JP6879060B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサ及びガス濃度の検出方法に関し、特に、検出対象ガスとは異なるガスの影響をキャンセル可能なガスセンサ及びガス濃度の検出方法に関する。

ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであるが、雰囲気中に含まれる検出対象ガスとは異なるガスによって測定値に誤差が生じることがある。特許文献１には、波高値の異なる電流をセンサに印加して反応値を求め、この反応値を推定式に代入して解を求めることによって、検出対象ガスとは異なるガスの影響を排除する方法が開示されている。

特開平８−１０１１５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、ガス濃度を算出するための演算処理が複雑であるとともに、誤差が大きいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、より簡単な方法で検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除可能なガスセンサ及びガス濃度の検出方法を提供することである。

本発明によるガスセンサは、第１のガスに対する検出感度が第１の検出感度であり、第２のガスに対する検出感度が第２の検出感度である第１の温度に加熱されることによって第１の検出信号を生成し、前記第１のガスに対する検出感度が前記第１の検出感度よりも低い第３の検出感度であり、前記第２のガスに対する検出感度が前記第３の検出感度よりも高い第４の検出感度である第２の温度に加熱されることによって第２の検出信号を生成するセンサ部と、前記第２の検出信号に基づいて前記第２のガスの濃度に相当する第１の信号成分を算出するとともに、前記第１の検出信号と前記第１の信号成分に基づいて、前記第１のガスの濃度を算出する信号処理回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によるガス濃度の検出方法は、第１のガスに対する検出感度が第１の検出感度であり、第２のガスに対する検出感度が第２の検出感度である第１の温度にセンサ部を加熱することによって第１の検出信号を取得する第１の工程と、前記第１のガスに対する検出感度が前記第１の検出感度よりも低い第３の検出感度であり、前記第２のガスに対する検出感度が前記第３の検出感度よりも高い第４の検出感度である第２の温度に前記センサ部を加熱することによって第２の検出信号を取得する第２の工程と、前記第２の検出信号に基づいて前記第２のガスの濃度に相当する信号成分を算出する第３の工程と、前記第１の検出信号と前記信号成分に基づいて前記第１のガスの濃度を算出する第４の工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１のガスに対する検出感度が低い第２の温度に加熱することにより、第２のガスの濃度に相当する信号成分を算出していることから、第２のガスの影響を簡単且つ高精度に除去することが可能となる。

本発明において、信号処理回路は、第２の検出信号と第４の検出感度に基づいて第２のガスの濃度を示す中間値を算出し、中間値と第２の検出感度に基づいて第１の信号成分を算出しても構わない。これによれば、第２の検出感度と第４の検出感度が異なっている場合であっても、第２のガスの濃度に相当する第１の信号成分を正しく算出することが可能となる。

この場合、信号処理回路は、第１の検出信号から第１の信号成分を減じることによって、第１のガスの濃度を示す第２の信号成分を算出し、第２の信号成分と第１の検出感度に基づいて第１のガスの濃度を算出することが好ましい。これによれば、簡単な演算によって第１のガスの濃度を算出することが可能となる。

本発明において、信号処理回路は、第１の検出感度と第３の検出感度の比又は差に基づいて、第１のガスの濃度を補正しても構わない。これによれば、第１のガスの濃度をより正確に算出することが可能となる。

本発明において、信号処理回路は、環境温度に基づいて、前記第１、第２及び第４の検出感度の少なくとも一つを補正しても構わない。これによれば、第１のガスの濃度をより正確に算出することが可能となる。

本発明において、第３の検出感度は第１の検出感度の１／１０以下であることが好ましい。これによれば、第１のガスの濃度をより正確に算出することが可能となる。

本発明において、センサ部は、第１の温度に加熱される第１のセンサ部と、第２の温度に加熱される第２のセンサ部を含んでいても構わない。これによれば、共通のセンサ部を用いて検出を行う場合と比べてより正確な検出を行うことができるとともに、制御が容易となる。この場合、第１のセンサ部と第２のセンサ部は、排他的に加熱されることが好ましい。これによれば、第１のセンサ部と第２のセンサ部の熱干渉による測定誤差の発生を防止することができる。

本発明において、センサ部は熱伝導式のセンサであっても構わない。熱伝導式のセンサは高い検出感度を得ることが難しく、検出誤差が大きくなる傾向があるが、本発明によれば、検出対象ガスとは異なるガスに起因する検出誤差を低減することが可能となる。

本発明において、第１のガスはＣＯ_２ガスであり、第２のガスは水蒸気であっても構わない。これによれば、ＣＯ_２ガスの濃度検出において湿度の影響を排除することが可能となる。

このように、本発明によれば、簡単な方法で検出対象ガスとは異なるガスの影響を高精度に排除することができる。これにより、検出対象ガスの濃度を高精度に測定することが可能となる。

図１は、本発明の原理を説明するための模式図である。 図２は、本発明の実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。 図３は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。 図４は、図３に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図５（ａ）はＣＯ_２ガスの濃度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は湿度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２との関係を示すグラフである。 図６は、環境温度と検出感度との関係を示す表である。 図７は、ガスセンサ１０の動作を説明するためのフローチャートである。 図８は、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形の一例を示すタイミング図である。 図９は、環境温度と検出感度との関係を示すテーブルの一例である。 図１０は、実測値を示す表である。

本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する前に、本発明の原理について説明する。

図１は、本発明の原理を説明するための模式図である。

本発明は、温度によって検出感度が大きく変化するガスが存在するという点に着目し、高い検出感度が得られる温度と検出感度が大きく低下する温度の２条件で検出を行うものである。例えば、図１に示す温度Ａは、第１のガスに対する検出感度（第１の検出感度）や第２のガスに対する検出感度（第２の検出感度）が高い温度条件であり、この条件で測定を行うと、第１のガスの濃度に基づく信号成分Ａ１と第２のガスの濃度に基づく信号成分Ａ２が混在した検出信号Ｖｒｄ１が得られる。

これに対し、図１に示す温度Ｂは、第１のガスに対する検出感度（第３の検出感度）が温度Ａにおける検出感度（第１の検出感度）よりも低く、且つ、第２のガスに対する検出感度（第４の検出感度）が第１のガスに対する検出感度（第３の検出感度）よりも高い温度条件である。この条件で測定を行うと、第１のガスの濃度に基づく信号成分Ｂ１は、第２のガスの濃度に基づく信号成分Ｂ２よりも大幅に小さくなるため、検出信号Ｖｒｄ２は、ほぼ信号成分Ｂ２のみからなるものと見なすことができる。つまり、検出信号Ｖｒｄ２は、ほぼ第２のガスの濃度を示すものであると言える。これにより第２のガスの濃度が判明することから、信号成分Ａ２の値を算出することができる。そして、検出信号Ｖｒｄ１から信号成分Ａ２を減じれば、第１のガスの濃度を知ることが可能となる。

以上が本発明の原理であり、２つの温度条件で測定を行うことにより、第１のガスの濃度と第２のガスの濃度を知ることができる。以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。

図２に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０は、センサ部Ｓと信号処理回路２０を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１０は、雰囲気中におけるＣＯ_２ガスの濃度を検出するものであり、後述するように、湿度に起因する測定誤差をキャンセルすることが可能である。図１に示した例に当てはめれば、第１のガスがＣＯ_２ガスであり、第２のガスが水蒸気である。

センサ部Ｓは、検出対象ガスであるＣＯ_２ガスの濃度を検出するための熱伝導式のガスセンサであり、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２を有している。第１及び第２のセンサ部Ｓ１，Ｓ２は、いずれもＣＯ_２ガスの濃度を検出するものであるが、後述するように動作温度が互いに異なっている。図１に示した例に当てはめれば、第１のセンサ部Ｓ１の動作温度は温度Ａであり、第２のセンサ部Ｓ２の動作温度は温度Ｂである。

第１のセンサ部Ｓ１は、第１のサーミスタＲｄ１と抵抗Ｒ１を備え、これらが電源配線間（Ｖｃｃ配線とＧＮＤ配線との間）に直列に接続された構成を有している。第１のサーミスタＲｄ１は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱される。同様に、第２のセンサ部Ｓ２は、第２のサーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ２を備え、これらが電源配線間（Ｖｃｃ配線とＧＮＤ配線との間）に直列に接続された構成を有している。第２のサーミスタＲｄ２は、第２のヒータ抵抗ＭＨ２によって加熱される。第１及び第２のサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。

第１のサーミスタＲｄ１が第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱されると、その抵抗値が変化する。ここで、測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在すると、その濃度に応じて第１のサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、第１の検出信号Ｖｒｄ１のレベルとなって現れる。第１のヒータ抵抗ＭＨ１による第１のサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば２００℃である。

同様に、第２のサーミスタＲｄ２が第２のヒータ抵抗ＭＨ２によって加熱されると、その抵抗値が変化する。ここで、測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在すると、その濃度に応じて第２のサーミスタＲｄ２の放熱特性が変化する。かかる変化は、第２の検出信号Ｖｒｄ２のレベルとなって現れる。第２のヒータ抵抗ＭＨ２による第２のサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３３０℃である。

さらに、本実施形態によるガスセンサ１０は、第３のサーミスタＲｃ及び抵抗Ｒ３からなる温度センサＳ３を有している。温度センサＳ３は、環境温度に応じて温度信号Ｖｃのレベルを変化させる。

第１の検出信号Ｖｒｄ１、第２の検出信号Ｖｒｄ２及び温度信号Ｖｃは、信号処理回路２０に入力される。

信号処理回路２０は、差動アンプ２１，２２、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２３、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２４及び制御部２５を備えている。差動アンプ２１は、第１の検出信号Ｖｒｄ１とリファレンス電圧Ｖｒｅｆを比較し、その差を増幅する回路である。差動アンプ２１から出力される増幅信号Ｖａｍｐ１は、ＡＤコンバータ２３に入力される。同様に、差動アンプ２２は、第２の検出信号Ｖｒｄ２とリファレンス電圧Ｖｒｅｆを比較し、その差を増幅する回路である。差動アンプ２２から出力される増幅信号Ｖａｍｐ２は、ＡＤコンバータ２３に入力される。温度信号ＶｃもＡＤコンバータ２３に入力される。

ＡＤコンバータ２３は増幅信号Ｖａｍｐ１，Ｖａｍｐ２及び温度信号Ｖｃをデジタル変換し、その値を制御部２５に供給する。一方、ＤＡコンバータ２４は、制御部２５から供給されるリファレンス信号をアナログ変換することによってリファレンス電圧Ｖｒｅｆを生成するとともに、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２に供給する制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を生成する役割を果たす。尚、差動アンプ２１に供給するリファレンス電圧Ｖｒｅｆと差動アンプ２２に供給するリファレンス電圧Ｖｒｅｆは、同一のレベルであっても構わないし、互いに異なるレベルであっても構わない。

図３は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。また、図４は、図３に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。

センサ部Ｓは、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図３及び図４に示すように、２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ２と、これらセンサ部Ｓ１，Ｓ２を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。

セラミックパッケージ５１は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド５２が設けられている。リッド５２は複数の通気口５３を有しており、これにより、雰囲気中のＣＯ_２ガスがセラミックパッケージ５１内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図３においてはリッド５２が省略されている。

第１のセンサ部Ｓ１は、基板３１と、基板３１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜３２，３３と、絶縁膜３３上に設けられた第１のヒータ抵抗ＭＨ１と、第１のヒータ抵抗ＭＨ１を覆うヒータ保護膜３４と、ヒータ保護膜３４上に設けられた第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５と、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５を覆うサーミスタ保護膜３６とを備える。

基板３１は、適度な機械的強度を有し、且つ、エッチングなどの微細加工に適した材質であれば特に限定されるものではなく、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などを用いることができる。基板３１には、第１のヒータ抵抗ＭＨ１による熱が基板３１へ伝導するのを抑制するため、平面視で第１のヒータ抵抗ＭＨ１と重なる位置にキャビティ３１ａが設けられている。キャビティ３１ａにより基板３１が取り除かれた部分は、メンブレンと呼ばれる。メンブレンを構成すれば、基板３１を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。

絶縁膜３２，３３は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。絶縁膜３２，３３として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。絶縁膜３２，３３の膜厚は、絶縁性が確保される限り特に限定されず、例えば０．１〜１．０μｍ程度とすればよい。特に、絶縁膜３３は、基板３１にキャビティ３１ａを形成する際のエッチング停止層としても用いられるため、当該機能を果たすのに適した膜厚とすればよい。

第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、温度によって抵抗率が変化する導電性物質からなり、比較的高融点の材料からなる金属材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、絶縁膜３３との密着性を向上させるために、Ｐｔの下地にチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成することが好ましい。

第１のヒータ抵抗ＭＨ１の上部には、ヒータ保護膜３４が形成される。ヒータ保護膜３４の材料としては、絶縁膜３３と同じ材料を用いることが望ましい。第１のヒータ抵抗ＭＨ１は、常温から２００℃にまで上昇し、再び常温へ下がるという激しい熱変化を繰り返し生じるため、絶縁膜３３及びヒータ保護膜３４にも強い熱ストレスがかかり、この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。しかしながら、絶縁膜３３とヒータ保護膜３４を同じ材料によって構成すれば、両者の材料特性が同じであり、且つ、密着性が強固であることから、異種材料を用いた場合と比べて、層間剥離やクラックといった破壊が生じにくくなる。ヒータ保護膜３４の材料として酸化シリコンを用いる場合、熱酸化法やＣＶＤ法などの方法により成膜すればよい。ヒータ保護膜３４の膜厚は、第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５との絶縁が確保される膜厚であれば特に限定されず、例えば０．１〜３．０μｍ程度とすればよい。

第１のサーミスタＲｄ１は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなり、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。第１のサーミスタＲｄ１の膜厚は、目標とする抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を２ＭΩ程度に設定するのであれば、一対のサーミスタ電極３５間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタを用いているのは、また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。また、薄膜構造であることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１の発熱を効率よく検出することも可能となる。

サーミスタ電極３５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極３５間に第１のサーミスタＲｄ１が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５間における抵抗値は、第１のサーミスタＲｄ１の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５の材料としては、第１のサーミスタＲｄ１の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質であって、比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

第１のサーミスタＲｄ１及びサーミスタ電極３５は、サーミスタ保護膜３６で覆われる。尚、第１のサーミスタＲｄ１と還元性を持つ材料を接触させて高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。これを防止するためには、サーミスタ保護膜３６の材料としては、シリコン酸化膜等の還元性を持たない絶縁性酸化膜であることが望ましい。

図３に示すように、第１のヒータ抵抗ＭＨ１の両端は、サーミスタ保護膜３６の表面に設けられた電極パッド３７ａ，３７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極３５の両端は、サーミスタ保護膜３６の表面に設けられた電極パッド３７ｃ，３７ｄにそれぞれ接続される。これらの電極パッド３７ａ〜３７ｄは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。パッケージ電極５４は、セラミックパッケージ５１の裏面に設けられた外部端子５６を介して、図２に示す信号処理回路２０に接続される。

このように、第１のセンサ部Ｓ１は、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第１のサーミスタＲｄ１が基板３１上に積層された構成を有していることから、第１のヒータ抵抗ＭＨ１によって生じる熱が第１のサーミスタＲｄ１に効率よく伝わる。

同様に、第２のセンサ部Ｓ２は、基板４１と、基板４１の下面及び上面にそれぞれ形成された絶縁膜４２，４３と、絶縁膜４３上に設けられた第２のヒータ抵抗ＭＨ２と、第２のヒータ抵抗ＭＨ２を覆うヒータ保護膜４４と、ヒータ保護膜４４上に設けられた第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５と、第２のサーミスタＲｄ２及びサーミスタ電極４５を覆うサーミスタ保護膜４６とを備える。

基板４１は、第１のセンサ部Ｓ１に用いられる基板３１と同様の材料からなるとともに、同様の構成を有している。つまり、平面視で第２のヒータ抵抗ＭＨ２と重なる位置にキャビティ４１ａが設けられ、これにより、第２のヒータ抵抗ＭＨ２による熱が基板４１へ伝導するのを抑制している。絶縁膜４２，４３の材料についても絶縁膜３２，３３と同様であり、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられる。絶縁膜４２，４３の厚みも絶縁膜３２，３３と同様である。

また、第２のヒータ抵抗ＭＨ２、ヒータ保護膜４４、第２のサーミスタＲｄ２、サーミスタ電極４５及びサーミスタ保護膜４６についても、第１のセンサ部Ｓ１に用いられる第１のヒータ抵抗ＭＨ１、ヒータ保護膜３４、第１のサーミスタＲｄ１、サーミスタ電極３５及びサーミスタ保護膜３６とそれぞれ同じ構成を有している。第２のヒータ抵抗ＭＨ２の両端は、サーミスタ保護膜４６の表面に設けられた電極パッド４７ａ，４７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極４５の両端は、サーミスタ保護膜４６の表面に設けられた電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続される。これらの電極パッド４７ａ〜４７ｄは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。

以上の構成を有するセンサ部Ｓ１，Ｓ２は、いずれもウェハ状態で多数個同時に作製され、ダイシングによって個片化された後、ダイペースト（図示せず）を用いてセラミックパッケージ５１に固定される。その後、電極パッド３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄと、対応するパッケージ電極５４を、ワイヤボンディング装置を用いてボンディングワイヤ５５で接続する。ボンディングワイヤ５５の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなど、抵抗の低い金属が好適である。

最後に、接着性樹脂（図示せず）などを用いて、外気との通気口５３を有するリッド５２をセラミックパッケージ５１に固定する。この際、接着性樹脂（図示せず）の硬化加熱時に、接着性樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気口５３により容易にパッケージ外へ放出されるため、センサ部Ｓ１，Ｓ２に影響を与えることはない。

このようにして完成したセンサ部Ｓは、外部端子５６を介して信号処理回路２０や電源に接続される。また、抵抗Ｒ１〜Ｒ３などは、信号処理回路２０に内蔵するか、或いは、信号処理回路２０が実装される回路基板上に設けられる。尚、第３のサーミスタＲｃについては、セラミックパッケージ５１内に収容しても構わないし、セラミックパッケージ５１の外部に別途配置しても構わない。

以上が本実施形態によるガスセンサ１０の構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ１０の動作について説明する。

本実施形態によるガスセンサ１０は、ＣＯ_２ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、ＣＯ_２ガスの濃度によるサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性の変化を検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２として取り出すものである。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、ＣＯ_２ガスの濃度だけでなく、湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、湿度の影響が測定誤差となってしまう。そこで、本実施形態によるガスセンサ１０は、湿度による誤差成分を算出し、第１の検出信号Ｖｒｄ１から誤差成分を減じることによって、ＣＯ_２ガスの濃度を示す信号成分を算出する。

再び図１を参照して説明すると、２００℃の温度（温度Ａ）で計測することによって得られる第１の検出信号Ｖｒｄ１は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた信号成分Ａ１と、湿度に応じた信号成分Ａ２によって構成される。実際には、リファレンス電圧Ｖｒｅｆに相当するオフセット成分も含まれるが、これについては差動アンプ２１にてキャンセルされるため省略する。温度が２００℃である場合、ＣＯ_２ガスに対する第１の検出感度はある程度高いものの、湿度に対する第２の検出感度もある程度高いため、湿度に応じた信号成分Ａ２は無視できないレベルである。

一方、３３０℃の温度（温度Ｂ）で計測することによって得られる第２の検出信号Ｖｒｄ２は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた信号成分Ｂ１と、湿度に応じた信号成分Ｂ２によって構成される。実際には、リファレンス電圧Ｖｒｅｆに相当するオフセット成分も含まれるが、これについては差動アンプ２２にてキャンセルされるため省略する。温度が３３０℃である場合、ＣＯ_２ガスに対する第３の検出感度は、温度が２００℃である場合に得られる第１の検出感度と比べると大幅に低く、約１／１０以下である。これに対し、湿度に対する第４の検出感度はある程度高く、少なくともＣＯ_２ガスに対する第３の検出感度よりも十分に高いため、第２の検出信号Ｖｒｄ２は、信号成分Ｂ２のみからなるものと見なすことができる。

つまり、３３０℃の温度で計測を行えば雰囲気中の湿度が分かるため、２００℃の温度で得られる第１の検出信号Ｖｒｄ１から湿度に応じた信号成分Ａ２を減じれば、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた信号成分Ａ１を算出できる。本実施形態によるガスセンサ１０は、このような原理によって湿度の影響をキャンセルし、ＣＯ_２ガスの濃度を測定することが可能となる。

図５（ａ）はＣＯ_２ガスの濃度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は湿度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２との関係を示すグラフである。

図５（ａ）に示すように、加熱温度が２００℃である場合、ＣＯ_２ガスの濃度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２はほぼ比例関係にあり、その感度も十分なレベルである。また、環境温度による差もわずかである。これに対し、加熱温度が３３０℃である場合、ＣＯ_２ガスの濃度に対する検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２の変化は僅かであり、２００℃である場合の１／１０以下の感度しか得られない。

一方、図５（ｂ）に示すように、湿度と検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２の関係は、加熱温度が２００℃である場合も３３０℃である場合もほぼ比例関係にあり、その感度も十分なレベルである。但し、感度は環境温度によって異なる。

図６は、環境温度と検出感度との関係を示す表である。図６に示すように、ＣＯ_２ガスに対する検出感度は、環境温度に関わらず、２００℃に加熱した場合の検出感度が０．２２μＶ／ｐｐｍであり、３３０℃に加熱した場合の検出感度が０．０２μＶ／ｐｐｍである。この場合、３３０℃に加熱した場合の検出感度は、２００℃に加熱した場合の検出感度の１／１１である。一方、湿度に対する検出感度は、２００℃に加熱した場合も３３０℃に加熱した場合も十分な感度であり、且つ、環境温度によって大きく変化することが分かる。

このように、湿度については加熱温度が２００℃である場合も３３０℃である場合も十分な検出感度が得られるのに対し、ＣＯ_２ガスについては、加熱温度が２００℃である場合には十分な検出感度が得られる一方、加熱温度が３３０℃である場合には検出感度が大幅に低下する。このため、上述の通り、加熱温度が３３０℃である場合に得られる第２の検出信号Ｖｒｄ２は、実質的に湿度を示しているものと見なすことができる。

図７は、本実施形態によるガスセンサ１０の動作を説明するためのフローチャートである。

本実施形態によるガスセンサ１０が測定動作を開始すると（ステップ１０１）、温度信号Ｖｃを取得することによって、環境温度を特定する（ステップ１０２）。本発明において環境温度を特定することは必須でないが、上述の通り、湿度の検出感度は環境温度によって変化するため、湿度の影響をより正確にキャンセルするためには、環境温度を特定することが好ましい。

次に、ＤＡコンバータ２４によって制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をパルス状に変化させることにより、第１及び第２のヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２を加熱する（ステップ１０３）。図８は、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の波形の一例を示すタイミング図である。図８に示す例では、制御電圧Ｖｍｈ１と制御電圧Ｖｍｈ２を交互に活性レベルとすることによって、第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を排他的に加熱している。第１のヒータ抵抗ＭＨ１と第２のヒータ抵抗ＭＨ２を排他的に加熱すれば、第１のセンサ部Ｓ１と第２のセンサ部Ｓ２の熱干渉が生じないことから、より正確な測定を行うことが可能となる。

そして、第１のヒータ抵抗ＭＨ１を加熱するタイミングで第１の検出信号Ｖｒｄ１をサンプリングし、第２のヒータ抵抗ＭＨ２を加熱するタイミングで第２の検出信号Ｖｒｄ２をサンプリングする（ステップ１０４）上述の通り、第１の検出信号Ｖｒｄ１は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた信号成分Ａ１と、湿度に応じた信号成分Ａ２によって構成される。また、第２の検出信号Ｖｒｄ２は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた信号成分Ｂ１と、湿度に応じた信号成分Ｂ２によって構成される。

次に、第２の検出信号Ｖｒｄ２に基づいて湿度を算出する（ステップ１０５）。湿度の算出は制御部２５によって行われ、湿度をＨＵＭ、第２のセンサ部Ｓ２による湿度の検出感度をｓｅｎ４とすると、
ＨＵＭ＝Ｖｒｄ２／ｓｅｎ４
を演算することによって湿度を算出することができる。湿度ＨＵＭは、最終的にＣＯ_２ガスの濃度を算出するために必要な中間値である。

検出感度ｓｅｎ４は環境温度によって変化するため、制御部２５内には、環境温度と検出感度との関係を示すテーブルを保存しておくことが好ましい。図９はテーブルの一例であり、環境温度が０℃から６５℃までの範囲において、５℃刻みで湿度の検出感度ｓｅｎ２−１〜ｓｅｎ２−１４とｓｅｎ４−１〜ｓｅｎ４−１４が保存されている。検出感度ｓｅｎ２−１〜ｓｅｎ２−１４は、第１のセンサ部Ｓ１による湿度の検出感度であり、検出感度ｓｅｎ４−１〜ｓｅｎ４−１４は、第２のセンサ部Ｓ２による湿度の検出感度である。そして、ステップ１０２にて測定された環境温度に基づき、検出感度ｓｅｎ２−１〜ｓｅｎ２−１４のいずれかが選択され、検出感度ｓｅｎ４−１〜ｓｅｎ４−１４のいずれかが選択される。但し、ＣＯ_２ガスの検出感度については環境温度の影響をほとんど受けないことから、ＣＯ_２ガスの検出感度ｓｅｎ１については固定値であっても構わない。

次に、ステップ１０５にて算出した湿度に基づいて、第１の検出信号Ｖｒｄ１に含まれる信号成分Ａ２、つまり、湿度に起因する誤差成分を算出する（ステップ１０６）。信号成分Ａ２の算出は制御部２５によって行われ、
Ａ２＝ＨＵＭ×ｓｅｎ２
を演算することによって算出される。

そして、第１の検出信号Ｖｒｄ１から信号成分Ａ２を減算することにより、第１の検出信号Ｖｒｄ１に含まれる信号成分Ａ１、つまり、ＣＯ_２に起因する信号成分を算出する（ステップ１０７）。信号成分Ａ１の算出は制御部２５によって行われ、
Ａ１＝Ｖｒｄ１−Ａ２
を演算することによって算出される。

最後に、信号成分Ａ１からＣＯ_２ガスの濃度を算出する（ステップ１０８）。ＣＯ_２ガスの濃度の算出は制御部２５によって行われ、ＣＯ_２ガスの濃度をＸとした場合、
Ｘ＝Ａ１／ｓｅｎ１
を演算することによって算出される。

このようにして、ＣＯ_２ガスの濃度を算出することが可能となる。このように、本実施形態によれば、複雑な計算式などを使用する必要がないことから演算処理が容易であるとともに、比較的高精度にＣＯ_２ガスの濃度を算出することができる。

また、ステップ１０８にて得られたＣＯ_２ガスの濃度Ｘを補正すれば、より高精度な測定を行うことができる。これは、ＣＯ_２ガスに起因する信号成分Ｂ１が第２の検出信号Ｖｒｄ２に僅かに含まれているものの、上述したＣＯ_２ガスの濃度の算出方法では、この信号成分Ｂ１が無視されているからである。したがって、２００℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度と３３０℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度の比又は差に基づいてＣＯ_２ガスの濃度ＸをＸ'に補正すれば、ＣＯ_２ガスの濃度をより正確に測定することができる。一例として、２００℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度をｓｅｎ１とし、３３０℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度をｓｅｎ３とした場合、
Ｘ'＝Ｘ＋Ｘ（ｓｅｎ３／ｓｅｎ１）
を算出することによって、ＣＯ_２ガスの濃度ＸをＸ'に補正することができる。

このようにして得られたＣＯ_２ガスの濃度Ｘ又はＸ'を示す値は、信号処理回路２０の外部に出力される。また、ステップ１０５にて湿度も算出されるため、湿度を示す値についても信号処理回路２０の外部に出力しても構わない。

図１０は実測値を示す表であり、ＣＯ_２ガスの濃度が２０００ｐｐｍであり、湿度が４０％である環境における検出値及び算出値と、ＣＯ_２ガスの濃度が５０００ｐｐｍであり、湿度が５０％である環境における検出値及び算出値を示している。

ＣＯ_２ガスの濃度が２０００ｐｐｍであり、湿度が４０％である場合、第１及び第２の検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２は、それぞれ７２４０μＶ、１００４０μＶである。ここから算出される湿度は４０．１６％であり、湿度の影響をキャンセルすることで得られるＣＯ_２ガスの濃度は、１８７６ｐｐｍである。また、ＣＯ_２ガスの濃度が５０００ｐｐｍであり、湿度が５０％である場合、第１及び第２の検出信号Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２は、それぞれ９６００μＶ、１２６００μＶである。ここから算出される湿度は５０．４０％であり、湿度の影響をキャンセルすることで得られるＣＯ_２ガスの濃度は、４６９０ｐｐｍである。

このように、いずれの算出値も設定値と近い値が得られている。ここで、ＣＯ_２ガスの濃度に関しては、いずれの算出値も設定値よりやや低い値が得られている。これは、第２の検出信号Ｖｒｄ２に含まれる信号成分Ｂ１を無視した結果である。したがって、２００℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度と３３０℃におけるＣＯ_２ガスの検出感度の比又は差に基づいてＣＯ_２ガスの濃度を補正すれば、ＣＯ_２ガスの濃度をより正確に算出することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、第１の温度に加熱される第１のセンサ部Ｓ１と第２の温度に加熱される第２のセンサ部Ｓ２が互いに別個に設けられているが、一つのセンサ部を用い、これを時分割で加熱しても構わない。

また、上記実施形態では、第１のガスがＣＯ_２ガスであり、第２のガスが水蒸気である場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。

１０ ガスセンサ
２０ 信号処理回路
２１，２２ 差動アンプ
２３ ＡＤコンバータ
２４ ＤＡコンバータ
２５ 制御部
３１，４１ 基板
３１ａ，４１ａ キャビティ
３２，３３，４２，４３ 絶縁膜
３４，４４ ヒータ保護膜
３５，４５ サーミスタ電極
３６，４６ サーミスタ保護膜
３７ａ〜３７ｄ，４７ａ〜４７ｄ 電極パッド
５１ セラミックパッケージ
５２ リッド
５３ 通気口
５４ パッケージ電極
５５ ボンディングワイヤ
５６ 外部端子
ＭＨ１，ＭＨ２ ヒータ抵抗
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
Ｒｃ，Ｒｄ１，Ｒｄ２ サーミスタ
Ｓ センサ部
Ｓ１ 第１のセンサ部
Ｓ２ 第２のセンサ部
Ｓ３ 温度センサ
Ｖｒｄ１ 第１の検出信号
Ｖｒｄ２ 第２の検出信号

Claims (7)

1. 第１のガスに対する検出感度が第１の検出感度であり、第２のガスに対する検出感度が第２の検出感度である第１の温度に加熱されることによって第１の検出信号を生成し、前記第１のガスに対する検出感度が前記第１の検出感度よりも低い第３の検出感度であり、前記第２のガスに対する検出感度が前記第３の検出感度よりも高い第４の検出感度である第２の温度に加熱されることによって第２の検出信号を生成するセンサ部と、
   前記第１の検出信号に関わらず前記第２の検出信号に基づいて前記第２のガスの濃度に相当する第１の信号成分を算出するとともに、前記第１の検出信号と前記第１の信号成分に基づいて、前記第１のガスの濃度を算出する信号処理回路と、を備え、
   前記信号処理回路は、前記第１の検出信号に関わらず前記第２の検出信号と前記第４の検出感度に基づいて前記第２のガスの濃度を示す中間値を算出し、前記第１の検出信号に関わらず前記中間値と前記第２の検出感度に基づいて前記第１の信号成分を算出し、前記第１の検出信号から前記第１の信号成分を減じることによって、前記第１のガスの濃度を示す第２の信号成分を算出し、前記第２の信号成分と前記第１の検出感度に基づいて前記第１のガスの濃度を算出し、前記第１の検出感度と前記第３の検出感度の比又は差に基づいて、前記第１のガスの濃度を補正することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記信号処理回路は、環境温度に基づいて、前記第１、第２及び第４の検出感度の少なくとも一つを補正することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記第３の検出感度は、前記第１の検出感度の１／１０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記センサ部は、前記第１の温度に加熱される第１のセンサ部と、前記第２の温度に加熱される第２のセンサ部を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
5. 前記第１のセンサ部と前記第２のセンサ部は、排他的に加熱されることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記センサ部は、熱伝導式のセンサであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
7. 前記第１のガスはＣＯ_２ガスであり、前記第２のガスは水蒸気であることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。

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