[go: up one dir, main page]

JP7509054B2 - Thermal Sensor - Google Patents

Thermal Sensor Download PDF

Info

Publication number
JP7509054B2
JP7509054B2 JP2021028838A JP2021028838A JP7509054B2 JP 7509054 B2 JP7509054 B2 JP 7509054B2 JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 2021028838 A JP2021028838 A JP 2021028838A JP 7509054 B2 JP7509054 B2 JP 7509054B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resistor
over time
resistance value
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.)
Active
Application number
JP2021028838A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022129947A (en
Inventor
慎也 中川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Original Assignee
Omron Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Omron Corp filed Critical Omron Corp
Priority to JP2021028838A priority Critical patent/JP7509054B2/en
Publication of JP2022129947A publication Critical patent/JP2022129947A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7509054B2 publication Critical patent/JP7509054B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

本発明は、熱式センサに関する。 The present invention relates to a thermal sensor.

従来、長期にわたって高精度な温度補償が行え、また、回路の簡略化が可能なフローセンサが提案されていた。該フローセンサは、電流を流すことによって発熱するヒータ(3)と、そのヒータの近傍に配置した温度センサ(4a,4b)と、周囲温度を測定する測温抵抗体(5)と、発熱抵抗体に流す電流を制御する制御回路を備え、流体の流量または流速に応じて変化する、ヒータからの熱による温度分布の状態を温度センサにより検出する。制御回路は、測温抵抗体と第1固定抵抗(8a)を直列に接続した第1の分岐と、発熱抵抗体と第2固定抵抗(8b)を直列に接続した第2の分岐を並列に接続したブリッジ回路を備え、そのブリッジ回路は、同一の半導体基板(1)上に形成されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a flow sensor has been proposed that can perform high-precision temperature compensation over a long period of time and that allows for simplified circuitry. The flow sensor includes a heater (3) that generates heat when current is passed through it, a temperature sensor (4a, 4b) disposed near the heater, a resistance temperature detector (5) that measures the ambient temperature, and a control circuit that controls the current passed through the heating resistor. The temperature sensor detects the state of temperature distribution caused by heat from the heater, which changes according to the flow rate or flow speed of the fluid. The control circuit includes a bridge circuit that connects in parallel a first branch in which the resistance temperature detector and a first fixed resistor (8a) are connected in series, and a second branch in which the heating resistor and a second fixed resistor (8b) are connected in series, and the bridge circuit is formed on the same semiconductor substrate (1) (see, for example, Patent Document 1).

また、発熱用抵抗(2)と温度補償用抵抗(3)として絶縁基板(5)面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、流体の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制できる流量センサ(1)も提案されていた。該流量センサは、発熱用抵抗と温度補償用抵抗における信号を処理する信号処理部を有しており、発熱用抵抗は樹脂製の絶縁基板の表面(5a)上に配置されるチップ抵抗器であって、温度補償用抵抗は絶縁基板の裏面(5b)上に配置されるチップ抵抗器である。発熱用抵抗の絶縁基板を経由する放熱の経路には温度補償用抵抗が配置されており、絶縁基板は発熱用抵抗と流体との接触機会よりも、温度補償用抵抗と流体との接触機会を少なくしている(例えば、特許文献2参照)。 A flow sensor (1) has also been proposed that can suppress deterioration of responsiveness and sensitivity to fluid flow even when chip resistors arranged on the surface of an insulating substrate (5) are used as the heating resistor (2) and the temperature compensating resistor (3). The flow sensor has a signal processing unit that processes signals from the heating resistor and the temperature compensating resistor, the heating resistor being a chip resistor arranged on the front surface (5a) of a resin insulating substrate, and the temperature compensating resistor being a chip resistor arranged on the back surface (5b) of the insulating substrate. A temperature compensating resistor is arranged on the path of heat dissipation from the heating resistor through the insulating substrate, and the insulating substrate reduces the chance of contact between the temperature compensating resistor and the fluid compared to the chance of contact between the heating resistor and the fluid (see, for example, Patent Document 2).

上記2件の発明においては、通電によって発熱する抵抗における抵抗値が経時的に増加し、これにより、抵抗への通電による発熱量が徐々に変化する場合があった。その結果、測定装置としての精度が低下する場合があった。 In the two inventions mentioned above, the resistance value of the resistor that generates heat when electricity is passed through it increases over time, which can cause the amount of heat generated by passing electricity through the resistor to change gradually. As a result, the accuracy of the measuring device can decrease.

特開2002-310762号公報JP 2002-310762 A 特開2017-067724号公報JP 2017-067724 A 特開2011-174814号公報JP 2011-174814 A

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、通電によって発熱する抵抗(以下、「ヒータ抵抗」とも記載する。)における抵抗値が、繰り返し発熱に起因して増加した場合でも、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制し、測定装置としての測定精度の低下を抑制できる熱式センサを提供することを最終的な目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and has as its ultimate objective the provision of a thermal sensor that can suppress changes in the amount of heat generated by a resistor (hereinafter also referred to as a "heater resistor") that generates heat when current is passed through it, even when the resistance value of the heater resistor increases due to repeated heating, thereby suppressing a decrease in the measurement accuracy of the measuring device.

上記の課題を解決するための本発明は、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第1抵抗と、
抵抗値の経時的増加の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第1抵抗とは異なる第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサである。
To solve the above problems, the present invention provides:
A plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
A substrate having an opening in a cavity area on a surface thereof;
a thin film portion formed so as to cover an opening of the cavity area;
a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors include
a first resistor disposed on the thin film portion, the first resistor indicating a change over time in a heat generation amount caused by power supply from a power source based on a change over time in a resistance value;
a second resistor having a different manner of increase in resistance over time or a different manner of change in heat generation over time due to power supply from the power source from the first resistor;
The thermal sensor comprises:

本発明によれば、繰り返し発熱することにより、第1抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第2抵抗の存在によって、第1抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。そうすると、このことによる第1抵抗の発熱量の変化を抑制できる。その結果、熱式センサの測定精度の劣化も抑制できる。例えば、第1抵抗のみの抵抗を備える熱式センサを用いて雰囲気ガスのガス組成を測定する場合、第1抵抗の抵抗値の増加に伴って発熱量が減少し、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じるため、測定値に補正が必要となる。これに対し、第2抵抗を付加して第1抵抗における発熱量の減少を抑制することで、測定値の補正が不要となる。 According to the present invention, even if the resistance value of the first resistor changes over time due to repeated heating, the presence of the second resistor can mitigate the effect of the change in the resistance value of the first resistor. This can suppress the change in the amount of heat generated by the first resistor. As a result, the deterioration of the measurement accuracy of the thermal sensor can also be suppressed. For example, when measuring the gas composition of an ambient gas using a thermal sensor having only the first resistor, the amount of heat generated decreases as the resistance value of the first resistor increases, causing a measurement error in the thermal conductivity of the ambient gas, and therefore a correction of the measured value is required. In contrast, adding the second resistor suppresses the decrease in the amount of heat generated by the first resistor, making correction of the measured value unnecessary.

また、本発明においては、
電源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を検出する温度検出器と、
を備える熱式センサであって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置された第1抵抗と、
前記薄膜部または前記基板における前記第1抵抗の近傍に配置され、前記第1抵抗における抵抗値の1倍以上1.5倍以下の抵抗値を有する第2抵抗と、
を含む事を特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによっても、繰り返し発熱することにより、第1抵抗における抵抗値が経時的に変化した場合にも、第2抵抗の存在によって、第1抵抗における抵抗値の変化の影響を緩和することができる。
In addition, in the present invention,
A plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a power source;
A substrate having an opening in a cavity area on a surface thereof;
a thin film portion formed so as to cover an opening of the cavity area;
a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors include
A first resistor disposed on the thin film portion;
a second resistor disposed in the thin film portion or the substrate near the first resistor, the second resistor having a resistance value between 1 and 1.5 times the resistance value of the first resistor;
With this, even if the resistance value of the first resistor changes over time due to repeated heat generation, the influence of the change in the resistance value of the first resistor can be mitigated by the presence of the second resistor.

また、本発明においては、前記温度検出器は、前記薄膜部において、一対が対向して配置される二つ以上のサーモパイルであり、前記第1抵抗は、前記薄膜部において一対の前記サーモパイルの間に設置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、抵抗の周囲における温度を精度良く検出することができる。 In addition, in the present invention, the temperature detector may be a thermal sensor characterized in that it is two or more thermopiles arranged in pairs facing each other in the thin film portion, and the first resistor is installed between the pair of thermopiles in the thin film portion. This allows the temperature around the resistor to be detected with high accuracy.

また、本発明においては、前記第2抵抗は、前記第1抵抗と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されたことを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第2抵抗において発生した熱は、第1抵抗において発生した熱と比較して拡散しやすく、第2抵抗における抵抗値の経時的変化を抑制できる。なお、高い放熱性を有する箇所とは、例えば熱伝導性の高い基板上である。 In the present invention, the second resistor may be disposed in a location that has higher heat dissipation than the first resistor, making it possible to form a thermal sensor. With this, heat generated in the second resistor is more easily diffused than heat generated in the first resistor, and changes in the resistance value of the second resistor over time can be suppressed. An example of a location that has high heat dissipation is a substrate with high thermal conductivity.

また、本発明においては、前記第1抵抗における初期抵抗値は、前記第2抵抗における前記初期抵抗値と同等であることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、第1抵抗と同一部品にて第2抵抗を構成でき、部品コストや部品管理コストを低減できる。また、第2抵抗を付加した場合における、第1抵抗の抵抗値の変化による発熱量の変化の算出式を簡易化することができ、管理・設計負荷を低減することが可能となる。 The present invention may also provide a thermal sensor characterized in that the initial resistance value of the first resistor is equal to the initial resistance value of the second resistor. This allows the second resistor to be constructed from the same component as the first resistor, reducing component costs and component management costs. In addition, when the second resistor is added, the formula for calculating the change in heat generation due to the change in the resistance value of the first resistor can be simplified, making it possible to reduce the management and design burden.

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第2抵抗は、前記基板上に
おいて、前記第1抵抗と直列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第1抵抗における抵抗値が経時的に増加した場合に、第2抵抗における抵抗値は変わらないことから第1抵抗における分圧が増加する。このことにより、第1抵抗における発熱量の減少を抑制できる。
In addition, the present invention may be a thermal sensor characterized in that the power supply is a constant voltage source, and the second resistor is connected in series with the first resistor on the substrate. With this, for example, when the resistance value of the first resistor increases over time, the resistance value of the second resistor does not change, so that the voltage division in the first resistor increases. This makes it possible to suppress a decrease in the amount of heat generated in the first resistor.

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、例えば、第1抵抗における抵抗値が経時的に増加した際に、第2抵抗における抵抗値は変わらないことから第1抵抗に流れる電流が減少する。このことにより、第1抵抗における発熱量の増加を抑制できる。 The present invention may also be a thermal sensor characterized in that the power supply is a constant current source, and the second resistor is connected in parallel with the first resistor on the substrate. With this, for example, when the resistance value of the first resistor increases over time, the resistance value of the second resistor does not change, and the current flowing through the first resistor decreases. This makes it possible to suppress an increase in the amount of heat generated in the first resistor.

また、本発明においては、前記第1抵抗には定電圧源から電力を供給し、前記第2抵抗には定電流源から電力を供給し、前記第2抵抗は、前記薄膜部上において一対の前記サーモパイルの間に設置され、前記第1抵抗と前記第2抵抗は、互いに独立して並列に配置されていることを特徴とする、熱式センサとしてもよい。これによれば、二つの抵抗におけるそれぞれの抵抗値はともに経時的に変化するが、それぞれの抵抗値における発熱量は互いに逆方向に経時的に変化する。この逆方向の変化による打ち消し合いの効果により、両方の抵抗を合わせた発熱量の経時的な変化は抑制される。 In addition, the present invention may be a thermal sensor characterized in that the first resistor is supplied with power from a constant voltage source, the second resistor is supplied with power from a constant current source, the second resistor is installed between a pair of the thermopiles on the thin film portion, and the first resistor and the second resistor are arranged in parallel independently of each other. In this way, the resistance values of the two resistors both change over time, but the amounts of heat generated at each resistance change over time in opposite directions. Due to the canceling effect of these opposite changes, the change over time in the amount of heat generated by both resistors combined is suppressed.

また、本発明においては、前記電源は定電圧源であり、前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と直列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第1抵抗と第2抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第1抵抗及び第2抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。
The present invention may also provide a thermal sensor, characterized in that the power supply is a constant voltage source, the second resistor is connected in series with the first resistor at the thin film portion, and a resistance value of the second resistor changes over time in the opposite direction to that of the first resistor by passing a current through it. According to this, by appropriately selecting the rate of change in resistance of the first resistor and the second resistor due to temperature, it is possible to offset the change in power over time in the first resistor and the second resistor.

また、本発明においては、前記電源は定電流源であり、前記第2抵抗は、薄膜部において前記第1抵抗と並列に接続されており、電流を流すことで前記第2抵抗における抵抗値は前記第1抵抗とは逆方向に経時的に変化することを特徴とする、熱式センサとしてもよ
い。これによれば、第1抵抗と第2抵抗の温度による抵抗の変化率を適切に選択することで、第1抵抗及び第2抵抗における電力の経時変化を相殺させることが可能である。第2抵抗が第1抵抗に対して並列に接続される配置で、定電流を印加する場合と、第2抵抗が第1抵抗に対して直列に接続される配置で、定電圧を印加する場合とで、同様の効果が得られる。
The present invention may also be a thermal sensor, characterized in that the power supply is a constant current source, the second resistor is connected in parallel with the first resistor at the thin film portion, and the resistance value of the second resistor changes over time in the opposite direction to that of the first resistor by passing a current through it. In this way, it is possible to offset the change in power over time in the first resistor and the second resistor by appropriately selecting the rate of change in resistance due to temperature of the first resistor and the second resistor. The same effect can be obtained when a constant current is applied in an arrangement in which the second resistor is connected in parallel with the first resistor and when a constant voltage is applied in an arrangement in which the second resistor is connected in series with the first resistor.

なお、上記の課題を解決するための手段は、可能な限り互いに組み合わせて用いることができる。 The means for solving the above problems can be used in combination with each other whenever possible.

本発明によれば、ヒータ抵抗における抵抗値が増加した際に、ヒータ抵抗における発熱量の変化を抑制できる。その結果、ヒータ抵抗の寿命が延び、本発明における熱式センサの測定装置としての測定精度の低下を抑制できる。 According to the present invention, when the resistance value of the heater resistor increases, the change in the amount of heat generated in the heater resistor can be suppressed. As a result, the life of the heater resistor is extended, and the deterioration of the measurement accuracy of the thermal sensor as a measurement device of the present invention can be suppressed.

従来の熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す模式的な図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a sensor element constituting a conventional thermal gas sensor. 実施例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of a sensor element constituting the thermal type gas sensor in the first embodiment. 雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of an atmospheric gas. 熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a process performed when measuring the gas composition of an atmospheric gas by a thermal gas sensor. 変形例1における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing an example of a sensor element constituting a thermal type gas sensor in Modification 1. 変形例2における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing an example of a sensor element constituting a thermal type gas sensor in Modification 2. 変形例3における熱式ガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing an example of a sensor element constituting a thermal type gas sensor in Modification 3.

〔適用例〕
本適用例においては、熱式センサが熱式ガスセンサである場合について説明する。本適用例に係る熱式ガスセンサは、電流を流すことによって発熱する抵抗であるヒータ抵抗に対して付加的に補償抵抗が配置された構成を有する。すなわち、複数の抵抗を備える。
[Application example]
In this application example, a case will be described where the thermal sensor is a thermal gas sensor. The thermal gas sensor according to this application example has a configuration in which a compensation resistor is additionally disposed in addition to a heater resistor that generates heat when a current flows through it. In other words, the thermal gas sensor includes a plurality of resistors.

図2は、本発明が適用可能な熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の一例を示す平面図である。センサ素子2は、ヒータ抵抗3と、ヒータ抵抗3を挟んで対称に設けられたサーモパイル(温度検出部)4と、ヒータ抵抗3と同様に電流を流すことによって発熱し、ヒータ抵抗3に対して直列に接続された補償抵抗13とを備える。なお、図2では二つのサーモパイル4を示しているが、サーモパイル4は二つ以上であればその数に限定はない。ヒータ抵抗3は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。サーモパイル4の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形である。ヒータ抵抗3及びサーモパイル4及び補償抵抗13は、シリコン基板6上に形成された絶縁薄膜5内に設けられている。 Figure 2 is a plan view showing an example of a sensor element 2 constituting a thermal gas sensor 1 to which the present invention can be applied. The sensor element 2 includes a heater resistor 3, a thermopile (temperature detection unit) 4 arranged symmetrically on either side of the heater resistor 3, and a compensation resistor 13 that generates heat when a current is passed through it like the heater resistor 3 and is connected in series to the heater resistor 3. Note that although two thermopiles 4 are shown in Figure 2, there is no limit to the number of thermopiles 4 as long as there are two or more. The heater resistor 3 is a resistor made of, for example, polysilicon. The shape of the thermopile 4 is approximately rectangular in a plan view. The heater resistor 3, the thermopile 4, and the compensation resistor 13 are provided in an insulating thin film 5 formed on a silicon substrate 6.

図2では簡略化して示しているが、サーモパイル4はそれぞれ、複数の熱電対7(図1(b)参照)が絶縁薄膜5内に所定の間隔で並んで配置されることで構成されている。このうち、ヒータ抵抗3と同じ側で接続されている箇所が温接点8(図1(b)参照)であり、ヒータ抵抗3と反対側で接続されている箇所が冷接点9(図1(b)参照)である。 Although shown in a simplified manner in Figure 2, each thermopile 4 is composed of multiple thermocouples 7 (see Figure 1(b)) arranged in a row at a specified interval within the insulating thin film 5. Of these, the point connected on the same side as the heater resistor 3 is the hot junction 8 (see Figure 1(b)), and the point connected on the opposite side to the heater resistor 3 is the cold junction 9 (see Figure 1(b)).

また、絶縁薄膜5における、ヒータ抵抗3及びサーモパイル4の下方のシリコン基板6には、凹部であるキャビティエリア10が設けられている。なお、キャビティエリア10に係る断面図は図1(b)に示す。ここで、ヒータ抵抗3はキャビティエリア10の開口を横断するように配置されているのに対し、補償抵抗13はシリコン基板6上に接して配置されている。よって、ヒータ抵抗3においてキャビティエリア10に放出する発熱と比較して、補償抵抗13における発熱はシリコン基板6を伝達して速やかに拡散する。すなわち、補償抵抗13は、ヒータ抵抗3と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。 In addition, a cavity area 10, which is a recess, is provided in the silicon substrate 6 below the heater resistor 3 and thermopile 4 in the insulating thin film 5. A cross-sectional view of the cavity area 10 is shown in FIG. 1(b). Here, the heater resistor 3 is arranged so as to cross the opening of the cavity area 10, while the compensation resistor 13 is arranged in contact with the silicon substrate 6. Therefore, compared to the heat released into the cavity area 10 in the heater resistor 3, the heat generated in the compensation resistor 13 is transmitted through the silicon substrate 6 and diffuses quickly. In other words, the compensation resistor 13 is arranged in a location with higher heat dissipation properties than the heater resistor 3.

定電圧源11は、センサ素子2の外部に配置されており、ヒータ抵抗3及び補償抵抗13に導電する電極12に導線が接続されている。定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加すると、ヒータ抵抗3及び補償抵抗13が発熱する。ここで、ヒータ抵抗3は、キャビティ10上の絶縁薄膜5内に配置されており、比較的放熱性が低い状態であるに対し、補償抵抗13は、シリコン基板6上の絶縁薄膜5内に配置されており、放熱性が高い状
態となっている。換言すると、補償抵抗13はヒータ抵抗3と比較して高い放熱性を有する箇所に配置されている。よって、定電圧源11からの通電により、ヒータ抵抗3の温度は上昇するが、補償抵抗13はヒータ抵抗3のように温度が上昇しない。その結果、定電圧源11からの繰り返しの通電により、ヒータ抵抗3の抵抗値は経時的に増加する。一方、補償抵抗13の抵抗値は、経時的には殆ど変化しない。
The constant voltage source 11 is disposed outside the sensor element 2, and a conductor is connected to an electrode 12 that is conductive to the heater resistor 3 and the compensation resistor 13. When a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the heater resistor 3 and the compensation resistor 13 generate heat. Here, the heater resistor 3 is disposed in the insulating thin film 5 on the cavity 10, and is in a state of relatively low heat dissipation, whereas the compensation resistor 13 is disposed in the insulating thin film 5 on the silicon substrate 6, and is in a state of high heat dissipation. In other words, the compensation resistor 13 is disposed in a place having high heat dissipation compared to the heater resistor 3. Therefore, the temperature of the heater resistor 3 rises due to the current from the constant voltage source 11, but the temperature of the compensation resistor 13 does not rise like the heater resistor 3. As a result, the resistance value of the heater resistor 3 increases over time due to repeated current from the constant voltage source 11. On the other hand, the resistance value of the compensation resistor 13 hardly changes over time.

本適用例に係る熱式ガスセンサは、ヒータ抵抗3に対して付加的に補償抵抗13を配置することで、ヒータ抵抗3における抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗3におけ
る発熱量の減少を抑制する機能を有する。詳細は後述する(実施例1の式(2)参照)。
The thermal gas sensor according to this application example has a function of suppressing a decrease in the amount of heat generated in the heater resistor 3 when the resistance value of the heater resistor 3 increases over time, by additionally disposing the compensating resistor 13 in relation to the heater resistor 3. Details will be described later (see formula (2) in Example 1).

〔実施例1〕
以下、本発明の実施例1に係る熱式センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明を熱式ガスセンサに適用した例について説明するが、本発明を酸素濃縮器やガスフローメーター等、他の装置に適用しても構わない。なお、本発明に係る熱式ガスセンサは、以下の構成に限定する趣旨のものではない。
Example 1
A thermal sensor according to a first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the following embodiment, an example in which the present invention is applied to a thermal gas sensor will be described, but the present invention may also be applied to other devices such as an oxygen concentrator or a gas flow meter. The thermal gas sensor according to the present invention is not intended to be limited to the following configuration.

<装置構成>
図1は、従来の熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の一例を示す模式的な図である。図1(a)は従来の熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2の平面図、図1(b)は図1(a)の断面X-Xに係る断面図である。熱式ガスセンサ1は一種のMEMS(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。
<Device Configuration>
Fig. 1 is a schematic diagram showing an example of a sensor element 2 constituting a conventional thermal gas sensor 1. Fig. 1(a) is a plan view of the sensor element 2 constituting the conventional thermal gas sensor 1, and Fig. 1(b) is a cross-sectional view taken along the line X-X of Fig. 1(a). The thermal gas sensor 1 is a type of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and is used, for example, to measure the gas composition (concentration ratio) of an atmospheric gas.

従来の熱式ガスセンサ1は、ヒータ抵抗3以外に抵抗を備えていない。センサ素子2は、ヒータ抵抗3と、ヒータ抵抗3を挟んで対称に設けられたサーモパイル4とを備える。ヒータ抵抗3及びサーモパイル4は、絶縁薄膜5内に形成され、絶縁薄膜5はシリコン基板6上に設けられている。ここで、ヒータ抵抗3は、本発明における第1抵抗に相当する。また、絶縁薄膜5、及びシリコン基板6はそれぞれ、本発明における薄膜部、及び基板に相当する。 A conventional thermal gas sensor 1 does not have any resistors other than the heater resistor 3. The sensor element 2 has the heater resistor 3 and a thermopile 4 arranged symmetrically on either side of the heater resistor 3. The heater resistor 3 and the thermopile 4 are formed in an insulating thin film 5, which is provided on a silicon substrate 6. Here, the heater resistor 3 corresponds to the first resistor in the present invention. The insulating thin film 5 and the silicon substrate 6 correspond to the thin film portion and the substrate, respectively, in the present invention.

図1(b)に示すように、サーモパイル4を構成する熱電対7は、温接点8がヒータ抵抗3における発熱を感知すると、ゼーベック効果により、冷接点9との温度差によって起電力が生じる。温接点8はキャビティエリア10の上部に並んで位置し、冷接点9はシリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する。ヒータ抵抗3において発生した熱は、キャビティエリア10に放出されるため、シリコン基板6への熱の拡散は抑制される。よって、シリコン基板6におけるキャビティエリア10以外の領域に位置する冷接点9の温度はほとんど増加せず、ヒータ抵抗3の周囲に位置する温接点8との温度差がより生じやすい。 As shown in FIG. 1(b), when the hot junction 8 of the thermocouple 7 constituting the thermopile 4 detects heat generation in the heater resistor 3, an electromotive force is generated due to the temperature difference with the cold junction 9 due to the Seebeck effect. The hot junctions 8 are located next to each other on the top of the cavity area 10, and the cold junctions 9 are located in an area of the silicon substrate 6 other than the cavity area 10. Since the heat generated in the heater resistor 3 is released to the cavity area 10, the diffusion of heat to the silicon substrate 6 is suppressed. Therefore, the temperature of the cold junctions 9 located in areas of the silicon substrate 6 other than the cavity area 10 hardly increases, and a temperature difference with the hot junctions 8 located around the heater resistor 3 is more likely to occur.

定電圧源11から電極12を介してセンサ素子2に定電圧を印加することで、ヒータ抵抗3が発熱する。ヒータ抵抗3において発生した熱の温度をサーモパイル4で測定することで、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定できる。 The heater resistor 3 generates heat when a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2 via the electrode 12. The temperature of the heat generated in the heater resistor 3 is measured by the thermopile 4, so that the thermal conductivity of the ambient gas that has flowed into the sensor element 2 can be measured.

熱伝導率はガスの種類によって固有の値であるため、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスのガス組成を測定できる。例えば雰囲気ガスが空気である場合は、空気中の酸素濃度を測定することも可能である。しかし、ヒータ抵抗3における発熱量が常に一定でないと、熱式ガスセンサ1の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの熱伝導率に測定誤差が生じる。 Since thermal conductivity is a specific value depending on the type of gas, the gas composition of the ambient gas can be measured by measuring the thermal conductivity of the ambient gas that has flowed into the sensor element 2. For example, if the ambient gas is air, it is also possible to measure the oxygen concentration in the air. However, if the amount of heat generated in the heater resistor 3 is not always constant, the measurement accuracy of the thermal gas sensor 1 decreases. This causes measurement errors in the thermal conductivity of the ambient gas.

フローメータ―の場合は、雰囲気ガスは図1(b)におけるヒータ抵抗3及び一対の熱電対7の並びに沿って流れる。ヒータ抵抗3とサーモパイル4の各々の長手方向は、雰囲気ガスの流れ方向と直交する。よって、雰囲気ガスがセンサ素子2に流入すると、ヒータ抵抗3の熱は、ヒータ抵抗3を中心として対称に拡散せず、雰囲気ガスが流れる方向に沿って非対称に拡散する。その際に、ヒータ抵抗3の両側における温接点8の間に温度差が生じる。そして、当該温度差に比例してサーモパイル4から出力電圧が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル4の起電力に基づいて検出できる。この場合もヒータ抵抗3における発熱量が常に一定でないと、フローメータ―の測定精度が低下する。よって、雰囲気ガスの流量に測定誤差が生じる。 In the case of a flow meter, the ambient gas flows along the heater resistor 3 and the pair of thermocouples 7 in FIG. 1B. The longitudinal direction of the heater resistor 3 and the thermopile 4 is perpendicular to the flow direction of the ambient gas. Therefore, when the ambient gas flows into the sensor element 2, the heat of the heater resistor 3 does not diffuse symmetrically around the heater resistor 3, but diffuses asymmetrically along the direction in which the ambient gas flows. At that time, a temperature difference occurs between the hot junctions 8 on both sides of the heater resistor 3. Then, an output voltage is generated from the thermopile 4 in proportion to the temperature difference. In addition, since the temperature difference increases according to the flow velocity, the magnitude of the flow velocity can be detected based on the electromotive force of the thermopile 4. In this case, if the amount of heat generated in the heater resistor 3 is not always constant, the measurement accuracy of the flow meter decreases. Therefore, a measurement error occurs in the flow rate of the ambient gas.

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

Figure 0007509054000001

なお、Vは定電圧源11の電圧値である。 When a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the resistance value of the heater resistor 3 increases over time due to repeated heating of the heater resistor 3, and the power of the heater resistor 3 decreases. Here, the life of the heater resistor 3 is defined as the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3 increases over time and becomes a times (a>1). In this case, if the initial power of the heater resistor 3 is W0 and the power at the end of the life is W1 , the ratio of W0 to W1 is expressed by the following formula (1).
Figure 0007509054000001

Here, V is the voltage value of the constant voltage source 11.

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

Figure 0007509054000002

ここで、Rh=R1とすると、a>1より、式(2)におけるW/Wの値は、式(1)におけるW/W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。 Here, we return to the explanation of FIG. 2. As described above, when a constant voltage is applied from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, the resistance value of the heater resistor 3 increases over time, whereas the resistance value of the compensation resistor 13 hardly increases. When considering a case where thermal conductivity is repeatedly measured using the thermal gas sensor 1, the rate of increase in the resistance value of the compensation resistor 13 is extremely small compared to the rate of increase in the resistance value of the heater resistor 3, so it can be considered that the resistance value of the compensation resistor 13 does not change even if a constant voltage is applied. Then, when thermal conductivity is repeatedly measured, the resistance value of the heater resistor 3 increases over time, and at the same time, the partial pressure across the heater resistor 3 increases. Therefore, the decrease in power (approximately equivalent to the amount of heat generated) in the heater resistor 3 is suppressed. At this time, similar to formula (1), the ratio of W0 to W1 is expressed by the following formula (2).
Figure 0007509054000002

Here, if Rh=R1, then because a>1, the value of W1 / W0 in formula (2) is greater than the value of W1 / W0 in formula (1). In other words, by additionally disposing the compensating resistor 13 on the heater resistor 3, it is possible to suppress a decrease in power in the heater resistor 3 when the resistance value of the heater resistor 3 increases over time. Here, the compensating resistor 13 corresponds to the second resistor in the present invention.

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

Figure 0007509054000003

/W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。 Furthermore, in equation (2), consider the resistance value of compensation resistor 13 for reducing the rate of decrease when the power decreases from W0 to W1 . When the rate of decrease from W0 to W1 is 0, that is, when the value of W1 / W0 is 1, the rate of decrease from W0 to W1 is minimum. In this case, if the resistance value R1 of compensation resistor 13 is kRh, the following equation (3) is established.
Figure 0007509054000003

With k set to 1 for the value of W1 / W0 , k is calculated as shown in the third row. In other words, if the life of the heater resistor 3 is defined as the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3 increases over time to a times, the rate of decrease in power in the heater resistor 3 can be minimized by setting the initial resistance value R1 of the compensation resistor 13 to √a times the initial resistance value Rh of the heater resistor 3. As a result, the life of the heater resistor 3 can be extended. The value of √a may be, for example, 1 to 1.5.

図3は、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサ1の機能構成を示すブロック図である。熱式ガスセンサ1は、制御部14と、それぞれ無線または有線で制御部14に接続されている、入力部15及び計測部16及び記憶部17及び出力部18とを備えている。 Figure 3 is a block diagram showing the functional configuration of the thermal gas sensor 1 when measuring the gas composition of the atmospheric gas. The thermal gas sensor 1 includes a control unit 14, and an input unit 15, a measurement unit 16, a memory unit 17, and an output unit 18, each of which is connected to the control unit 14 wirelessly or by wire.

制御部14には、CPU、ROM、RAM等が含まれ、例えばガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報が蓄積されている。上述通り、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定し、ガスの種類によって固有の値を有する熱伝導率の情報に基づいて雰囲気ガスのガス組成を測定できる。 The control unit 14 includes a CPU, ROM, RAM, etc., and stores information on thermal conductivity, which has a unique value depending on the type of gas, for example. As described above, the thermal conductivity of the ambient gas flowing into the sensor element 2 is measured, and the gas composition of the ambient gas can be measured based on the information on the thermal conductivity, which has a unique value depending on the type of gas.

入力部15には、例えば測定対象のガスに含まれるガスの種類を予め入力する機能が備えられる。これにより、センサ素子2に流入した雰囲気ガスの熱伝導率を測定することで、雰囲気ガスにおける、入力した各々のガスのガス組成を測定することができる。 The input unit 15 has a function for inputting in advance, for example, the type of gas contained in the gas to be measured. This makes it possible to measure the gas composition of each input gas in the atmospheric gas by measuring the thermal conductivity of the atmospheric gas that has flowed into the sensor element 2.

測定部16には、ガス流路(不図示)やヒータ抵抗3や補償抵抗13やサーモパイル4等が含まれ、例えばヒータ抵抗3の電力やヒータ抵抗3における発熱の温度等のパラメーターの測定を行う。測定されたパラメーターは記憶部17に蓄積される。 The measurement unit 16 includes a gas flow path (not shown), heater resistor 3, compensation resistor 13, thermopile 4, etc., and measures parameters such as the power of the heater resistor 3 and the temperature of heat generated in the heater resistor 3. The measured parameters are stored in the memory unit 17.

制御部14において、測定部16におけるサーモパイル4の出力と、記憶部17に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する。測定されたガス組成は、出力部18に表示される。出力部18は、例えば液晶モニターである。 The control unit 14 calculates the gas composition of the atmospheric gas based on the output of the thermopile 4 in the measurement unit 16 and the parameters stored in the memory unit 17. The measured gas composition is displayed on the output unit 18. The output unit 18 is, for example, an LCD monitor.

図4は、熱式ガスセンサ1による、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理を示すフローチャートである。以下、図4を用いて処理の流れについて説明する。本フローチャートでは、まず、熱式ガスセンサ1を構成するセンサ素子2に、入力部15においてガスの種類を特定した雰囲気ガスを流入する(S101)。フローメータ―の場合は、図2におけるサーモパイル4の短手方向に沿ってヒータ抵抗3に対して流入する。ヒータ抵抗3に対して流入した雰囲気ガスは、ヒータ抵抗3における発熱によって加熱される(S102)。なお、本実施例では、定電圧源11からセンサ素子2に定電圧を印加することでヒ
ータ抵抗3が発熱するが、ヒータ抵抗3と補償抵抗13の接続の態様によっては、定電流を駆動する場合もある。次に、制御部14において、サーモパイル4の出力と、記憶部17に蓄積されたパラメーターに基づいて、雰囲気ガスのガス組成を算出する(S103)。測定した雰囲気ガスのガス組成のパラメーターは新たに記憶部17に蓄積される。最後に、出力部18に雰囲気ガスのガス組成が表示される(S104)。これによれば、例えば雰囲気ガスにおける特定のガスの純度を把握できる。
FIG. 4 is a flowchart showing the process of measuring the gas composition of the ambient gas by the thermal gas sensor 1. The flow of the process will be described below with reference to FIG. 4. In this flowchart, first, the ambient gas, the type of which is specified by the input unit 15, is flowed into the sensor element 2 constituting the thermal gas sensor 1 (S101). In the case of a flow meter, the ambient gas flows into the heater resistor 3 along the short side direction of the thermopile 4 in FIG. 2. The ambient gas that flows into the heater resistor 3 is heated by the heat generated by the heater resistor 3 (S102). In this embodiment, the heater resistor 3 is heated by applying a constant voltage from the constant voltage source 11 to the sensor element 2, but depending on the connection between the heater resistor 3 and the compensation resistor 13, a constant current may be driven. Next, the control unit 14 calculates the gas composition of the ambient gas based on the output of the thermopile 4 and the parameters stored in the memory unit 17 (S103). The parameters of the measured gas composition of the ambient gas are newly stored in the memory unit 17. Finally, the gas composition of the atmospheric gas is displayed on the output unit 18 (S104). This allows the purity of a specific gas in the atmospheric gas to be known, for example.

なお、以下の変形例において、雰囲気ガスのガス組成の測定時における熱式ガスセンサの機能構成、及び熱式ガスセンサによる、雰囲気ガスのガス組成の測定時における処理については、実施例1と同様に、図3及び図4に示す通りである。 In the following modified examples, the functional configuration of the thermal gas sensor when measuring the gas composition of the atmospheric gas, and the processing performed by the thermal gas sensor when measuring the gas composition of the atmospheric gas, are as shown in Figures 3 and 4, similar to Example 1.

〔変形例1〕
次に、本発明の変形例1について説明する。図5は、変形例1における熱式ガスセンサ1aを構成するセンサ素子2aの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例1の相違点は、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して並列に接続される点、及び電源として定電流源19を用いて、定電流源19から電極12aを介してセンサ素子2aに定電流を印加する点である。定電流を印加する場合は、補償抵抗13aがヒータ抵抗3aに対して並列に接続されることで、実施例1と同様の効果が得られる。すなわち、ヒータ抵抗3aにおける抵抗値が経時的に増加した際の、ヒータ抵抗3aにおける電力の減少を抑制する効果が得られる。
[Modification 1]
Next, a first modified example of the present invention will be described. Fig. 5 is a plan view showing an example of a sensor element 2a constituting a thermal gas sensor 1a in the first modified example. The first modified example differs from the first embodiment in that a compensation resistor 13a is connected in parallel to the heater resistor 3a, and that a constant current is applied from the constant current source 19 to the sensor element 2a via the electrode 12a using a constant current source 19 as a power source. When a constant current is applied, the compensation resistor 13a is connected in parallel to the heater resistor 3a, thereby obtaining the same effect as the first embodiment. That is, an effect of suppressing a decrease in power in the heater resistor 3a when the resistance value of the heater resistor 3a increases over time is obtained.

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

Figure 0007509054000004

なお、Iは定電流源19の電流値である。また、Rh=R1である。ここで、同条件下で式(4)におけるW/Wの値は、式(2)におけるW/W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。 Here, the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3a increases over time and becomes a times as large as a (a>1) is defined as the end of the heater resistor 3a's life. In this case, if the initial resistance value of the compensation resistor 13a is R1, the initial power of the heater resistor 3a is W0 , and the power at the end of the life is W1 , the ratio of W0 to W1 is expressed by the following formula (4).
Figure 0007509054000004

Here, I is the current value of the constant current source 19. Also, Rh=R1. Here, under the same conditions, the value of W1 / W0 in formula (4) is equal to the value of W1 / W0 in formula (2). Therefore, in the sensor element 2a, the compensation resistor 13a is connected in parallel to the heater resistor 3a, and a constant current is applied to the sensor element 2a, and the compensation resistor 13a is connected in series to the heater resistor 3a, and a constant voltage is applied to the sensor element 2a.

〔変形例2〕
次に、本発明の変形例2について説明する。図6は、変形例2における熱式ガスセンサ1bを構成するセンサ素子2bの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例2の相違点は、ヒータ抵抗3bと補償抵抗13bが互いに独立して並列に配置されており、ヒータ抵抗3bと同様に、補償抵抗13bも一対のサーモパイル4bの間においてキャビティエリア10bの開口を横断するように配置されている点、及び二つの電源がセンサ素子2bの外部に配置されており、定電圧源11bはヒータ抵抗3bに導電する電極12bに
導線が接続されており、定電流源19bは補償抵抗13bに導電する電極12bに導線が接続されている点である。ヒータ抵抗3b及び補償抵抗13bが発熱する際には、初期の時点で二つの抵抗においてそれぞれ同値の電力が生じるように、定電圧及び定電流をセンサ素子2bに印加する。このとき、二つの抵抗における抵抗値はそれぞれ経時的に増加するが、電力はそれぞれ逆方向に変化するので、打ち消し合って抵抗値の増加を抑制する効果が得られる。具体的には、定電圧が印可されるヒータ抵抗3bにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、ヒータ抵抗3bにおける電力は経時的に減少するのに対し、定電流が印可される補償抵抗13bにおける抵抗値の経時的な増加に伴って、補償抵抗13bにおける電力は経時的に増加する。
[Modification 2]
Next, a second modified example of the present invention will be described. FIG. 6 is a plan view showing an example of a sensor element 2b constituting a thermal gas sensor 1b in the second modified example. The second modified example differs from the first embodiment in that the heater resistor 3b and the compensation resistor 13b are arranged in parallel independently of each other, and the compensation resistor 13b is also arranged to cross the opening of the cavity area 10b between a pair of thermopiles 4b, as with the heater resistor 3b, and that two power sources are arranged outside the sensor element 2b, the constant voltage source 11b has a conductor connected to the electrode 12b conducting to the heater resistor 3b, and the constant current source 19b has a conductor connected to the electrode 12b conducting to the compensation resistor 13b. When the heater resistor 3b and the compensation resistor 13b generate heat, a constant voltage and a constant current are applied to the sensor element 2b so that the two resistors generate the same power at the initial point. At this time, the resistance values of the two resistors increase over time, but the powers change in the opposite directions, so that they cancel each other out and suppress the increase in the resistance value. Specifically, as the resistance value of the heater resistor 3b to which a constant voltage is applied increases over time, the power in the heater resistor 3b decreases over time, whereas as the resistance value of the compensation resistor 13b to which a constant current is applied increases over time, the power in the compensation resistor 13b increases over time.

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

Figure 0007509054000005

なお、Vは定電圧源11bの電圧値であり、Iは定電流源19bの電流値である。また、Rh=R1である。ここで、同条件下で式(5)におけるW/Wの値は、式(1)におけるW/W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。 Here, the time when the initial resistance value Rh of the heater resistor 3b and the initial resistance value R1 of the compensation resistor 13b increase over time to a times (a>1) is defined as the end of the lives of the heater resistor 3b and the compensation resistor 13b. If the total initial power of the heater resistor 3b and the compensation resistor 13b is W0 and the total power at the end of the lives is W1 , the ratio of W0 to W1 is expressed by the following equation (5).
Figure 0007509054000005

Here, V is the voltage value of the constant voltage source 11b, and I is the current value of the constant current source 19b. Also, Rh=R1. Here, under the same conditions, the value of W1 / W0 in formula (5) is greater than the value of W1 / W0 in formula (1), so even with the configuration of modified example 2, it is possible to sufficiently suppress the change in the heat generation amount in the heater resistor.

〔変形例3〕
次に、本発明の変形例3について説明する。図7は、変形例3における熱式ガスセンサ1cを構成するセンサ素子2cの一例を示す平面図である。実施例1に対する変形例3の相違点は、センサ素子2cにおいて、ヒータ抵抗3cが配置されているキャビティエリア10cと別に、補償抵抗13cがキャビティエリア100cの開口を横断するように配置されている点、及び発熱によってヒータ抵抗3cにおける抵抗値が経時的に増加するのに対し、補償抵抗13cにおける抵抗値が経時的に減少する点である。
[Modification 3]
Next, a third modification of the present invention will be described. Fig. 7 is a plan view showing an example of a sensor element 2c constituting a thermal gas sensor 1c in the third modification. The third modification differs from the first embodiment in that in the sensor element 2c, a compensation resistor 13c is arranged across the opening of a cavity area 100c in addition to a cavity area 10c in which a heater resistor 3c is arranged, and that while the resistance value of the heater resistor 3c increases over time due to heat generation, the resistance value of the compensation resistor 13c decreases over time.

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

Figure 0007509054000006

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。 Here, the rate of increase of the initial resistance value Rh of the heater resistor 3c is α (α>1), and the rate of decrease of the initial resistance value R1 of the compensation resistor 13c is β (0<β<1). The condition for no change in power over time in the heater resistor 3c and the compensation resistor 13c is expressed by the first line of the following equation (6).
Figure 0007509054000006

Here, if Rh=R1, the second line is established. As a result, as shown in the third line, when β=2√α-α, the power in the heater resistor 3c and the compensation resistor 13c does not change over time. In addition, by adjusting the opening size of the cavity area 100c and applying a constant voltage from the constant voltage source 11c to the sensor element 2c, it is possible to establish equation (6).

なお、変形例3においては、定電圧源11cを用いて定電圧を印加する代わりに定電流源19c(不図示)を用いて定電流を印加する場合、補償抵抗13cをヒータ抵抗3cに対して並列に接続することで同様の効果が得られる。すなわち、β=2√α-αが成立する場合に、ヒータ抵抗3c及び補償抵抗13cにおける電力は経時変化せず、また、キャビティエリア100cの開口サイズを調整し、定電圧源11cからセンサ素子2cに定電流を印加することにより、式(6)を成立させることが可能である。 In addition, in the third modification, when a constant current is applied using a constant current source 19c (not shown) instead of applying a constant voltage using a constant voltage source 11c, the same effect can be obtained by connecting the compensation resistor 13c in parallel to the heater resistor 3c. In other words, when β=2√α-α holds, the power in the heater resistor 3c and the compensation resistor 13c does not change over time, and by adjusting the opening size of the cavity area 100c and applying a constant current from the constant voltage source 11c to the sensor element 2c, it is possible to hold formula (6).

また、上記の実施例及び変形例では、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に増加する場合について説明した。しかし、本発明の技術思想は、繰り返しの発熱によりヒータ抵抗における抵抗値が経時的に減少する場合にも適用可能である。上記の実施例及び変形例と同等の構成を付加することで、発熱量の経時的増加または減少を抑制することができる。 In addition, in the above embodiment and modified example, a case has been described in which the resistance value of the heater resistor increases over time due to repeated heat generation. However, the technical concept of the present invention is also applicable to a case in which the resistance value of the heater resistor decreases over time due to repeated heat generation. By adding a configuration equivalent to the above embodiment and modified example, it is possible to suppress the increase or decrease in the amount of heat generated over time.

なお、上記の実施例においては、温度検出器としてサーモパイル4を用いたサーモパイル型センサを例にとって説明したが、本発明が適用されるセンサは、サーモパイル型センサに限られない。例えば、サーモパイル以外の温度センサを有するセンサや、サーモパイルを備えず、ヒータに電力供給してヒータの温度を上昇させ、ヒータ自体の抵抗値の変化によって温度を検知するガスセンサなどに適用することが可能である。 In the above embodiment, a thermopile-type sensor using a thermopile 4 as a temperature detector has been described as an example, but the sensors to which the present invention is applicable are not limited to thermopile-type sensors. For example, the present invention can be applied to sensors having temperature sensors other than thermopiles, and gas sensors that do not have a thermopile but supply power to a heater to raise the temperature of the heater and detect the temperature by the change in the resistance value of the heater itself.

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
<発明1>
電源(11、11b、11c、19、19b、19c)からの電力供給により発熱する複数の抵抗(3、3a、3b、3c、13、13a、13b、13c)と、
表面にキャビティエリア(10、10a、10b、10c、100c)の開口部を有する基板(6)と、
前記キャビティエリアの開口部を覆うように形成された薄膜部(5、5a、5b、5c)と、
前記複数の抵抗のうちの少なくとも一の抵抗の温度または該抵抗の周囲における温度を
検出する温度検出器(4、4a、4b、4c)と、
を備える熱式センサ(1、1a、1b、1c)であって、
前記複数の抵抗は、
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、電源からの電力供給による発熱量が経時的変化を示す第1抵抗(3、3a、3b、3c)と、
抵抗値の経時的変化の態様または、前記電源からの電力供給による発熱量の経時的変化の態様が、前記第1抵抗とは異なる第2抵抗(13、13a、13b、13c)と、
を含む事を特徴とする、熱式センサ。
In the following, the components of the present invention will be described with reference to the reference numerals in the drawings in order to make it possible to compare the components of the present invention with the configurations of the embodiments.
<Invention 1>
a plurality of resistors (3, 3a, 3b, 3c, 13, 13a, 13b, 13c) that generate heat when supplied with power from a power source (11, 11b, 11c, 19, 19b, 19c);
A substrate (6) having an opening of a cavity area (10, 10a, 10b, 10c, 100c) on a surface thereof;
A thin film portion (5, 5a, 5b, 5c) formed so as to cover the opening of the cavity area;
a temperature detector (4, 4a, 4b, 4c) for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
A thermal sensor (1, 1a, 1b, 1c) comprising:
The plurality of resistors include
a first resistor (3, 3a, 3b, 3c) provided on the thin film portion and indicating a change over time in the amount of heat generated by the power supply from a power source based on a change over time in the resistance value;
a second resistor (13, 13a, 13b, 13c) whose resistance value changes over time or whose heat generation amount changes over time due to power supply from the power source is different from that of the first resistor;
A thermal sensor comprising:

1 :熱式ガスセンサ
2 :センサ素子
3 :ヒータ抵抗
4 :サーモパイル
5 :絶縁薄膜
6 :シリコン基板
7 :熱電対
8 :温接点
9 :冷接点
10 :キャビティエリア
11 :定電圧源
12 :電極
13 :補償抵抗
14 :制御部
15 :入力部
16 :測定部
17 :記憶部
18 :出力部
19 :定電流源
1: Thermal gas sensor 2: Sensor element 3: Heater resistor 4: Thermopile 5: Insulating thin film 6: Silicon substrate 7: Thermocouple 8: Hot junction 9: Cold junction 10: Cavity area 11: Constant voltage source 12: Electrode 13: Compensating resistor 14: Control unit 15: Input unit 16: Measuring unit 17: Memory unit 18: Output unit 19: Constant current source

Claims (8)

定電圧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、前記定電圧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、前記定電圧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、
を含み、
前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と直列に接続されていることを特徴とする、熱式センサ。
A plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a constant voltage source ;
A substrate having an opening in a cavity area on a surface thereof;
a thin film portion formed so as to cover an opening of the cavity area;
a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
A thermal sensor comprising:
The plurality of resistors include
a first resistor provided on the thin film portion, the first resistor indicating a change over time in a heat generation amount caused by the supply of power from the constant voltage source based on a change over time in a resistance value;
a second resistor having a different manner of change over time in resistance value or a different manner of change over time in heat generation due to power supply from the constant voltage source from the first resistor;
Including,
The thermal sensor according to claim 1, wherein the second resistor is connected in series with the first resistor on the substrate .
定電流源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、A plurality of resistors that generate heat when power is supplied from a constant current source;
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、a substrate having an opening in a cavity area on a surface thereof;
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、a thin film portion formed so as to cover an opening of the cavity area;
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、a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
を備える熱式センサであって、A thermal sensor comprising:
前記複数の抵抗は、The plurality of resistors include
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、前記定電流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、a first resistor provided on the thin film portion, the first resistor indicating a change over time in a heat generation amount caused by the power supply from the constant current source based on a change over time in a resistance value;
抵抗値の経時的変化の態様または、前記定電流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、a second resistor having a different manner of change over time in resistance value or a different manner of change over time in heat generation due to power supply from the constant current source than the first resistor;
を含み、Including,
前記第2抵抗は、前記基板上において、前記第1抵抗と並列に接続されていることを特徴とする、熱式センサ。The thermal sensor according to claim 1, wherein the second resistor is connected in parallel with the first resistor on the substrate.
定電圧源または定電流源からの電力供給により発熱する複数の抵抗と、A plurality of resistors that generate heat when supplied with power from a constant voltage source or a constant current source;
表面にキャビティエリアの開口部を有する基板と、a substrate having an opening in a cavity area on a surface thereof;
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、a thin film portion formed so as to cover an opening of the cavity area;
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、a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the plurality of resistors or a temperature around the resistor;
を備える熱式センサであって、A thermal sensor comprising:
前記複数の抵抗は、The plurality of resistors include
前記薄膜部に設置され、抵抗値の経時的変化により、前記定電圧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、a first resistor provided on the thin film portion, the first resistor indicating a change over time in a heat generation amount caused by the supply of power from the constant voltage source based on a change over time in a resistance value;
抵抗値の経時的変化の態様または、前記定電流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、a second resistor having a different manner of change over time in resistance value or a different manner of change over time in heat generation due to power supply from the constant current source than the first resistor;
を含み、Including,
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、the temperature detector is two or more thermopiles arranged in pairs facing each other in the thin film portion,
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、the first resistor is disposed between the pair of thermopiles in the thin film portion,
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、熱式センサ。A thermal sensor, characterized in that the first resistor and the second resistor are arranged in parallel independently of each other on the thin film portion.
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。
The temperature detector includes:
In the thin film portion, a pair of two or more thermopiles are arranged opposite each other,
3. The thermal sensor according to claim 1, wherein the first resistor is disposed between the pair of thermopiles in the thin film portion.
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または2に記載の熱式センサ。 3. The thermal sensor according to claim 1, wherein the second resistor is disposed at a location having a higher heat dissipation property than the first resistor. 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。 The thermal sensor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the initial resistance value of the first resistor is equal to the initial resistance value of the second resistor. 前記第2抵抗は、前記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、請求項に記載の熱式センサ。 2. The thermal sensor according to claim 1, wherein the second resistor is connected in series with the first resistor in the thin film portion, and a resistance value of the second resistor changes over time in a direction opposite to that of the first resistor when a current is passed through the second resistor. 前記第2抵抗は、前記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、請求項に記載の熱式センサ。 3. The thermal sensor according to claim 2, wherein the second resistor is connected in parallel with the first resistor in the thin film portion, and a resistance value of the second resistor changes over time in a direction opposite to that of the first resistor when a current is passed through the second resistor.
JP2021028838A 2021-02-25 2021-02-25 Thermal Sensor Active JP7509054B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021028838A JP7509054B2 (en) 2021-02-25 2021-02-25 Thermal Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021028838A JP7509054B2 (en) 2021-02-25 2021-02-25 Thermal Sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022129947A JP2022129947A (en) 2022-09-06
JP7509054B2 true JP7509054B2 (en) 2024-07-02

Family

ID=83151156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021028838A Active JP7509054B2 (en) 2021-02-25 2021-02-25 Thermal Sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7509054B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7503226B1 (en) 2023-11-20 2024-06-20 三井金属鉱業株式会社 Gas concentration measuring device and method for measuring the concentration of a target gas in a measured gas

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000275075A (en) 1999-03-23 2000-10-06 Mitsubishi Electric Corp Thermal flow sensor
JP2002310762A (en) 2001-04-16 2002-10-23 Omron Corp Flow sensor
JP2007205986A (en) 2006-02-03 2007-08-16 Hitachi Ltd Thermal flow sensor
US20100089118A1 (en) 2008-10-09 2010-04-15 Felix Mayer Method for measuring a fluid composition parameter by means of a flow sensor
JP2010197285A (en) 2009-02-26 2010-09-09 Hitachi Automotive Systems Ltd Humidity sensor
JP2011137679A (en) 2009-12-28 2011-07-14 Hitachi Automotive Systems Ltd Thermal gas sensor
JP2011237407A (en) 2010-04-15 2011-11-24 Ngk Spark Plug Co Ltd Combustible gas detector and control method for combustible gas detection element
JP2015169552A (en) 2014-03-07 2015-09-28 株式会社リコー Detection device, detection circuit, sensor module, and image forming apparatus
US20170343502A1 (en) 2016-05-31 2017-11-30 Ams Sensors Uk Limited Environment sensor system
JP2018031586A (en) 2016-08-22 2018-03-01 日立オートモティブシステムズ株式会社 Sensor device
JP2018096865A (en) 2016-12-14 2018-06-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 Gas sensor device
WO2020189677A1 (en) 2019-03-19 2020-09-24 オムロン株式会社 Concentration measurement device

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000275075A (en) 1999-03-23 2000-10-06 Mitsubishi Electric Corp Thermal flow sensor
JP2002310762A (en) 2001-04-16 2002-10-23 Omron Corp Flow sensor
JP2007205986A (en) 2006-02-03 2007-08-16 Hitachi Ltd Thermal flow sensor
US20100089118A1 (en) 2008-10-09 2010-04-15 Felix Mayer Method for measuring a fluid composition parameter by means of a flow sensor
JP2010197285A (en) 2009-02-26 2010-09-09 Hitachi Automotive Systems Ltd Humidity sensor
JP2011137679A (en) 2009-12-28 2011-07-14 Hitachi Automotive Systems Ltd Thermal gas sensor
JP2011237407A (en) 2010-04-15 2011-11-24 Ngk Spark Plug Co Ltd Combustible gas detector and control method for combustible gas detection element
JP2015169552A (en) 2014-03-07 2015-09-28 株式会社リコー Detection device, detection circuit, sensor module, and image forming apparatus
US20170343502A1 (en) 2016-05-31 2017-11-30 Ams Sensors Uk Limited Environment sensor system
JP2018031586A (en) 2016-08-22 2018-03-01 日立オートモティブシステムズ株式会社 Sensor device
JP2018096865A (en) 2016-12-14 2018-06-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 Gas sensor device
WO2020189677A1 (en) 2019-03-19 2020-09-24 オムロン株式会社 Concentration measurement device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022129947A (en) 2022-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8667839B2 (en) Heat conduction-type sensor for calibrating effects of temperature and type of fluid, and thermal flow sensor and thermal barometric sensor using this sensor
JP5210491B2 (en) Thermal flow sensor
JP3658321B2 (en) Flow sensor and manufacturing method thereof
EP2339334B1 (en) Thermal gas sensor
EP2280251B1 (en) Thermal flow meter
US8359919B2 (en) Thermal humidity sensor
JP5076235B2 (en) Thermocouple heater and temperature measurement device using the same
JP4157034B2 (en) Thermal flow meter
JP2004286492A (en) Gas sensing system and temperature sensor used for it
US20160011031A1 (en) Hot-Type Fluid Measurement Device
EP3184970B1 (en) Sensor device
JP7509054B2 (en) Thermal Sensor
CN113518914B (en) Concentration measuring device
JP7562930B2 (en) Thermopile Sensor
WO2021176793A1 (en) Thermopile sensor
JPH11148849A (en) Fluid detecting sensor
JP7456404B2 (en) Thermal sensors and measurement methods using thermal sensors
US20040261521A1 (en) Flow sensor having two heating resistors
JP5319744B2 (en) Thermal flow sensor
KR20130109494A (en) Thermal mass flow sensor
JP2021148692A (en) Thermal flowmeter and method for correcting flow rate
JP2007155502A (en) Detector
JPH03261868A (en) Flow sensor
JPH1151952A (en) Thermal flow velocity sensor
JPH10142021A (en) Thermal mass flowmeter

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