２ｃにおいて、ヒータ抵抗３ｃが配置されているキャビティエリア１０ｃと別に、補償抵抗１３ｃがキャビティエリア１００ｃの開口を横断するように配置されている点、及び発熱によってヒータ抵抗３ｃにおける抵抗値が経時的に増加するのに対し、補償抵抗１３ｃにおける抵抗値が経時的に減少する点である。

ここで、ヒータ抵抗３ｃにおける初期抵抗値Ｒｈの増加速度をα（α＞１）、補償抵抗１３ｃにおける初期抵抗値Ｒ１の減少速度をβ（０＜β＜１）とする。ヒータ抵抗３ｃ及び補償抵抗１３ｃにおける電力の経時変化しない条件は次のような式（６）の第１行目で表される。

ここで、Ｒｈ＝Ｒ１とすると、第２行目が成立する。結果として、第３行目に示すように、β＝２√α－αのとき、ヒータ抵抗３ｃ及び補償抵抗１３ｃにおける電力は経時変化しないことが分かる。また、キャビティエリア１００ｃの開口サイズを調整し、定電圧源１１ｃからセンサ素子２ｃに定電圧を印加することにより、式（６）を成立させることが可能である。

なお、変形例３においては、定電圧源１１ｃを用いて定電圧を印加する代わりに定電流源１９ｃ（不図示）を用いて定電流を印加する場合、補償抵抗１３ｃをヒータ抵抗３ｃに対して並列に接続することで同様の効果が得られる。すなわち、β＝２√α－αが成立する場合に、ヒータ抵抗３ｃ及び補償抵抗１３ｃにおける電力は経時変化せず、また、キャビティエリア１００ｃの開口サイズを調整し、定電圧源１１ｃからセンサ素子２ｃに定電流を印加することにより、式（６）を成立させることが可能である。

また、上記の実施例及び変形例では、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に増加する場合について説明した。しかし、本発明の技術思想は、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に減少する場合にも適用可能である。上記の実施例及び変形例と同等の構成を付加することで、発熱量の経時的増加または減少を抑制することができる。

なお、上記の実施例においては、温度検出器としてサーモパイル４を用いたサーモパイル型センサを例にとって説明したが、本発明が適用されるセンサは、サーモパイル型センサに限られない。例えば、サーモパイル以外の温度センサを有するセンサや、サーモパイルを備えず、ヒータに電力供給してヒータの温度を上昇させ、ヒータ自体の抵抗値の変化によって温度を検知するガスセンサなどに適用することが可能である。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
電源（１１、１１ｂ、１１ｃ、１９、１９ｂ、１９ｃ）からの電力供給により発熱する複数の抵抗（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と、
表面にキャビティエリア（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１００ｃ）の開口部を有する基板（６）と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を
検出する温度検出器（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）と、
を備える熱式センサ（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）であって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第１抵抗（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）と、
抵抗値の経時的変化の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第１抵抗とは異なる第２抵抗（１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。

１：熱式ガスセンサ
２：センサ素子
３：ヒータ抵抗
４：サーモパイル
５：絶縁薄膜
６：シリコン基板
７：熱電対
８：温接点
９：冷接点
１０：キャビティエリア
１１：定電圧源
１２：電極
１３：補償抵抗
１４：制御部
１５：入力部
１６：測定部
１７：記憶部
１８：出力部
１９：定電流源

Claims

電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第１抵抗と、
抵抗値の経時的変化の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第１抵抗とは異なる第２抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置された第１抵抗と、
前記薄膜部または前記基板における前記第１抵抗の近傍に配置され、前記第１抵抗における抵抗値の1倍以上１．５倍以下の抵抗値を有する第２抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
前記温度検出器は、
前記薄膜部において、一対が対向して配置される二つ以上のサーモパイルであり、
前記第１抵抗は、前記薄膜部において一対の前記サーモパイルの間に設置されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱式センサ。
前記第２抵抗は、前記第１抵抗と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱式センサ。
前記第１抵抗における初期抵抗値は、前記第２抵抗における前記初期抵抗値と同等であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱式センサ。
前記電源は定電圧源であり、
前記第２抵抗は、前記基板上において、前記第１抵抗と直列に接続されている
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱式センサ。
前記電源は定電流源であり、
前記第２抵抗は、前記基板上において、前記第１抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱式センサ。
前記第１抵抗には定電圧源から電力を供給し、
前記第２抵抗には定電流源から電力を供給し、
前記第１抵抗と前記第２抵抗は、前記薄膜部上において互いに独立して並列に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の熱式センサ。
前記電源は定電圧源であり、
前記第２抵抗は、薄膜部において前記第１抵抗と直列に接続されており、電流を流すことで前記第２抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特
徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱式センサ。
前記電源は定電流源であり、
前記第２抵抗は、薄膜部において前記第１抵抗と並列に接続されており、電流を流すことで前記第２抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特
徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱式センサ。