JP4172697B2

JP4172697B2 - Gas sensing system and temperature sensor used for it

Info

Publication number: JP4172697B2
Application number: JP2003076619A
Authority: JP
Inventors: 光照木村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004286492A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板から熱分離した薄膜に形成したヒータと温度センサとを備えた気体センシングシステム及びそのための高感度でＩＣ化可能な温度センサに関するもので、気体中の湿度も含むガス成分の検出および分析、気体のフローセンサや真空センサなどに利用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、本願発明者は、極めてコンパクトで、消費電力が小さく、高速応答の熱伝導式の絶対湿度センサを開発し報告してきた（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照。）。しかし、従来の熱伝導式の絶対湿度センサは、薄膜ヒータの抵抗体として白金薄膜を利用し、かつ、温度センサとしても、この白金薄膜の抵抗の抵抗温度係数を利用しており、ヒータと温度センサとを兼用していた。そこでは、周囲温度の影響を除いて、絶対湿度を計測するために、パルス電圧を薄膜ヒータに印加して、周囲温度よりも高い異なる２つの温度（温度Ｔａと温度Ｔｂ）になるように制御し、水蒸気の量により湿潤空気の熱伝導率が左右されない温度Ｔａとして１２０から１５０℃を選び、実際の水蒸気の量による湿潤空気の熱伝導率の変化を検出する温度Ｔｂとして、３００℃以上の温度を選んでいた。
【０００３】
また、本願発明者は、特定ガスを水蒸気とした「ガス濃度測定装置」を発明してきた（例えば、特許文献３参照。）。そこでは、ヒータと温度センサとを分離し、ヒータは金属よりも抵抗が大きく、製作が簡便なシリコンの拡散抵抗を利用し、温度センサとして高感度な半導体ダイオードを用いるもので、どちらもＩＣ化に適するものであった。
【０００４】
また、従来、フローセンサとして、基板から熱分離した薄膜上に、白金ヒータとその白金ヒータを挟み上流側と下流側にやはり白金細線による電気抵抗変化を利用する温度センサを配置し、上流側と下流側の流れによる温度差を検出して気流を計測するフローセンサが「流速センサ」として報告されていた（例えば、特許文献３参照。）。そこでは、基板から熱分離した薄膜上に、異方性エッチングで空洞３部を製作しやすくするために、多数のスリットが設けられていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１８４５７５号公報
【特許文献２】
特開平８−１８４５７６号公報
【特許文献３】
特願２００１−２９５０３２
【特許文献４】
特開平４−５５７２号公報
【非特許文献１】
「ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ」Ｍ．Ｋｉｍｕｒａ、ｅＴａｌ．；“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｉｒ−ｂｒｉｄｇｅｍｉｃｒｏｈｅａｔｅｒｔｏｇａｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，Ｂ２４−２５（１９９５）、ｐｐ８５７−８６０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、織物工場などでは２００℃程度の高温の周囲温度の中の絶対湿度を計測したい要望があり、従来の水蒸気の量により湿潤空気の熱伝導率が左右されない温度Ｔａとして１２０から１５０℃を選んでいたのでは、周囲温度より低いために冷却する必要があり、実用上困難であった。
【０００７】
また、従来の熱伝導式の絶対湿度センサでは、１つの温度センサでヒータの温度を検出すると共に、このヒータの温度を一定に保つように制御しており、絶対湿度の計測は、湿度変化に基づくヒータの温度を一定に保つに必要なヒータ印加電圧の変化から求められていた。しかし、ヒータでのジュール熱はこの印加電圧の二乗に比例するので、印加電圧の小さな変化で大きなジュール熱が得られるので、ヒータの温度を一定に保つに必要なヒータ印加電圧の変化から求めている現状では、絶対湿度の感度が小さいという問題があった。
【０００８】
また、ヒータを挟み、上流側と下流側に設けられた温度センサの出力からこれらの温度差を利用する従来の気体のフローセンサでは、低流速の時には感度が高いが、高流速になると上流側と下流側に温度差がつき難く、感度が極めて小さくなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、２００℃以上の周囲温度でも絶対湿度が簡便に計測できる消費電力が小さく、高速応答で、高感度の絶対湿度センサとしての気体センシングシステムを提供すること、更に、気体成分としての水蒸気ばかりでなく、他の多くの気体の成分検出まで拡張した気体センシングシステムを提供すること、触媒反応熱を利用したガスセンサとしての気体センシングシステムを提供すること、周囲気体への熱放散を利用する本熱伝導式センサの性質を利用してフローセンサや真空センサへの応用を含めた気体センシングシステムを提供すること、さらに、これらのセンサに適する構造の温度センサを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従来、本願発明者による上記特許文献１、２の「湿度センサ」においては、ヒータ６に２つのパルス電圧の大きさを変えて、湿潤空気の温度Ｔｃから、Ｔｌ＝１２０℃から１５０℃程度とＴｈ＝４５０℃程度に昇温させて、Ｔｌ＝１２０℃から１５０℃程度付近では、湿潤空気の熱伝導率λが、湿潤空気の絶対湿度依存性が極めて小さいことを利用して、このＴｌ＝１２０℃から１５０℃程度の所定の設定温度を基準にしておき、Ｔｈ＝４５０℃程度の温度における湿潤空気の熱伝導率λの変化から、湿潤空気の絶対湿度を算出するものであった。
【００１２】
しかし、このＴｌ＝１２０℃から１５０℃付近の所定の設定温度を基準にしているため、例えば、湿潤空気の温度Ｔｃ＝２００℃の高温における絶対湿度を計測するには、冷却するなどの必要があり、従来のままの理論では、計測できない問題が発生していた。
【００１３】
詳細に湿潤空気の熱伝導率のシミュレーションを行い検討した結果、図３に示すように比較的低い絶対湿度では１２０℃から１５０℃程度において絶対湿度によらず空気の熱伝導率とほとんど変わらないが、絶対湿度が大きい方では２７０℃程度まで空気の熱伝導率とほとんど変わらないとしても誤差が小さいことが判明した。
【００１４】
このことを利用すると従来の絶対湿度センサでの異なる２つの温度である所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとして、例えば、温度Ｔｌとして２００℃を越えて設定しても良く、周囲温度が２００℃程度の高温でも簡単に絶対湿度を計測できる。なお、周囲温度が高温になるほど飽和絶対湿度が急激に大きくなることから絶対湿度が大きくとも相対湿度は非常に小さくなる。もちろん、周囲温度を計測しておくことにより絶対湿度を基に相対湿度が算出できる。
【００１５】
そこで上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる気体センシングシステムは、基板１から熱分離した一続きの薄膜４に、少なくとも１個のヒータ６と該ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ６の温度を制御してあり、薄膜４に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃからの出力とを利用して周囲気体の絶対湿度、混合気体の特定ガスの濃度、流速、真空度などの物理量を計測するものであって、周囲気体の温度が、温度Ｔｃ以上の所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになった時、周囲気体の熱伝導率の差が、周囲気体中の被検出気体の含有量に直線関係であることを利用するものであり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、上記所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとの一定値になるようにヒータ６の温度を制御してあり、この温度Ｔｌと温度Ｔｈにおける周囲気体の熱伝導率の差を求めるようにして、物理量としての被検出気体の含有量を計測できるようにしたものである。
【００１６】
例えば、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを一定に保持するように、温度センサＴＳａを利用したフィードバック系によりヒータ６の温度を制御する場合を考えると、周囲気体の物理量としての絶対湿度が増加すると、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａおよびに場所Ｂの温度Ｔｂにおける周囲気体の熱伝導率が増加して放熱が増大し、場所Ａおよびに場所Ｂの冷却効果が増大するので、場所Ａの温度Ｔａを温度Ｔｌまたは温度Ｔｈなる一定値に保持するためには、ヒータ６の電力を増大させなければならない。したがって、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差が大きくなる。これらの温度差情報と、場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂの情報と、周囲温度の情報から絶対湿度が算出できる。
【００１７】
場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差を計測し、これを利用して絶対湿度を算出するので、従来の絶対湿度計測におけるヒータ６を一定温度に保持するための印加電圧を計測して絶対湿度算出に利用する場合とは異なり、絶対湿度に対する大きな感度を示すことになる。
【００１８】
上述の議論は、気体として水蒸気である絶対湿度のセンシングばかりでなく、組成がわかっている気体に関しては、特定の気体の含有量をセンシングするセンサシステムとして利用することができる。
【００２０】
本発明の請求項２に係わる気体センシングシステムは、請求項１において、湿潤空気を周囲気体とし、被検出気体を水蒸気とした、即ち、物理量とした場合で、絶対湿度を計測するようにしたものである。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係わる気体センシングシステムは、請求項１もしくは請求項２において、一個のヒータ６に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、場所Ａもしくは場所Ｂのうち、一定値になるように制御した一方の場所の温度が周囲気体の温度Ｔｃを越える所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになるように切り替えて制御し、温度Ｔｌと温度Ｔｈ、温度Ｔａと温度Ｔｂに設定したときのそれぞれの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂ、および周囲気体の温度Ｔｃを利用して、絶対湿度などの被検出気体の含有量を算出できるようにしたものである。
【００２２】
ここでは、基板１から熱分離した一個の一続きの薄膜４に一個のヒータ６の場所Ａと場所Ｂにそれぞれ温度センサを配置して、例えば、場所Ａの温度Ｔａをパルス電圧を印加して一瞬、所定の温度Ｔｌ＝２００℃に維持させ、次に、高いパルス電圧に切り替えて印加して一瞬、所定の温度Ｔｈ＝４００℃に維持して、これらの時の場所Ｂのそれぞれの温度Ｔｂを計測し、更に、周囲気体である加熱されない周囲温度Ｔｃを基板１に形成してある温度センサＴＳｃにより計測して、後述の数１、数２、数３の式を用いて、絶対湿度などを算出するようにした場合である。
【００２３】
また、本発明の請求項４に係わる気体センシングシステムは、請求項１もしくは請求項２において、基板１から熱分離し独立した２個の一続きの薄膜４のそれぞれに、１個のヒータ６と、該ヒータ６のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、一方の薄膜４の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、所定の温度Ｔｌ、他方の薄膜４の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度Ｔｈの一定値になるようにヒータ６の温度を制御した請求項３記載の気体センシングシステムで、上述の請求項４の場合とは異なり、基板１から熱分離し独立した２個の一続きの薄膜４を用意し、それぞれを温度Ｔｈに専用加熱、温度Ｔｌに専用加熱と言うように、２個のヒータ６に分離した場合である。
【００２４】
このように２つのヒータ６に分離することにより、２つの温度Ｔｈと温度Ｔｌになったときの温度出力を、リアルタイムに差動増幅することができて、Ｓ／Ｎを上げやすい。
【００２５】
また、本発明の請求項５に係わる気体センシングシステムは、請求項１から請求項４のいずれかにおいて、周囲温度を計測する温度センサＴＳｃを半導体などの基板１に形成した場合でシステムを集積化するときに好適である。
【００２６】
また、本発明の請求項６に係わる気体センシングシステムは、請求項１もしくは請求項５において、物理量として気体の流量もしくは流速とした場合のものである。
【００２７】
また、本発明の請求項７に係わる気体センシングシステムは、請求項１もしくは請求項４において、物理量として気体の圧力である真空度を計測するようにとした場合である。ピラニー真空計のように真空度が良くなると、ヒータ６を持つ基板１から熱分離した一続きの薄膜４に衝突する気体ガス分子数が少なくなるので、熱が逃げ難くなり、ヒータ６の消費電力が少なくとも設定温度に達すると共に、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じ難くなる。
【００３３】
また、本発明の請求項８に係わる気体センシングシステムは、請求項１から請求項７のいずれかにおいて、場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜４にスリット４５を設けて熱抵抗を大きくさせた場合で、周囲気体の組成変化などに基づく熱伝導率の変化で場所Ａと場所Ｂの温度差が大きくなりやすいようにしたものである。
【００３４】
また、本発明の請求項９に係わる気体センシングシステムは、請求項１から請求項８のいずれかにおいて、例えば、周囲気体中の特定のガスである被検出気体の濃度などを検出するセンサにおいては、被検出気体が存在しない場合や存在していても既知の含有量のとき、また、フローセンサにおいては、気流が無いとき、また、真空センサにおいては、高真空か特定の真空度のとき、を所定の基準状態として取り扱い、この基準状態での温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を増幅などして調節して、その基準状態で温度センサＴＳａの出力と温度センサＴＳｂの出力の差動増幅出力値がゼロになるように回路的に構成しおき、このゼロ出力を更に基準にして周囲気体の物理量、成分もしくは気体の濃度を計測するようにした場合で、ゼロ出力を基準にすることにより、高感度で高精度に計測することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項１０に係わる気体センシングシステムは、請求項１から請求項９までのいずれかの気体センシングシステムの構造において、そこに用いる温度センサとして高感度、高精度であり、かつ単純で集積化可能な温度センサとして、バイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとした場合である。
【００３６】
また、本発明の請求項１１に係わる気体センシングシステムは、請求項１０において、場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜４にスリット４５を設けて熱抵抗を大きくさせた構造をもつ場合で、場所Ａと場所Ｂとの距離をそれほど大きくしなくともスリット４５形成により容易に熱抵抗が大きくできるので、ヒータ６が存在する場所Ａと場所Ｂとの間の温度差が周囲気体の湿度やガスの濃度変化、流速など物理量変化などにより大きくなりやすく、温度差出力が大きくなるから高感度で高精度の気体センシングシステムが達成される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明は本発明者の次の知見に基づくものである。図１には、本願発明者が計算した湿潤空気の熱伝導率のシミュレーション結果であり、窒素ガスと酸素ガスとが８０：２０とした乾燥空気として近似し、これにモル比率Ｘの水蒸気が含有する場合で、周囲温度Ｔａが変化した時のこの湿潤空気の熱伝導率λを計算したものを示している。
【００３８】
図１のシミュレーション結果から、０℃という低い温度での湿潤空気の熱伝導率λは、水分量（水蒸気の含有量）Ｘの割合が大きくなるにつれて単調に減少していることがわかる。１００℃程度では、水分量Ｘの割合が０.３モル比率程度まで、湿潤空気の熱伝導率λは、変化せずその後は低下する。２００℃以上では、水分量Ｘの割合が０.３モル比率程度の低い水分含有量では、わずかに水分量Ｘと共に、増加傾向にあるが極めて緩やかで、ほぼ一定とみなすことができる。
【００３９】
３００℃を越えるあたりから湿潤空気の熱伝導率λは、水分量Ｘの割合と共に大きくなり、これは温度が高いほど急激な勾配で増加することもわかる。しかし、水分量Ｘと共に湿潤空気の熱伝導率λは飽和の傾向があり、高温といえども温度一定の下での水蒸気量の熱伝導率λの増加に伴うヒータ６からの熱放散から絶対湿度を計測することには、高濃度水蒸気になると精度が悪くなることがわかる。
【００４０】
しかし、実測データを用いたシミュレーションによると、少なくとも１００℃以上の異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌ（例えば、温度Ｔｈ＝４００℃、温度Ｔｌ＝２００℃一定）における湿潤空気の熱伝導率λの差Δλは、図２に示すように水蒸気量のモル比率Ｘのほぼ一次関数（直線）で近似できることが本発明者は見出した。
【００４１】
このことから、異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌにおける湿潤空気の熱伝導率λの差Δλを計測するか、算出するかして、Δλを求めるようにすれば、水分量Ｘの割合と共に、ほぼ直線的に増大するので、高い水蒸気の量（水分量）まで、高精度で水蒸気濃度を計測することができることがわかる。
【００４２】
したがって、例えば、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを所定の温度Ｔｌ（例えば、２００℃）と温度Ｔｈ（例えば、４００℃）のそれぞれ一定値になるようにヒータ６への印加電圧を制御して、それぞれの温度Ｔｌ，Ｔｈにおける湿潤空気の熱伝導率λｌ、λｈを熱伝達方程式から近似的に求めると、数１と数２に示すような関係式となり、更に、これらの差Δλは、シミュレーション結果から数３に示されるようにＸの一次関数として近似できることになる。
【００４３】
【数１】
λｌ＝ｋ（Ｔｌ−Ｔｂ）／（Ｔｌ−Ｔｃ）
ここで、ｋは比例定数、Ｔｌは場所Ａの温度、Ｔｃは周囲気体の温度（周囲温度）、Ｔｂは場所Ｂの温度
【００４４】
【数２】
λｈ＝ｋ（Ｔｈ−Ｔｂ）／（Ｔｈ−Ｔｃ）
ここで、Ｔｈは場所Ａの温度
【００４５】
【数３】
Δλ＝λｈ−λｌ＝ａＸ＋ｂ
【００４６】
これらの差Δλが絶対湿度のモル比率Ｘに直線的関係にあるとして、その係数ａとｂとを実験から事前に求めておき、校正曲線を求めておくことにより、周囲気体中の絶対湿度を算出することができる。もちろん、この算出した絶対湿度から相対湿度も周囲気体の温度Ｔｃを利用して求めることができる。
【００４７】
上述では、周囲気体中の被検出気体である水蒸気、即ち、絶対湿度を例にしたが、被検出気体として水蒸気以外の特定の気体についても同様なことがいえるので、特定の被検出気体として一般化できる。
【００４８】
以下、本発明の気体センシングシステムとこれに用いる温度センサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４９】
【実施例１】
図４は、気体センシングシステムの気体センシング部であるセンサチップの概略図を示したもので、同図（Ａ）には、その平面図を、同図（Ｂ）には、同図（Ａ）におけるＸ−Ｘから見た断面形状図を示す。
【００５０】
このセンサチップは、シリコンのＳＯＩ基板である基板１を用いた場合の実施例で、下地基板２には空洞３が形成してあり、空洞３の上部には、溝４０を設けたために残された６箇所にある薄膜４の梁５で支えられた形の薄膜４が形成されてあり、この薄膜４とこれらの梁５はＳＯＩ基板のＢＯＸ層１０と単結晶シリコン薄膜２０とを主構成材料としている。このため、薄膜４は、宙に浮いた構造で、基板１から熱分離された形になっている。
【００５１】
また、この単結晶シリコン薄膜２０はｐ型層２１０の場合であり、ここにｎ型の不純物拡散により形成したｎ型拡散層２２０を薄膜のヒータ６として利用できるようにしている。このｎ型層２２０の薄膜状のヒータ６は、周囲のｐ型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの間にｐｎ接合が形成されており、このヒータ６を周囲のｐ型層２１０から電気的に絶縁分離されている構造である。従って、ヒータ電極１４０に電流を流した時、ヒータ６だけに電流が流れるようにすることができ、ヒータ６だけをジュール加熱できる。
【００５２】
また、薄膜４のうちでその両側には、ここには上述のｎ型拡散層２２０である薄膜のヒータ６と同時に形成されたｎ型層２２０領域が存在し、ｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂが形成され、それぞれ場所Ａにあるヒータ６の温度Ｔａを計測する温度センサＴＳａと場所Ｂの温度ＴＳｂを計測する温度センサＴＳｂとして用いている。１５０℃以上の温度を計測するには、これらのｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂに１Ｖ程度の逆方向バイアス電圧を印加し、逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存性から求めると良い。また、１５０℃以下の温度を計測するには、０.５Ｖ程度の順方向バイアスを印加し、その電流変化から求めると良い。なお、順方向バイアスでは、そのバイアス電圧を変化させると、計測する温度の感度を変化させることができる。
【００５３】
また、上述では、温度センサＴＳａ、ＴＳｂとして、ｐｎ接合ダイオードを用いた場合であるが、これをバイポーラトランジスタとし、エミッタとベースとのｐｎ接合を利用するトランジスタサーミスタを用いることもできるし、熱電対やサーモパイルなどを用いても良い。
【００５４】
なお、上述した図４に示すセンサチップは、単結晶シリコンの公知のフォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術を用いて形成でき、不純物拡散工程、熱酸化工程などを用いること、配線１５０や各種の電極１２０、１３０の形成などもフォトリソグラフィーで容易に形成できる。また、電極などの金属化は、基板１の裏面にある空洞３の形成時に用いる異方性エッチングであるアルカリエッチング溶液への耐性のある金属を用いる方が良い。しかし、アルミニウムなどの耐性の無い金属を使用するときは、アルミニウムとシリコンの合金として、耐性を持たせるか、または、その上に保護膜を形成しておいてから異方性エッチングを行う必要がある。
【００５５】
次にヒータ６で熱せられた薄膜４と、ｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂからなる温度センサＴＳａとＴＳｂによる薄膜４上のヒータ６の場所Ａと場所Ａから離れた場所Ｂのそれぞれの温度ＴａとＴｂとの温度計測、および気体センシングシステムについて説明する。
【００５６】
基板１であるＳＯＩ基板のＳＯＩ薄膜（この部分が単結晶シリコン薄膜２０である）の厚みを６μｍ、溝４０で囲まれた薄膜４の大きさを７００μｍ × １５００μｍ、ＢＯＸ層１０の厚みを２μｍとし、ｎ型拡散層２２０の形成のためｎ型不純物拡散をした場合、不純物拡散温度やその時間にも依るが、薄膜のヒータ６の抵抗はほぼ３０Ωであった。ヒータ電極１４０を通して、電圧５Ｖの矩形波電圧を印加し、電流を流すと、熱時定数が数百ミリ秒でヒータ６が４００℃以上に温度上昇した。ヒータ６は、基板１から熱分離した薄膜４の一方の側に配置され（この場所をＡとする）、この場所Ａ点の温度Ｔａと、スリット４５を介して少し離れた場所Ｂ点の温度Ｔｂとは、周囲の気体への熱伝導による放熱により少し異なり、場所Ａ点が熱源なので、必ず温度Ｔａより温度Ｔｂが小さくなるような温度差が生じる。
【００５７】
ヒータ６への電力供給を、温度Ｔａと温度Ｔｂをそれぞれ計測する温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂを用いて、場所Ａ点の温度Ｔａを所定の温度に維持するように制御するか、場所Ｂ点の温度Ｔｂを所定の温度に維持するように制御することができる。本実施例では、温度センサＴＳａを利用したフィードバック系によりヒータの場所Ａ点の温度Ｔａを所定の温度に維持するようにを制御する場合について述べる。
【００５８】
また、本実施例では、気体センシングシステムの中の最も特徴的なセンサチップを取り上げ説明しており、このセンサチップのパッケージや気体センシングシステムとしての電源回路、信号処理回路などは省略したが、これらは従来技術が利用できる。
【００５９】
周囲気体の物理量としての、例えば、絶対湿度が増加すると、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａおよびに場所Ｂの温度Ｔｂにおける周囲気体の熱伝導率が増加して放熱が増大し、場所Ａおよびに場所Ｂの冷却効果が増大するので、場所Ａの温度Ｔａを温度Ｔｌ（例えば、２００℃）または温度Ｔｈ（例えば、４００℃）なる一定値に保持するためには、ヒータ６の電力を増大させなければならない。
【００６０】
ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを維持しているので、ヒータ６から主に薄膜４の熱伝導より場所Ｂが熱せられるが、周囲気体の熱伝導率λが大きいほど、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差が大きくなる。これらの温度差情報と、場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂの情報と、周囲温度Ｔｃの情報を利用すると上述の数式、数１、数２および数３を利用した予め校正してある絶対湿度に関する校正データを利用して絶対湿度を算出して求める。
【００６１】
ヒータ６のジュール加熱と所定温度Ｔｌ、Ｔｈの維持は、基板１から熱分離した薄膜４の熱時定数が数十ミリ秒なので、１００ミリ秒程度の矩形パルスの印加で十分であり、温度計測も印加矩形パルスの終わりの５０ミリ秒程度で計測すると良い。必要以上のヒータ６の長い加熱時間は、基板１の温度も上昇させてしまい、周囲気体の温度Ｔｃの計側を基板１に直接形成したｐｎ接合ダイオード７ｃである温度センサＴＳｃを用いて行っているので、むしろ、誤差を生じる原因となる。
【００６２】
場所Ａの温度Ｔａと場所Bの温度Ｔｂとの温度差を計測し、これを利用して絶対湿度を算出するので、従来の絶対湿度計測におけるヒータを一定温度に保持するための印加電圧を計測して絶対湿度算出に利用する場合とは異なり、絶対湿度に対する大きな感度を示すことになる。
【００６３】
また、薄膜４の場所Ａと場所Ｂとの間にスリット４５を設けているので、場所Ａのヒータ６からの熱が熱抵抗のために場所Ｂの個所に伝わり難く、したがって、場所Aの温度Ｔａと場所Bの温度Ｔｂとの温度差が大きくなり易いので、高感度になる。
【００６４】
また、所定の基準となる周囲気体の絶対湿度、例えば、乾燥時を基準として、このときの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差に対する基準電圧を作成しておき、この基準電圧との差動増幅によりより高感度に絶対湿度の計測ができる。
【００６５】
また、周囲気体中に複数の被測定気体が混在した場合でも、温度と熱伝導率の温度依存性から複数の特定の気体の濃度を算出することができる。ヒータ６の温度Ｔａを所定の一定温度とせずに、所定のプログラムに沿って、昇温または降下させて、その次々刻々と変化する温度に対する周囲気体の熱伝導率の温度依存性による場所Ｂにおける温度Ｔｂの放熱による時間的な変化パターンを利用して、複数の特定気体に関する連立方程式を解くことから特定の周囲気体の成分と濃度を求めることもできる。
【００６６】
上述の絶対湿度の計測方法は、周囲気体の物理量、例えば、真空度、気体の流速、気体中に含まれる特定のガスの成分とその濃度の計測などに応用することができる。
【００６７】
【実施例２】
勿論、本発明の気体センシングシステムを従来からその原理が知られているように、大気中の水蒸気の濃度、すなわち、絶対湿度の計測である絶対湿度計に応用し、周囲温度Ｔｃを計測せずに、さらに、薄膜４のヒータ６の温度Ｔａを所定の温度ＴｌとＴｈとにパルス電圧駆動により切り替えながら維持し、周囲温度Ｔｃが２５０℃程度以下なら、これに依存せずに絶対湿度を求めることができる。
【００６８】
先ず、図４において、ヒータ６の場所Ａの温度センサＴＳａのみを用いて（この場合は、図４において、温度センサＴＳｂを必ずしも形成する必要はなく、薄膜４には、ヒータ６の場所Ａの温度センサＴＳａのみ形成すればよい）、この点の温度Ｔａを高温側Ｔｈ＝４００℃以上、例えば４５０℃一定と、湿潤空気である周囲気体の温度Ｔｃ、例えば、Ｔｃ＝２００℃以上の低温側の温度Ｔｌ＝２３０℃一定になるように、時間的に切り替えて、制御する。
【００６９】
即ち、高温側Ｔｈ＝４５０℃一定に維持するには、ヒータ６に矩形パルス電圧を印加し、さらにｐｎ接合ダイオード７ａは薄膜４の部分の温度を検出する温度センサＴＳａであるから、その温度がほぼ一定になった時に逆方向バイアス電圧、例えば、１．０Ｖを印加した温度センサＴＳａとしてのｐｎ接合ダイオード７ａの逆方向飽和電流Ｉｓを出力し、この値（１ｍＡ程度）が維持できるようにヒータ６に矩形パルス電圧を調整してここに流す電流を制御する。低温側の温度Ｔｌ＝２３０℃一定に維持するのも同様である。
【００７０】
シミュレーションによると２７０℃程度以上になると大気中の水蒸気は、純粋の空気より熱伝導率が大きくなるので、高温４５０℃の薄膜４に接する水蒸気を含む空気は、ほぼ４５０℃で、その雰囲気温度での水蒸気の熱伝導率が、純粋の空気の時よりも大きくなるから、純粋の空気の時よりも水蒸気を含む空気の方が高温の薄膜４から熱を奪いやすく、薄膜４を高温４５０℃に維持するには、それだけ多くの電流を薄膜のヒータ６に流し、消費電力Ｐによるジュール発熱を大きくしなければならなくなる。また、含有する水蒸気量が少ないと薄膜のヒータ６は少ない消費電力Ｐで済むので、少ない電流を薄膜のヒータ６に流すだけで済むことになる。
【００７１】
このようにｐｎ接合ダイオード７ａの逆方向飽和電流Ｉｓの出力信号を一定になるように、薄膜のヒータ６の消費電力Ｐを制御する回路を構成すれば、薄膜４が一定の温度に制御されることになる。このような制御で薄膜のヒータ６の消費電力Ｐまたは、薄膜のヒータ６に流すヒータ電流を計測し、このヒータ電流と空気中の絶対湿度との関係から、そのときの環境温度における空気中の絶対湿度を算出するか、または、環境温度を考慮して相対湿度に換算する。
【００７２】
従来、同様の方法であるが、湿潤空気の温度Ｔｃが１５０℃以下でなければ、測定できないと考えられていたが、シミュレーション結果から工業的に利用が多いＴｃ＝２００℃程度でも、水蒸気のモル比率Ｘが０.４程度以下ならば誤差が少なく計測ができることになった。
【００７３】
【実施例３】
本発明の本発明の気体センシングシステムを周囲気体中の被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化により被検出気体の濃度を計測する一実施例のセンシング部を、図５に示す。この実施例では、図４に示したセンサチップの薄膜４において、場所Ｂに形成した温度センサＴＳｂの上に、絶縁薄膜３０を介して被検出気体に対して触媒反応を生ずる薄膜触媒３００３００の薄膜を形成してある。メタンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスに対しては、薄膜触媒３００３００として、酸化錫や酸化錫と白金微粒子との混合した薄膜が利用できる。
【００７４】
ヒータ６の温度Ｔａを４５０℃一定に維持しておき、場所Ｂの温度Ｔｂを計測すると、周囲気体中に可燃性ガスが存在すると触媒反応により可燃性ガスが４５０℃程度でも反応して反応熱が発生して、温度Ｔｂが上昇する。このため一定の温度Ｔａ＝４５０℃とＴｂとの温度差が縮まり（場合によっては、反応熱によりＴｂがＴａを追い越すこともある）、その度合いが可燃性ガスの濃度に関係するので、校正曲線などのデータに基づいて可燃性ガスの濃度を求める。
【００７５】
また、例えば、ヒータ６の温度Ｔａを所定の一定温度とせずに、所定のプログラムに沿って、昇温または降下させて、その次々刻々と変化する温度に対する可燃性ガスの種類により反応が異なることを利用して、その時間的な温度Ｔｂの時間的なパターンに基づく連立方程式を解くことから特定の可燃性ガスの成分と濃度を求めることもできる。
【００７６】
なお、本発明の気体センシングシステムの制御回路や信号処理回路、表示回路などの回路構成には、既知の回路が利用できるので、ここでは省略している。
【００７７】
上述では、周囲気体の被測定気体として水蒸気の例を示したが、空気中の炭酸ガス、水素、ヘリウム、アルゴンなどを被測定気体として測定することもできることは、測定原理からして言うまでも無い。
【００７８】
また、上述の例では、センサチップに必要最小限度の薄膜のヒータ６と温度センサのｐｎ接合ダイオード７のみを集積化したものであったが、上述の各種装置に必要な回路のうち半導体基板に集積化できる回路は、必要に応じて同一基板１に集積化できることは言うまでもない。
【００７９】
また、上述した実施例は、一実施例であり、本願発明の主旨、作用、効果が同一の各種の変形がありえることも言うまでもないことである。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板1から熱分離した薄膜４に薄膜のヒータ６と温度センサが集積化されているので、熱容量が小さくなり、低消費電力で、かつその温度制御が高速かつ高精度で達成でき、さらに、乾電池駆動ができるので携帯用となりえるという有利な効果が得られる。
【００８１】
また、薄膜のヒータ６も単結晶シリコンで形成でき、高温にしても安定なシリコン酸化膜で覆われているので、その経時変化が極めて小さく、かつ単結晶シリコン薄膜のｐｎ接合ダイオードを用いているので、極めて安定な気体センシングシステムが提供できるという有利な効果が得られる。
【００８２】
また、本発明の気体センシングシステムを物理量として水蒸気を用いた絶対湿度計として実施したときには、周囲の環境温度が室温であっても、薄膜のヒータ６により急速に熱せられる空気の温度は、設定した薄膜４の高い温度、例えば、４５０℃程度に瞬間的になるので、周囲温度Ｔｃが室温での絶対湿度が計測できるばかりでなく、周囲温度Ｔｃが２００℃程度の高温中の絶対湿度も、極めて安定に、かつ高精度に計測できると共に、携帯用の小型湿度センサが提供できるという利点がある。
【００８３】
また、本発明の気体センシングシステムでは、基板１から熱分離した薄膜４にヒータ６の場所Ａの温度Ｔａとそこから少し離れた場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差を計測するようにしているので、高感度に周囲気体の湿度、流速、真空度、気体成分とその濃度などの熱を媒介にした物理量を計測できるという利点がある。
【００８４】
また、本発明の気体センシングシステムを物理量として水蒸気を用いた絶対湿度計として実施したときには、二つの異なる温度ＴｈとＴｌにおける湿潤空気の熱伝導率λの差Δλが水蒸気のモル比率の一次関数として表せること、熱伝導率λの差Δλは、周囲温度Ｔｃと二つの異なる温度ＴｈとＴｌ、温度Ｔａと温度Ｔｂ、及び温度Ｔａと温度Ｔｂとの温度差から求められることを利用して、周囲温度Ｔｃが非常に高い場合でも絶対湿度が求められるという利点がある。もちろん、周囲温度Ｔｃが分っているので、相対湿度しも容易に換算できる。
【００８５】
また、本発明の気体センシングシステムでは、気体センシング部の熱応答が速いので、容易に時間的にプログラムした温度上昇や降下が設定でき、既知の複数の混合特定気体の周囲気体の熱伝導率の変化を利用して、時々刻々の温度に対応する場所Ｂにおける温度Ｔｂの時間変化のパターンのデータを用いることにより、混合特定気体の成分と濃度をも算出できるという利点がある。
【００８６】
また、本発明の気体センシングシステムでは、薄膜触媒３００３００を薄膜４に形成し、触媒反応熱も利用できるので、可燃性ガスなどの特定気体の濃度を求めることができるばかりでなく、ヒータ６の時間的にプログラムした温度上昇や降下により、上述と同様にその時間的な変化パターンを利用して、可燃性気体などの混合気体の成分と濃度とを算出することもできるという利点がある。
【００８７】
また、基板１としてシリコン半導体基板に形成できるので、各種の信号処理回路、メモリ回路、電源回路、表示回路など、気体センシングシステムに必要な回路を集積化できるので、極めて小型で消費電力が小さく、信頼性の高い気体センシングシステムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】湿潤空気の熱伝導率λと水蒸気量のモル比率Ｘに対するシミュレーション結果を示す図。
【図２】異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌにおける湿潤空気の熱伝導率λとそれらの差Δλと水蒸気量のモル比率Ｘに対するシミュレーション結果を示す図。
【図３】湿潤空気の温度と熱伝導率の関係のシミュレーション結果を示す図。
【図４】本発明の気体センシングシステムの一実施例で、気体センシング部であるセンサチップの概略図。
【図５】本発明の気体センシングシステムにおける他の一実施例で、薄膜触媒３００を設けた場合のセンシング部の概略図。
【符号の説明】
１基板
２下地基板
３空洞
４薄膜
５梁
６ヒータ
７、７a、７ｂ、
７ｃ、７ｄｐｎ接合ダイオード
１０ＢＯＸ層
２０単結晶シリコン薄膜
３０絶縁薄膜
４０溝
４５スリット
５１、５２シリコン酸化膜
１００a、１００ｂヒータ電極
１２０ｐｎ接合ダイオードのｐ型電極
１３０ｐｎ接合ダイオードのｎ型電極
１４０ヒータ電極
１５０配線
２１０ｐ型層
２２０ｎ型拡散層
３００薄膜触媒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensing system including a heater and a temperature sensor formed on a thin film thermally separated from a substrate, and a temperature sensor capable of being integrated with high sensitivity for the gas sensing system, and detection of gas components including humidity in the gas. It can also be used for analysis, gas flow sensors, vacuum sensors, and the like.
[0002]
[Prior art]
Up to now, the inventor of the present application has developed and reported a heat conduction type absolute humidity sensor that is extremely compact, consumes less power, and responds quickly (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1). ). However, the conventional thermal conductivity type absolute humidity sensor uses a platinum thin film as the resistor of the thin film heater, and also uses the resistance temperature coefficient of the resistance of the platinum thin film as a temperature sensor. Also used as a sensor. In this case, in order to measure the absolute humidity excluding the influence of the ambient temperature, a pulse voltage is applied to the thin film heater, and the temperature is controlled to be two different temperatures (temperature Ta and temperature Tb) higher than the ambient temperature. The temperature Ta at which the thermal conductivity of the humid air is not affected by the amount of water vapor is selected from 120 to 150 ° C., and the temperature Tb for detecting the change in the thermal conductivity of the wet air due to the actual amount of water vapor is 300 ° C. or higher. I chose the temperature.
[0003]
Further, the inventor of the present application has invented a “gas concentration measuring device” in which the specific gas is water vapor (see, for example, Patent Document 3). There, the heater and the temperature sensor are separated, the heater has a resistance higher than that of metal, uses silicon diffusion resistance that is easy to manufacture, and uses a highly sensitive semiconductor diode as the temperature sensor, both of which are integrated into an IC. It was suitable for.
[0004]
Conventionally, as a flow sensor, on a thin film thermally separated from the substrate, a platinum heater and a temperature sensor that uses a change in electric resistance due to a platinum fine wire are arranged on the upstream side and the downstream side with the platinum heater sandwiched between the upstream side and the upstream side. A flow sensor that detects a temperature difference due to a downstream flow and measures an air flow has been reported as a “flow velocity sensor” (for example, see Patent Document 3). There, a large number of slits were provided on the thin film thermally separated from the substrate in order to make it easy to manufacture three cavities by anisotropic etching.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-8-184575
[Patent Document 2]
JP-A-8-184576
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application No. 2001-295032
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-5572
[Non-Patent Document 1]
“Sensors and Actuators” Kimura, eTal. "Application of the air-bridge microheater to gas detection", B24-25 (1995), pp 857-860.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are demands in textile factories and the like to measure the absolute humidity in an ambient temperature as high as about 200 ° C, and a temperature Ta of 120 to 150 ° C is selected as the thermal conductivity of wet air is not affected by the amount of conventional water vapor. However, since it was lower than the ambient temperature, it was necessary to cool it, which was practically difficult.
[0007]
In addition, in a conventional heat conduction type absolute humidity sensor, the temperature of the heater is controlled by one temperature sensor and the temperature of the heater is controlled to be constant. It was obtained from the change of the heater applied voltage necessary to keep the temperature of the heater based on it constant. However, since the Joule heat in the heater is proportional to the square of this applied voltage, a large Joule heat can be obtained with a small change in the applied voltage, so it can be obtained from the change in the heater applied voltage necessary to keep the heater temperature constant. At present, there is a problem that the sensitivity of absolute humidity is small.
[0008]
In addition, in the conventional gas flow sensor that uses the temperature difference between the outputs of the temperature sensors provided on the upstream side and the downstream side with a heater interposed therebetween, the sensitivity is high when the flow rate is low, but when the flow rate is high, the upstream side However, there is a problem that the temperature difference is difficult to occur on the downstream side, and the sensitivity becomes extremely small.
[0009]
The present invention provides a gas sensing system as an absolute humidity sensor with low power consumption, high-speed response, and high sensitivity that can easily measure absolute humidity even at an ambient temperature of 200 ° C. or higher, and water vapor as a gas component. In addition to providing a gas sensing system that extends to the detection of many other gas components, providing a gas sensing system as a gas sensor that uses catalytic reaction heat, and a book that uses heat dissipation to the surrounding gas An object of the present invention is to provide a gas sensing system including application to a flow sensor and a vacuum sensor by using the properties of a heat conduction sensor, and to provide a temperature sensor having a structure suitable for these sensors.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Conventionally, in the “humidity sensor” of Patent Documents 1 and 2 by the inventor of the present application, the magnitude of two pulse voltages is changed in the heater 6, and the temperature Tc of wet air is about Tl = 120 ° C. to about 150 ° C. When the temperature is raised to about Th = 450 ° C. and Tl = 120 ° C. to about 150 ° C., the thermal conductivity λ of the humid air is very small and the absolute humidity dependency of the humid air is very small. The absolute humidity of the wet air was calculated from the change in the thermal conductivity λ of the wet air at a temperature of about Th = 450 ° C. with a predetermined set temperature of about 120 ° C. to 150 ° C. as a reference.
[0012]
However, since the predetermined set temperature in the vicinity of Tl = 120 ° C. to 150 ° C. is used as a reference, for example, in order to measure the absolute humidity at a high temperature of the humid air temperature Tc = 200 ° C., it is necessary to cool it. There is a problem that cannot be measured by the conventional theory.
[0013]
As a result of detailed simulation of the thermal conductivity of wet air, as shown in FIG. 3, at a relatively low absolute humidity, it is almost the same as the thermal conductivity of air regardless of the absolute humidity at about 120 ° C to 150 ° C. When the absolute humidity is high, it has been found that the error is small even if it is almost the same as the thermal conductivity of air up to about 270 ° C.
[0014]
If this is used, the predetermined temperature Tl and temperature Th, which are two different temperatures in the conventional absolute humidity sensor, may be set, for example, as a temperature Tl exceeding 200 ° C., and the ambient temperature is about 200 ° C. Absolute humidity can be measured easily even at high temperatures. Since the saturation absolute humidity increases rapidly as the ambient temperature increases, the relative humidity becomes very small even if the absolute humidity is large. Of course, the relative humidity can be calculated based on the absolute humidity by measuring the ambient temperature.
[0015]
Therefore, in order to achieve the above object, the claims of the present invention are provided. 1 The gas sensing system according to the present invention has at least one heater 6, a temperature sensor TSa for detecting the temperature Ta at the location A of the heater 6, and a thermal resistance on the continuous thin film 4 thermally separated from the substrate 1. And a temperature sensor TSb for detecting the temperature Tb of the location B, and the heater so that the temperature Ta of the location A or the temperature Tb of the location B becomes a constant value. 6 is controlled so that a temperature difference occurs between the location A and the location B due to a change in heat conduction to the surrounding gas in contact with the thin film 4, and the outputs of the temperature sensor TSa and the temperature sensor TSb; The temperature difference information between location A and location B based on the output , Zhou Using the output from the temperature sensor TSc that detects the temperature Tc of the surrounding gas, physical quantities such as the absolute humidity of the surrounding gas, the concentration of the specific gas in the mixed gas, the flow velocity, and the degree of vacuum are measured. When the temperature of the surrounding gas reaches a predetermined temperature Tl that is equal to or higher than the temperature Tc and a predetermined temperature Th that exceeds the temperature Tl, the difference in thermal conductivity between the surrounding gases is The temperature Ta of the place A or the temperature Tb of the place B becomes a constant value between the predetermined temperature Tl and the temperature Th. The temperature of the heater 6 is controlled, and the difference in the thermal conductivity of the surrounding gas between the temperature Tl and the temperature Th is obtained, so that the content of the detected gas as a physical quantity is determined. It can be measured.
[0016]
For example, when the temperature of the heater 6 is controlled by a feedback system using the temperature sensor TSa so as to keep the temperature Ta at the location A of the heater 6 constant, the absolute humidity as a physical quantity of the surrounding gas increases. Since the thermal conductivity of the surrounding gas at the temperature Ta at the location A of the heater 6 and at the temperature Tb at the location B is increased, the heat radiation is increased, and the cooling effect at the locations A and B is increased. In order to maintain Ta at a constant value of temperature Tl or temperature Th, the power of the heater 6 must be increased. Therefore, the temperature difference between the temperature Ta at the location A of the heater 6 and the temperature Tb at the location B increases. The absolute humidity can be calculated from the temperature difference information, the information on the temperature Ta at the place A, the information on the temperature Tb at the place B, and the information on the ambient temperature.
[0017]
Since the temperature difference between the temperature Ta at the place A and the temperature Tb at the place B is measured and the absolute humidity is calculated using this, the applied voltage for maintaining the heater 6 at a constant temperature in the conventional absolute humidity measurement is calculated. Unlike the case of measuring and using for absolute humidity calculation, it shows a large sensitivity to absolute humidity.
[0018]
The above discussion can be used not only for sensing absolute humidity, which is water vapor as a gas, but also for a sensor system that senses the content of a specific gas for a gas whose composition is known.
[0020]
Claims of the invention 2 The gas sensing system according to claim 1 measures the absolute humidity in the case where the wet air is the ambient gas and the gas to be detected is water vapor, that is, a physical quantity.
[0021]
Further, the claims of the present invention 3 In the gas sensing system according to claim 1 or claim 2, by applying two different pulse voltages to a single heater 6 within a certain period of time, the gas sensing system according to claim 1 is set to a constant value in the place A or the place B. Control is performed by switching so that the temperature of one controlled location becomes a predetermined temperature Tl exceeding the temperature Tc of the surrounding gas and a predetermined temperature Th exceeding the temperature Tl, and the temperature Tl, the temperature Th, and the temperature Ta Using the temperature Ta at each location A, the temperature Tb at location B, and the temperature Tc of the surrounding gas when the temperature Tb is set, the content of the gas to be detected such as absolute humidity can be calculated. is there.
[0022]
Here, one piece of heat separated from the substrate 1 A bunch of A temperature sensor is disposed in each of the thin film 4 at a location A and a location B of the heater 6, and for example, a temperature Ta at the location A is applied with a pulse voltage to maintain a predetermined temperature Tl = 200 ° C. for a moment. In addition, by switching to a high pulse voltage and applying it for a moment and maintaining the predetermined temperature Th = 400 ° C., the temperature Tb of each of the places B at these times is measured, and the ambient temperature that is not heated is an ambient gas This is a case where Tc is measured by the temperature sensor TSc formed on the substrate 1 and absolute humidity or the like is calculated by using the following equations (1), (2), and (3).
[0023]
Further, the claims of the present invention 4 The gas sensing system according to claim 1 is characterized in that, in claim 1 or 2, each of the two continuous thin films 4 that are thermally separated from the substrate 1 is provided with one heater 6 and each location of the heater 6. A temperature sensor TSa that detects the temperature Ta of A, and a temperature sensor TSb that is disposed at a location B spaced apart from the heater 6 so as to have thermal resistance, and that detects the temperature Tb at that location B; The temperature Ta of the thin film 4 at the location A or the temperature Tb of the location B is set to a predetermined temperature T1, and the temperature Ta of the location A of the other thin film 4 or the temperature Tb of the location B is set to a predetermined value Th. In the gas sensing system according to claim 3, in which the temperature of the heater 6 is controlled, unlike the case of claim 4 described above, two continuous thin films 4 are prepared which are thermally separated from the substrate 1 and are separated from each other. Warm Private heated to Th, as saying that only heated to a temperature Tl, a case where the separation into two heaters 6.
[0024]
By separating the two heaters 6 in this way, the temperature outputs at the two temperatures Th and Tl can be differentially amplified in real time, and the S / N can be easily increased.
[0025]
Further, the claims of the present invention 5 The gas sensing system related to In any one of Claims 1-4, This is suitable when the system is integrated when the temperature sensor TSc for measuring the ambient temperature is formed on the substrate 1 such as a semiconductor.
[0026]
Further, the claims of the present invention 6 The gas sensing system related to In claim 1 or claim 5, The physical quantity is a gas flow rate or flow rate.
[0027]
Further, the claims of the present invention 7 The gas sensing system related to In claim 1 or claim 4, This is a case where the degree of vacuum, which is the gas pressure, is measured as a physical quantity. When the degree of vacuum is improved as in the Pirani gauge, the number of gas gas molecules impinging on the continuous thin film 4 thermally separated from the substrate 1 having the heater 6 is reduced, so that heat is difficult to escape and the power consumption of the heater 6 is reduced. As the temperature reaches at least the set temperature, a temperature difference between the location A and the location B is less likely to occur.
[0033]
Further, the claims of the present invention 8 The gas sensing system related to In any one of Claims 1-7, When the thin film 4 between the location A and the location B is provided with a slit 45 to increase the thermal resistance, the temperature difference between the location A and the location B is large due to a change in thermal conductivity based on a change in the composition of the surrounding gas. It is intended to be easy to become.
[0034]
Further, the claims of the present invention 9 The gas sensing system related to In any one of Claims 1-8, For example, in a sensor that detects the concentration of a gas to be detected, which is a specific gas in the surrounding gas, when the gas to be detected does not exist or when it is present, it is a known content, or in a flow sensor When there is no air flow, or when the vacuum sensor is at a high vacuum or a specific degree of vacuum, it is handled as a predetermined reference state, and the output of the temperature sensor TSa or temperature sensor TSb in this reference state is amplified. The circuit is configured so that the differential amplification output value of the output of the temperature sensor TSa and the output of the temperature sensor TSb becomes zero in the reference state, and the physical quantity of the ambient gas is further set based on the zero output. When the concentration of a component or gas is measured, it is possible to measure with high sensitivity and high accuracy by using zero output as a reference.
[0035]
Further, the claims of the present invention 10 The gas sensing system related to Any one of claims 1 to 9 In the structure of a gas sensing system, a bipolar transistor or a semiconductor diode is used as a temperature sensor that is highly sensitive and highly accurate as a temperature sensor used therefor and can be simply integrated.
[0036]
Further, the claims of the present invention 11 The gas sensing system related to Claim 10 In the case where the slit 45 is provided in the thin film 4 between the location A and the location B to increase the thermal resistance, the slit 45 can be easily formed without increasing the distance between the location A and the location B. Therefore, the temperature difference between the location A and the location B where the heater 6 exists can easily be increased due to changes in the surrounding gas humidity, gas concentration, flow rate, and other physical quantities, and the temperature difference output is large. Thus, a highly sensitive and highly accurate gas sensing system is achieved.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is based on the following knowledge of the present inventors. FIG. 1 is a simulation result of the thermal conductivity of wet air calculated by the inventor of the present application, in which nitrogen gas and oxygen gas are approximated as dry air at 80:20, and this contains water vapor in a molar ratio X This shows a calculation of the thermal conductivity λ of the wet air when the ambient temperature Ta changes.
[0038]
From the simulation results of FIG. 1, it can be seen that the thermal conductivity λ of wet air at a low temperature of 0 ° C. decreases monotonously as the proportion of moisture content (water vapor content) X increases. At about 100 ° C., the heat conductivity λ of wet air does not change until the ratio of the moisture amount X is about 0.3 molar ratio, and then decreases. Above 200 ° C., a low water content with a water content X ratio of about 0.3 molar ratio tends to increase slightly with the water content X, but it is extremely gentle and can be regarded as almost constant.
[0039]
From around 300 ° C., the thermal conductivity λ of the humid air increases with the proportion of the moisture content X, and it can be seen that this increases with a steep slope as the temperature increases. However, the thermal conductivity λ of the humid air tends to saturate together with the moisture amount X, and even from a high temperature, the absolute humidity is determined from the heat dissipation from the heater 6 with the increase in the thermal conductivity λ of the water vapor amount at a constant temperature. It can be seen that the accuracy decreases when the concentration of water vapor is high.
[0040]
However, according to a simulation using actually measured data, the difference Δλ between the thermal conductivity λ of the wet air at different temperatures Th and Tl of at least 100 ° C. or more (for example, temperature Th = 400 ° C., temperature Tl = 200 ° C. constant) is As shown in FIG. 2, the present inventor found that it can be approximated by a substantially linear function (straight line) of the molar ratio X of the water vapor amount.
[0041]
From this, if Δλ is obtained by measuring or calculating the difference Δλ of the thermal conductivity λ of wet air at different temperatures Th and Tl, it is almost linear with the ratio of the amount of moisture X. It can be seen that the water vapor concentration can be measured with high accuracy up to a high water vapor amount (water content).
[0042]
Therefore, for example, the voltage applied to the heater 6 is controlled so that the temperature Ta at the location A of the heater 6 becomes a predetermined value of a predetermined temperature Tl (for example, 200 ° C.) and a temperature Th (for example, 400 ° C.). When the thermal conductivity λl and λh of the wet air at the respective temperatures Tl and Th are approximately obtained from the heat transfer equation, the relational expressions shown in Equations 1 and 2 are obtained. Further, the difference Δλ is obtained by simulation. From the result, it can be approximated as a linear function of X as shown in Equation 3.
[0043]
[Expression 1]
λl = k (Tl−Tb) / (Tl−Tc)
Here, k is a proportional constant, Tl is the temperature of the place A, Tc is the temperature of the surrounding gas (ambient temperature), and Tb is the temperature of the place B.
[0044]
[Expression 2]
λh = k (Th−Tb) / (Th−Tc)
Where Th is the temperature at location A
[0045]
[Equation 3]
Δλ = λh−λl = aX + b
[0046]
Assuming that the difference Δλ is linearly related to the molar ratio X of absolute humidity, the coefficients a and b are obtained in advance from experiments, and the calibration curve is obtained, whereby the absolute humidity in the ambient gas is determined. Can be calculated. Of course, the relative humidity can also be obtained from the calculated absolute humidity using the temperature Tc of the surrounding gas.
[0047]
In the above, water vapor, which is a gas to be detected in the surrounding gas, that is, absolute humidity is taken as an example, but the same can be said for a specific gas other than water vapor as the gas to be detected. Can be
[0048]
Hereinafter, embodiments of the gas sensing system of the present invention and the temperature sensor used therefor will be described in detail with reference to the drawings.
[0049]
[Example 1]
FIG. 4 shows a schematic diagram of a sensor chip which is a gas sensing unit of the gas sensing system. FIG. 4A shows a plan view thereof, and FIG. 4B shows the same figure (A). The cross-sectional shape figure seen from XX in FIG.
[0050]
This sensor chip is an example in which the substrate 1 which is a silicon SOI substrate is used, and a cavity 3 is formed in the base substrate 2, and a groove 40 is provided above the cavity 3, so that the sensor chip is left. The thin film 4 is supported by the beams 5 of the thin film 4 at six locations. The thin film 4 and these beams 5 are composed of the BOX layer 10 and the single crystal silicon thin film 20 of the SOI substrate as main constituent materials. It is said. For this reason, the thin film 4 has a structure floating in the air and is thermally separated from the substrate 1.
[0051]
The single crystal silicon thin film 20 is a p-type layer 210, and an n-type diffusion layer 220 formed by n-type impurity diffusion can be used as the thin film heater 6. Since the thin-film heater 6 of the n-type layer 220 has a conductivity type different from that of the surrounding p-type layer 210, a pn junction is formed between them, and the heater 6 is separated from the surrounding p-type layer 210. It is a structure that is electrically isolated. Therefore, when a current is passed through the heater electrode 140, the current can flow only in the heater 6, and only the heater 6 can be Joule-heated.
[0052]
In addition, on both sides of the thin film 4, there is an n-type layer 220 region formed simultaneously with the thin-film heater 6 which is the above-described n-type diffusion layer 220, and pn junction diodes 7a and 7b are formed. The temperature sensor TSa for measuring the temperature Ta of the heater 6 at the location A and the temperature sensor TSb for measuring the temperature TSb of the location B are used. In order to measure a temperature of 150 ° C. or higher, a reverse bias voltage of about 1 V is applied to the pn junction diodes 7a and 7b, and the temperature is determined from the temperature dependence of the reverse saturation current Is. Further, in order to measure a temperature of 150 ° C. or lower, a forward bias of about 0.5 V is applied and the current change is preferably obtained. In forward bias, if the bias voltage is changed, the sensitivity of the temperature to be measured can be changed.
[0053]
In the above description, pn junction diodes are used as the temperature sensors TSa and TSb. However, a transistor thermistor using a pn junction between an emitter and a base can be used as a bipolar transistor, or a thermocouple. Or a thermopile may be used.
[0054]
The above figure 4 The sensor chip shown in FIG. 1 can be formed by using a semiconductor microfabrication technology utilizing anisotropic photolithography of single crystal silicon, an anisotropic etching technology, an impurity diffusion process, a thermal oxidation process, etc. The electrodes 120 and 130 can be easily formed by photolithography. For metallization of the electrodes and the like, it is better to use a metal that is resistant to an alkaline etching solution, which is anisotropic etching used when forming the cavity 3 on the back surface of the substrate 1. However, when using non-tolerant metals such as aluminum, it is necessary to provide resistance as an alloy of aluminum and silicon, or to perform anisotropic etching after forming a protective film thereon. is there.
[0055]
Next, the temperatures Ta and Tb of the thin film 4 heated by the heater 6 and the locations A and B of the heater 6 on the thin film 4 by the temperature sensors TSa and TSb comprising the pn junction diodes 7a and 7b, respectively. The temperature measurement and gas sensing system will be described.
[0056]
The thickness of the SOI thin film (this part is the single crystal silicon thin film 20) of the SOI substrate which is the substrate 1 is 6 μm, the size of the thin film 4 surrounded by the grooves 40 is 700 μm × 1500 μm, and the thickness of the BOX layer 10 is 2 μm. When n-type impurity diffusion was performed to form the n-type diffusion layer 220, the resistance of the thin film heater 6 was approximately 30Ω, depending on the impurity diffusion temperature and time. When a rectangular wave voltage of 5 V was applied through the heater electrode 140 and a current was passed, the temperature of the heater 6 rose to 400 ° C. or more with a thermal time constant of several hundred milliseconds. The heater 6 is arranged on one side of the thin film 4 thermally separated from the substrate 1 (this place is A), the temperature Ta at this place A, and the temperature at a place B slightly separated through the slit 45. Tb is slightly different due to heat dissipation due to heat conduction to the surrounding gas, and since the point A is a heat source, there is a temperature difference that always makes the temperature Tb smaller than the temperature Ta.
[0057]
The power supply to the heater 6 is controlled so as to maintain the temperature Ta at the location A at a predetermined temperature using the temperature sensor TSa and the temperature sensor TSb that measure the temperature Ta and the temperature Tb, respectively, or the location B The temperature Tb can be controlled to be maintained at a predetermined temperature. In the present embodiment, a case will be described in which the feedback system using the temperature sensor TSa is used to control the temperature Ta at the point A of the heater to be maintained at a predetermined temperature.
[0058]
Further, in this embodiment, the most characteristic sensor chip in the gas sensing system is taken up and described, and the sensor chip package, the power supply circuit as the gas sensing system, the signal processing circuit, etc. are omitted. The conventional technology can be used.
[0059]
As the physical quantity of the surrounding gas, for example, when the absolute humidity increases, the thermal conductivity of the surrounding gas at the temperature Ta at the location A of the heater 6 and the temperature Tb at the location B increases, so that heat dissipation increases, and Since the cooling effect of the place B is increased, the electric power of the heater 6 is increased in order to keep the temperature Ta of the place A at a constant value of the temperature Tl (for example, 200 ° C.) or the temperature Th (for example, 400 ° C.). There must be.
[0060]
Since the temperature Ta at the location A of the heater 6 is maintained, the location B is heated from the heater 6 mainly through the heat conduction of the thin film 4. However, as the thermal conductivity λ of the surrounding gas increases, the location A of the heater 6 increases. The temperature difference between the temperature Ta and the temperature Tb at the place B increases. When these temperature difference information, information on the temperature Ta at the place A and the information on the temperature Tb at the place B, and information on the ambient temperature Tc are used, the above-described mathematical formulas, Equations 1, 2 and 3 are used for calibration. Calculate and obtain absolute humidity using calibration data on absolute humidity.
[0061]
The Joule heating of the heater 6 and the maintenance of the predetermined temperatures Tl and Th are sufficient because the thermal time constant of the thin film 4 thermally separated from the substrate 1 is several tens of milliseconds, so it is sufficient to apply a rectangular pulse of about 100 milliseconds. Also, it may be measured in about 50 milliseconds at the end of the applied rectangular pulse. If the heating time of the heater 6 is longer than necessary, the temperature of the substrate 1 is also increased, and the temperature sensor TSc, which is a pn junction diode 7c formed directly on the substrate 1, is used to measure the ambient gas temperature Tc. Rather, it causes an error.
[0062]
The temperature difference between the temperature Ta at the place A and the temperature Tb at the place B is measured, and the absolute humidity is calculated by using this difference. Therefore, the applied voltage for maintaining the heater at a constant temperature in the conventional absolute humidity measurement is measured. Unlike the case where the absolute humidity is used for calculation, the sensitivity to the absolute humidity is large.
[0063]
In addition, since the slit 45 is provided between the location A and the location B of the thin film 4, the heat from the heater 6 at the location A is difficult to be transmitted to the location B due to the thermal resistance. Since the temperature difference between Ta and the temperature Tb at the place B tends to be large, the sensitivity becomes high.
[0064]
Further, a reference voltage for a temperature difference between the temperature Ta at the location A and the temperature Tb at the location B at this time is created based on the absolute humidity of the ambient gas serving as a predetermined reference, for example, when dry. By differential amplification with voltage, absolute humidity can be measured with higher sensitivity.
[0065]
Even when a plurality of gases to be measured are mixed in the surrounding gas, the concentration of a plurality of specific gases can be calculated from the temperature dependence of temperature and thermal conductivity. The temperature Ta of the heater 6 is not set to a predetermined constant temperature, but is raised or lowered according to a predetermined program, and the temperature at the location B due to the temperature dependence of the thermal conductivity of the surrounding gas with respect to the temperature changing one after another. A component and concentration of a specific ambient gas can also be obtained by solving simultaneous equations relating to a plurality of specific gases using a temporal change pattern due to heat radiation of the temperature Tb.
[0066]
The method for measuring absolute humidity described above can be applied to the measurement of physical quantities of ambient gas, for example, the degree of vacuum, the flow rate of gas, the components of specific gases contained in the gas, and their concentrations.
[0067]
[Example 2]
Of course, the gas sensing system of the present invention is applied to an absolute hygrometer, which is a measurement of the concentration of water vapor in the atmosphere, that is, the absolute humidity, as known in the prior art, and does not measure the ambient temperature Tc. Furthermore, the temperature Ta of the heater 6 of the thin film 4 is maintained while being switched to a predetermined temperature Tl and Th by pulse voltage driving, and if the ambient temperature Tc is about 250 ° C. or less, the absolute humidity is obtained without depending on this. be able to.
[0068]
First, in FIG. 4, only the temperature sensor TSa at the location A of the heater 6 is used (in this case, the temperature sensor TSb is not necessarily formed in FIG. Only the temperature sensor TSa may be formed), and the temperature Ta at this point is the high temperature side Th = 400 ° C. or higher, for example, 450 ° C. constant, and the ambient gas temperature Tc, for example, Tc = 200 ° C. or higher The temperature is controlled by switching over time so that the temperature Tl becomes constant at 230 ° C.
[0069]
That is, in order to keep the high temperature side Th = 450 ° C. constant, a rectangular pulse voltage is applied to the heater 6, and the pn junction diode 7a is a temperature sensor TSa that detects the temperature of the thin film 4 portion. When it becomes almost constant, a reverse bias voltage, for example, a reverse saturation current Is of a pn junction diode 7a as a temperature sensor TSa to which 1.0 V is applied is output, and a heater is maintained so that this value (about 1 mA) can be maintained. The rectangular pulse voltage is adjusted to 6 to control the current flowing therethrough. Similarly, the temperature Tl on the low temperature side is kept constant at 230 ° C.
[0070]
According to the simulation, when the temperature is about 270 ° C. or higher, water vapor in the atmosphere has a higher thermal conductivity than that of pure air. Therefore, the air containing water vapor in contact with the thin film 4 at a high temperature of 450 ° C. is approximately 450 ° C. Since the thermal conductivity of water vapor is higher than that of pure air, air containing water vapor is more likely to take heat away from the high-temperature thin film 4 than pure air, and the thin film 4 is heated to 450 ° C. In order to maintain this, it is necessary to increase the Joule heat generated by the power consumption P by supplying a large amount of current to the thin film heater 6. Further, when the amount of water vapor contained is small, the thin film heater 6 requires less power consumption P, so that only a small current needs to flow through the thin film heater 6.
[0071]
Thus, if the circuit for controlling the power consumption P of the thin film heater 6 is configured so that the output signal of the reverse saturation current Is of the pn junction diode 7a becomes constant, the thin film 4 is controlled to a constant temperature. It will be. Under such control, the power consumption P of the thin film heater 6 or the heater current flowing through the thin film heater 6 is measured. From the relationship between the heater current and the absolute humidity in the air, the current in the air at the ambient temperature is measured. Calculate absolute humidity or convert to relative humidity in consideration of environmental temperature.
[0072]
Conventionally, the same method is used, but it has been considered that the measurement cannot be performed unless the temperature Tc of the humid air is 150 ° C. or less. However, even if Tc = 200 ° C., which is widely used industrially, from the simulation results, If the ratio X is about 0.4 or less, measurement can be performed with little error.
[0073]
[Example 3]
FIG. 5 shows a sensing unit of one embodiment that measures the concentration of the gas to be detected by the reaction heat change based on the catalytic reaction of the gas to be detected in the surrounding gas in the gas sensing system of the present invention. In this embodiment, in the thin film 4 of the sensor chip shown in FIG. 4, the thin film of the thin film catalyst 300300 that causes a catalytic reaction to the detected gas via the insulating thin film 30 on the temperature sensor TSb formed at the location B. Is formed. For combustible gases such as methane gas and propane gas, a thin film of tin oxide or a mixture of tin oxide and platinum fine particles can be used as the thin film catalyst 300300.
[0074]
When the temperature Tb of the heater 6 is kept constant at 450 ° C. and the temperature Tb at the place B is measured, if there is a flammable gas in the surrounding gas, the reaction heat reacts even if the flammable gas is about 450 ° C. due to catalytic reaction. Occurs and the temperature Tb rises. For this reason, the temperature difference between the constant temperature Ta = 450 ° C. and Tb is reduced (in some cases, Tb may pass Ta by reaction heat), and the degree thereof is related to the concentration of the combustible gas. The concentration of combustible gas is obtained based on such data.
[0075]
In addition, for example, the temperature Ta of the heater 6 is not set to a predetermined constant temperature, and the reaction varies depending on the type of combustible gas with respect to the temperature that changes from time to time according to a predetermined program. Can be used to solve the simultaneous equations based on the temporal pattern of the temporal temperature Tb to determine the component and concentration of the specific combustible gas.
[0076]
In addition, since a known circuit can be utilized for circuit structures, such as a control circuit of a gas sensing system of this invention, a signal processing circuit, and a display circuit, it is abbreviate | omitting here.
[0077]
In the above, an example of water vapor was shown as the measurement gas of the ambient gas, but it is possible to measure carbon dioxide gas, hydrogen, helium, argon, etc. in the air as the measurement gas. No.
[0078]
In the above-described example, only the minimum necessary thin film heater 6 and the pn junction diode 7 of the temperature sensor are integrated on the sensor chip. It goes without saying that circuits that can be integrated can be integrated on the same substrate 1 as necessary.
[0079]
Further, the above-described embodiment is an embodiment, and it is needless to say that various modifications having the same gist, operation, and effect can be made.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the thin film heater 6 and the temperature sensor are integrated in the thin film 4 thermally separated from the substrate 1, the heat capacity is reduced, the power consumption is reduced, and the temperature control is possible. It can be achieved at high speed and with high accuracy, and furthermore, since it can be driven by a dry cell, an advantageous effect that it can be portable is obtained.
[0081]
The thin film heater 6 can also be formed of single crystal silicon, and is covered with a silicon oxide film that is stable even at high temperatures, so that its change with time is extremely small, and a single crystal silicon thin film pn junction diode is used. Therefore, the advantageous effect that an extremely stable gas sensing system can be provided is obtained.
[0082]
Further, when the gas sensing system of the present invention was implemented as an absolute hygrometer using water vapor as a physical quantity, the temperature of air rapidly heated by the thin film heater 6 was set even when the ambient environmental temperature was room temperature. Since the high temperature of the thin film 4 becomes instantaneous, for example, about 450 ° C., not only the absolute humidity at ambient temperature Tc at room temperature can be measured, but also the absolute humidity in a high temperature where the ambient temperature Tc is about 200 ° C. is extremely high. There is an advantage that it is possible to measure stably and with high accuracy and to provide a portable small humidity sensor.
[0083]
In the gas sensing system of the present invention, the thin film 4 thermally separated from the substrate 1 measures the temperature difference between the temperature Ta at the location A of the heater 6 and the temperature Tb at a location B slightly away from the temperature. , There is an advantage that physical quantities mediated by heat such as humidity, flow velocity, degree of vacuum, gas components and their concentrations can be measured with high sensitivity.
[0084]
Further, when the gas sensing system of the present invention is implemented as an absolute hygrometer using water vapor as a physical quantity, the difference Δλ between the thermal conductivity λ of wet air at two different temperatures Th and Tl is a linear function of the molar ratio of water vapor. The difference Δλ between the thermal conductivity λ can be expressed using the fact that the ambient temperature Tc and two different temperatures Th and Tl, the temperature Ta and the temperature Tb, and the temperature difference between the temperature Ta and the temperature Tb are obtained. There is an advantage that the absolute humidity is required even when the temperature Tc is very high. Of course, since the ambient temperature Tc is known, the relative humidity can be easily converted.
[0085]
Further, in the gas sensing system of the present invention, since the thermal response of the gas sensing unit is fast, it is possible to easily set a temperature rise or fall programmed in time, and the thermal conductivity of the surrounding gas of a plurality of known mixed specific gases can be set. By using the change and using the data of the temporal change pattern of the temperature Tb at the location B corresponding to the momentary temperature, there is an advantage that the component and concentration of the mixed specific gas can also be calculated.
[0086]
In the gas sensing system of the present invention, since the thin film catalyst 300300 is formed on the thin film 4 and catalytic reaction heat can be used, not only the concentration of a specific gas such as a combustible gas can be obtained, but also the time of the heater 6 As a result, it is possible to calculate the component and concentration of the mixed gas such as combustible gas by using the temporal change pattern similarly to the above by the programmed temperature rise and fall.
[0087]
Moreover, since it can be formed on a silicon semiconductor substrate as the substrate 1, it is possible to integrate various signal processing circuits, memory circuits, power supply circuits, display circuits, and other circuits necessary for the gas sensing system, so that it is extremely small and has low power consumption. A highly reliable gas sensing system can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing simulation results for a molar ratio X of the thermal conductivity λ of wet air and the amount of water vapor.
FIG. 2 is a diagram showing simulation results for the thermal conductivity λ of wet air at different temperatures Th and Tl, the difference Δλ between them, and the molar ratio X of the amount of water vapor.
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of the relationship between the temperature of wet air and the thermal conductivity.
FIG. 4 is a schematic diagram of a sensor chip that is a gas sensing unit in an embodiment of the gas sensing system of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a sensing unit when a thin film catalyst 300 is provided in another embodiment of the gas sensing system of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Base substrate
3 cavity
4 Thin film
5 beams
6 Heater
7, 7a, 7b,
7c, 7d pn junction diode
10 BOX layer
20 Single crystal silicon thin film
30 Insulating thin film
40 grooves
45 slits
51, 52 Silicon oxide film
100a, 100b Heater electrode
120 p-type electrode of pn junction diode
130 n-type electrode of pn junction diode
140 Heater electrode
150 wiring
210 p-type layer
220 n-type diffusion layer
300 Thin film catalyst

Claims

基板（１）から熱分離した一続きの薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御してあり、薄膜（４）に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃからの出力とを利用して周囲気体の物理量を計測するものであって、周囲気体の温度が、温度Ｔｃ以上の所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになった時、周囲気体の熱伝導率の差が、周囲気体中の被検出気体の含有量に直線関係であることを利用するものであり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、上記所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとの一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御してあり、この温度Ｔｌと温度Ｔｈにおける周囲気体の熱伝導率の差を求めるようにして、物理量としての被検出気体の含有量を計測するようにしたことを特徴とする気体センシングシステム。The continuous thin film (4) thermally separated from the substrate (1) has at least one heater (6), a temperature sensor TSa for detecting the temperature Ta at the location A of the heater (6), and a thermal resistance. And a temperature sensor TSb that detects the temperature Tb of the location B, and the temperature Ta of the location A or the temperature Tb of the location B has a constant value. The temperature of the heater (6) is controlled as described above, and a temperature difference is generated between the location A and the location B due to a change in heat conduction to the surrounding gas in contact with the thin film (4). intended for measuring the output of the sensor TSb, and the temperature difference information of the location a and location B by the output, the physical quantity of surrounding gas by utilizing the output from the temperature sensor TSc for detecting the temperature Tc of the peripheral囲気body The ambient gas temperature is When the predetermined temperature Tl of the degree Tc or higher and the predetermined temperature Th exceeding the temperature Tl are reached, the difference in thermal conductivity of the ambient gas is linearly related to the content of the gas to be detected in the ambient gas. The temperature of the heater (6) is controlled so that the temperature Ta at the place A or the temperature Tb at the place B becomes a constant value between the predetermined temperature Tl and the temperature Th. A gas sensing system characterized by measuring a content of a gas to be detected as a physical quantity by obtaining a difference in thermal conductivity of ambient gas between the temperature Tl and the temperature Th .

湿潤空気を周囲気体、被検出気体を水蒸気とした請求項１に記載の気体センシングシステム。The gas sensing system according to claim 1, wherein the humid air is an ambient gas and the gas to be detected is water vapor.

一個のヒータ（６）に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、場所Ａもしくは場所Ｂのうち、一定値になるように制御した一方の場所の温度が周囲気体の温度Ｔｃを越える所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになるように切り替えて制御し、温度Ｔｌと温度Ｔｈ、温度Ｔａと温度Ｔｂに設定した時のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂ、および周囲気体の温度Ｔｃを利用して、被検出気体の含有量を算出できるようにした請求項１もしくは請求項２に記載の気体センシングシステム。By applying two different pulse voltages to a single heater (6) within a certain period of time, the temperature of one of the locations A or B, which is controlled to be a constant value, becomes the ambient gas temperature Tc. The temperature Ta of each place A when the temperature Tl and the temperature Th, the temperature Ta and the temperature Tb are set is controlled by switching to a predetermined temperature Tl exceeding the predetermined temperature Tl and a predetermined temperature Th exceeding the temperature Tl. The gas sensing system according to claim 1 or 2, wherein the content of the gas to be detected can be calculated using the temperature Tb of the location B and the temperature Tc of the surrounding gas.

基板（１）から熱分離し独立した２個の一続きの薄膜（４）のそれぞれに、１個のヒータ（６）と、該ヒータ（６）のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、一方の薄膜（４）の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、所定の温度Ｔｌ、他方の薄膜（４）の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度Ｔｈの一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御した請求項１もしくは請求項２に記載の気体センシングシステム。Respectively from the substrate (1) of the thermal isolation and independent two stretches thin film (4), the temperature detected and one heater (6), the temperature Ta of each location A of the heater (6) A sensor TSa and a temperature sensor TSb for detecting a temperature Tb at the location B are arranged at a location B spaced apart from the heater (6) so as to have thermal resistance, and one of the thin films (4) A heater (a temperature Ta or a temperature Tb at a location B is a predetermined temperature Tl, and a temperature Ta at a location A or a temperature Tb at a location B of the other thin film (4) is a constant value of a predetermined temperature Th. The gas sensing system according to claim 1 or 2, wherein the temperature of 6) is controlled.

温度センサＴＳｃを基板に形成した請求項１から請求項４のいずれかに記載の気体センシングシステム。Gas sensing system according to claim 4 temperature sensor TSc claim 1 formed on a substrate.

物理量として気体の流量もしくは流速とした請求項１もしくは請求項５に記載の気体センシングシステム。The gas sensing system according to claim 1 or 5, wherein the physical quantity is a gas flow rate or a flow velocity.

物理量として真空度とした請求項１もしくは請求項５に記載の気体センシングシステム。The gas sensing system according to claim 1 or 5, wherein the physical quantity is a degree of vacuum.

場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜（４）にスリット（４５）を設けて熱抵抗を大きくさせた請求項１から請求項７のいずれかに記載の気体センシングシステム。Gas sensing system according to any of claims 7 slit (45) from claim 1 which has been increased thermal resistance is provided to the thin film (4) between the locations A and location B.

所定の基準状態での温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を調節して、その基準状態で温度センサＴＳａの出力と温度センサＴＳｂの出力の差動増幅出力値がゼロになるように構成し、このゼロ出力を基準にして周囲気体の物理量、成分もしくは気体の濃度を計測するようにした請求項１から請求項８のいずれかに記載の気体センシングシステム。Adjusting the output of the temperature sensor TSa or the temperature sensor TSb in a predetermined reference state, and configuring the differential amplification output value of the output of the temperature sensor TSa and the output of the temperature sensor TSb to be zero in the reference state; The gas sensing system according to any one of claims 1 to 8 , wherein the physical quantity, component, or gas concentration of the surrounding gas is measured with reference to the zero output.

基板（１）から熱分離した一続きの薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備えた構造を有する気体センシングシステムの温度センサにおいて、温度センサＴＳａおよび温度センサＴＳｂをバイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとしたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の気体センシングシステムに用いる温度センサ。The continuous thin film (4) thermally separated from the substrate (1) has at least one heater (6), a temperature sensor TSa for detecting the temperature Ta at the location A of the heater (6), and a thermal resistance. In the temperature sensor of the gas sensing system, the temperature sensor TSa and the temperature are arranged at a location B spaced apart from the heater (6) and having a structure including a temperature sensor TSb for detecting the temperature Tb of the location B. The temperature sensor used for the gas sensing system according to any one of claims 1 to 9 , wherein the sensor TSb is a bipolar transistor or a semiconductor diode.

場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜（４）にスリット（４５）を設けて、場所Ａと場所Ｂ間の熱抵抗を大きくさせた構造体に形成した請求項１０に記載の気体センシングシステムに用いる温度センサ。The gas sensing system according to claim 10, wherein a slit (45) is provided in the thin film (4) between the place A and the place B to form a structure in which the thermal resistance between the place A and the place B is increased. The temperature sensor used .