JP2022129947A - 熱式センサ - Google Patents
熱式センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022129947A JP2022129947A JP2021028838A JP2021028838A JP2022129947A JP 2022129947 A JP2022129947 A JP 2022129947A JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 2022129947 A JP2022129947 A JP 2022129947A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- resistor
- resistance value
- thermal sensor
- thin film
- film portion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 29
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 14
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 abstract description 8
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 85
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 15
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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(Micro Electro Mechanical Systems)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。
なお、Vは定電圧源11の電圧値である。
ここで、Rh=R1とすると、a>1より、式(2)におけるW1/W0の値は、式(1)におけるW1/W0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。
W1/W0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。
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。
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。
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W1/W0の値は、式(2)におけるW1/W0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。
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。
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W1/W0の値は、式(1)におけるW1/W0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。
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、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。
<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。
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 (10)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021028838A JP7509054B2 (ja) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 熱式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021028838A JP7509054B2 (ja) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 熱式センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022129947A true JP2022129947A (ja) | 2022-09-06 |
JP7509054B2 JP7509054B2 (ja) | 2024-07-02 |
Family
ID=83151156
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021028838A Active JP7509054B2 (ja) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 熱式センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7509054B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7503226B1 (ja) | 2023-11-20 | 2024-06-20 | 三井金属鉱業株式会社 | ガス濃度測定デバイス及び被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000275075A (ja) | 1999-03-23 | 2000-10-06 | Mitsubishi Electric Corp | 熱式流量センサ |
JP2002310762A (ja) | 2001-04-16 | 2002-10-23 | Omron Corp | フローセンサ |
JP5210491B2 (ja) | 2006-02-03 | 2013-06-12 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 熱式流量センサ |
EP2175246B1 (en) | 2008-10-09 | 2017-07-19 | Sensirion AG | A method for measuring a fluid composition parameter by means of a flow sensor |
JP5079723B2 (ja) | 2009-02-26 | 2012-11-21 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 湿度センサ |
JP5055349B2 (ja) | 2009-12-28 | 2012-10-24 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 熱式ガスセンサ |
JP2011237407A (ja) | 2010-04-15 | 2011-11-24 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 可燃性ガス検出装置および可燃性ガス検出素子の制御方法 |
JP6372097B2 (ja) | 2014-03-07 | 2018-08-15 | 株式会社リコー | 検出装置、検出回路、センサモジュール及び画像形成装置 |
US10288575B2 (en) | 2016-05-31 | 2019-05-14 | Ams Sensors Uk Limited | Environment sensor system |
JP6603633B2 (ja) | 2016-08-22 | 2019-11-06 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | センサ装置 |
JP6802703B2 (ja) | 2016-12-14 | 2020-12-16 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 気体センサ装置 |
DE112020001358T5 (de) | 2019-03-19 | 2021-12-09 | Omron Corporation | Konzentrationsmessvorrichtung |
-
2021
- 2021-02-25 JP JP2021028838A patent/JP7509054B2/ja active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7503226B1 (ja) | 2023-11-20 | 2024-06-20 | 三井金属鉱業株式会社 | ガス濃度測定デバイス及び被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7509054B2 (ja) | 2024-07-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5210491B2 (ja) | 熱式流量センサ | |
JP5874117B2 (ja) | 流体の温度と種類の影響を校正した熱伝導型センサと、これを用いた熱型フローセンサおよび熱型気圧センサ | |
JP3658321B2 (ja) | フローセンサ及びその製造方法 | |
EP2339334B1 (en) | Thermal gas sensor | |
EP2280251B1 (en) | Thermal flow meter | |
US8359919B2 (en) | Thermal humidity sensor | |
US9939300B2 (en) | Hot-type fluid measurement device with electronic elements | |
JP5076235B2 (ja) | 熱電対ヒータとこれを用いた温度計測装置 | |
JPWO2003016833A1 (ja) | 熱式流量計測装置 | |
US20180328872A1 (en) | Gas sensor device, and heating current control method for gas sensor device | |
EP3184970B1 (en) | Sensor device | |
JP2022129947A (ja) | 熱式センサ | |
US7613586B2 (en) | Thermal vacuum gauge | |
JP2021139652A (ja) | サーモパイル型センサ | |
JP2022030781A (ja) | サーモパイル型センサ | |
JP7456404B2 (ja) | 熱式センサ、及び熱式センサを用いた計測方法 | |
JP5319744B2 (ja) | 熱式流量センサ | |
JP2019066253A (ja) | 流量計測装置 | |
JP2019052962A (ja) | 流量測定装置、流量測定装置を備えたガスメータ及び、ガスメータのための流量測定装置ユニット | |
JP2007155502A (ja) | 検出器 | |
JP3570659B2 (ja) | 熱式流速センサ | |
JPH0143903B2 (ja) | ||
Saul | Improved data analysis model for a diode-based microfabricated hot plate sensor | |
JP2003315128A (ja) | 熱式流量計測装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230308 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240130 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240305 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240425 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240521 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240603 |