專利名稱：熱式氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)被測量氣體的熱傳導的變化測量氣體的成分的熱式氣體傳感器。
背景技術(shù)：
熱式氣體傳感器用于使用氣體的熱傳導的變化進行氣體分析，利用暴露在氣體中的發(fā)熱體的散熱量測量氣體的熱傳導的變化。熱式氣體傳感器在各種技術(shù)領(lǐng)域中得到使用，在汽車用的內(nèi)燃機等中，為了實現(xiàn)低油耗，需要高精度地測量吸入空氣的流量、溫度、壓力和濕度等環(huán)境狀態(tài)。另外，上述傳感器還用于在以氫氣作為燃料的汽車用的內(nèi)燃機中通過檢測氫氣濃度使內(nèi)燃機以最佳方式運行。作為上述這種測量濕度以及氣體濃度的氣體傳感器的熱式氣體傳感器，沒有水分的吸收，在對污損等的耐環(huán)境性以及長期穩(wěn)定性方面性能較好。作為這種熱式氣體傳感器的現(xiàn)有技術(shù)文獻，專利文獻1(日本特許第觀89909號公報)中披露了基于在環(huán)境中被加熱的電阻器的電阻值的變化，在電阻變化僅受環(huán)境溫度影響的低溫和電阻變化響應于環(huán)境溫度及濕度的高溫下，以電阻器兩端產(chǎn)生的高溫下的電壓為基準，比較低溫下的電壓，從而檢測濕度的濕度傳感器。另外，專利文獻2 (日本特許第3343801號公報)中披露了具有利用發(fā)熱體加熱熱敏電阻器的加熱單元，通過由該加熱單元對發(fā)熱體在一定時間內(nèi)依次施加兩個脈沖電壓， 將熱敏電阻器的溫度切換為300°C以上的第一溫度和100°C 150°C的第二溫度，根據(jù)與各個熱敏電阻器的電壓下降相關(guān)聯(lián)的輸出電壓檢測濕度的濕度傳感器。在上述專利文獻1及2所披露的濕度傳感器中，采用將同一發(fā)熱體或熱敏電阻器分時加熱至低溫(第二溫度)和高溫(第一溫度)的結(jié)構(gòu)。專利文獻1 日本特許第觀89909號公報專利文獻2 日本特許第3343801號公報但是，在這種分時加熱同一發(fā)熱體或熱敏電阻器的結(jié)構(gòu)中，雖然具有省電的優(yōu)點， 但需要用于將發(fā)熱體或熱敏電阻器加熱及自然冷卻至不同溫度的時間，存在響應速度較慢的問題。特別地，在內(nèi)燃機的吸入空氣的濕度測量中，成為燃料噴射時間等瞬時計算中使用的重要數(shù)據(jù)，因此要求具有即時性。對于這種應用，專利文獻1及2所披露的以往的濕度傳感器的響應速度成為問題。另外，以往，利用使用了與第一溫度和第二溫度下熱敏電阻器的電壓下降相關(guān)聯(lián)的輸出電壓和預先測量的熱敏電阻器的電阻值等各種參數(shù)的計算，得到與濕度相應的信號。這是因為要校正由氣體的溫度變動造成的影響。因此，存在由于長期使用而使熱敏電阻器的電阻值發(fā)生劣化，由此使參數(shù)產(chǎn)生誤差，計算誤差增大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
對此，本發(fā)明的目的在于提供一種解決上述以往例子的問題，能在各種環(huán)境條件下使用的高響應性且高精度的熱式氣體傳感器。為了解決上述問題，本發(fā)明的熱式氣體傳感器在基板的空洞部上形成薄膜支撐體，在該薄膜支撐體上形成第一發(fā)熱體和第二發(fā)熱體，該第二發(fā)熱體配置在該第一發(fā)熱體的周邊，該第一發(fā)熱體被控制為高于該第二發(fā)熱體的溫度，基于所述第一發(fā)熱體的加熱電力測量周圍氣體的狀態(tài)。據(jù)此，檢測氣體的熱傳導的變化的第一發(fā)熱體的周邊溫度利用第二發(fā)熱體能夠保持為指定溫度。即，能夠減少由氣體溫度的變動造成的影響，無須將發(fā)熱體分時加熱至不同溫度，能夠加快響應速度。進而，所述第二發(fā)熱體以圍繞所述第一發(fā)熱體的四周的方式形成，所述第二發(fā)熱體敷設(shè)的面積形成得大于所述第一發(fā)熱體敷設(shè)的面積。據(jù)此，能夠?qū)⒌谝话l(fā)熱體附近的氣體溫度更穩(wěn)定地保持為指定溫度，實現(xiàn)高精度化。進而，進行加熱控制，使得所述第一發(fā)熱體的溫度與所述第二發(fā)熱體的溫度的差為恒定溫度。據(jù)此，能夠高精度地檢測與氣體的熱傳導率的變動相伴隨的第一發(fā)熱體的散熱量的變化。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明，能夠減少由氣體的溫度變動造成的影響，得到高響應性且高精度的熱式氣體傳感器。另外，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動電路的簡化，能夠提高可靠性。


圖1是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的傳感器的平面圖。圖2是圖1的X-X線的剖面圖。圖3是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的驅(qū)動電路。圖4是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的溫度分布。圖5是第一實施例的熱式氣體傳感器的實驗結(jié)果。圖6是第一實施例的熱式氣體傳感器的實驗結(jié)果。圖7是表示第二實施例的熱式氣體傳感器的平面圖。圖8是表示第二實施例的熱式氣體傳感器的驅(qū)動電路。圖9是表示第三實施例的熱式氣體傳感器的平面圖。圖10是表示第三實施例的熱式氣體傳感器的驅(qū)動電路。圖11是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的實驗結(jié)果。圖12是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的實驗結(jié)果。圖13是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的實驗結(jié)果。圖14是表示第四實施例的熱式氣體傳感器的平面圖。圖15是表示第四實施例的熱式氣體傳感器的驅(qū)動電路。圖16是表示第五實施例的熱式流量計的平面圖。圖17是表示第五實施例的復合型傳感器的電連接圖。圖18是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的補充實驗結(jié)果。符號說明
IaUbUc熱式氣體傳感器；2基板；3、4發(fā)熱體；5、47、48空洞部；6薄膜支撐體； 7a 7j電極；8a、m3絕緣層；9a 9f固定電阻；10a、10b差動放大器；IlaUlb晶體管；12、 15電源；1 He橋電路；23、24、；34、35、36溫度傳感器；37熱式空氣流量傳感器；38驅(qū)動LSI ；39基底部件；40殼體部件；41接合線；42端子部；43空氣流；44內(nèi)層導體；45副通路；46熱式流量計；49復合型傳感器；51進氣管。
具體實施例方式以下，基于附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。本實施方式說明作為汽車用的內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)，適用于測量進氣的濕度的熱式氣體傳感器的例子。實施例1圖1是表示第一實施例的熱式氣體傳感器的傳感器元件的平面圖，圖2是圖1的 X-X線的剖面圖。熱式氣體傳感器Ia具有由單晶硅形成的基板2。如圖1所示，基板2上形成空洞部5，該空洞部5內(nèi)敷設(shè)第一發(fā)熱體3和第二發(fā)熱體4。另外，支撐這些發(fā)熱體的薄膜支撐體6形成為位于基板2的空洞部上。此處，如圖2所示，薄膜支撐體6由層疊于基板2上面的絕緣層&!、勸構(gòu)成，發(fā)熱體 3、4介于這些絕緣層&!、勸之間并受到支撐。發(fā)熱體4以圍繞發(fā)熱體3的周圍的方式配置。這樣，通過以圍繞發(fā)熱體3周邊的方式配置發(fā)熱體4，用發(fā)熱體4的溫度(T2)維持發(fā)熱體3的周圍溫度，能夠進一步降低對周圍溫度T3的依賴性。較為理想地，舉出以圍繞發(fā)熱體3的四周的方式配置發(fā)熱體4的方式。另外，發(fā)熱體3、4包括沿薄膜支撐體6的平面延伸，由具有多個折回部的細微寬度的電阻器構(gòu)成，與為了與外部電路連接而形成于基板2上的電極7a、7b、7c、7d電連接。作為發(fā)熱體3、4，選擇在高溫下穩(wěn)定的材料(具有較高熔點的材料)，例如鉬(Pt)、 鉭(Ta)、鉬(Mo)、硅(Si)等，作為絕緣層8a、8b，以單層或?qū)盈B結(jié)構(gòu)選擇氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)15另外，作為絕緣層8a、8b，也可以以單層或?qū)盈B結(jié)構(gòu)選擇聚酰亞胺等樹脂材料或陶瓷、玻璃等。另外，作為電極7a、7b、7c、7d，選擇鋁(Al)或金(Au)等。發(fā)熱體3、4，絕緣層8a、8b以及電極7a 7d使用利用了光刻法 (photolithography)的半導體微加工技術(shù)、各向異性蝕刻技術(shù)形成。特別地，空洞部5是對單晶硅基板2進行各向異性蝕刻而形成，因此，電極7a 7d使用對各向異性蝕刻中使用的堿性蝕刻溶液具有耐受性的金屬較好。另外，在使用鋁等不具有耐受性的金屬時，較為理想的是，使用鋁與硅的合金構(gòu)成電極7a 7d以使其具有耐受性，或者在電極7a 7d上形成保護膜后進行各向異性蝕刻。圖3是熱式氣體傳感器Ia的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖。以下，使用圖3說明第一實施例的熱式氣體傳感器的動作。熱式氣體傳感器Ia的驅(qū)動電路具有對第一發(fā)熱體3和第二發(fā)熱體4提供加熱電流，將第一發(fā)熱體3控制為第一溫度Tl并且將第二發(fā)熱體4控制為低于第一溫度的第二溫度T2的結(jié)構(gòu)。熱式氣體傳感器Ia的驅(qū)動電路具有第一橋電路Ha與第二橋電路14b，差動放大器10a、10b，和用于使加熱電流流至發(fā)熱體3、4的晶體管lla、llb。另外，圖3中符號12為電源。 第一橋電路14a由發(fā)熱體3和固定電阻9a、9b、9c構(gòu)成，對發(fā)熱體3與固定電阻9c 串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9a與9b串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。第二橋電路14b也是同樣，由發(fā)熱體4和固定電阻9d、9e、9f構(gòu)成，對發(fā)熱體4與固定電阻9f串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9d與9e串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。此時，第一橋電路14a中的發(fā)熱體3與固定電阻9c的連接端電位和固定電阻9a 與9b的連接端電位被輸入差動放大器10a。差動放大器IOa將與輸入電壓的差相應的電壓輸出到晶體管Ila的基極。利用晶體管11a，根據(jù)基極的電位控制流至集電極和發(fā)射極之間的電流。晶體管Ila的發(fā)射極連接到第一橋電路14a的發(fā)熱體3與固定電阻9a之間，集電極和發(fā)射極之間的電流流至第一橋電路14a。固定電阻9a的電阻值設(shè)定為發(fā)熱體3的電阻值的10倍以上。據(jù)此，從晶體管Ila流出的電流的大部分流向發(fā)熱體3，對發(fā)熱體3進行加熱。通過該結(jié)構(gòu)，進行反饋控制，使得發(fā)熱體3的溫度變?yōu)樽鳛?00°C左右的恒定溫度的第一溫度Tl。發(fā)熱體3的溫度設(shè)定以根據(jù)已知的發(fā)熱體3的電阻溫度系數(shù)在第一溫度Tl時發(fā)熱體3的電阻值與固定電阻9c的比和固定電阻9a與9b的比一致的方式設(shè)定，若發(fā)熱體3 的溫度低于第一溫度Tl，則晶體管Ila打開，經(jīng)由晶體管Ila從電源12向發(fā)熱體3流入加熱電流。第二橋電路14b中也是同樣，發(fā)熱體4與固定電阻9f的連接端電位和固定電阻9d 與9e的連接端電位被輸入差動放大器10b。差動放大器IOb將與輸入電壓的差相應的電壓輸出到晶體管lib的基極。利用晶體管11b，根據(jù)基極的電位控制流至集電極和發(fā)射極之間的電流。晶體管lib的發(fā)射極連接到第二橋電路14b的發(fā)熱體4與固定電阻9d之間，從電源12出發(fā)，集電極和發(fā)射極之間的電流流至第二橋電路14b。固定電阻9d的電阻值設(shè)定為發(fā)熱體4的電阻值的10倍以上。據(jù)此，從晶體管lib流出的電流的大部分流向發(fā)熱體 4，對發(fā)熱體4進行加熱。通過該結(jié)構(gòu)，進行反饋控制，使得發(fā)熱體4的溫度變?yōu)樽鳛?00°C 以上的恒定溫度的第二溫度T2。發(fā)熱體4的溫度設(shè)定以根據(jù)已知的發(fā)熱體4的電阻溫度系數(shù)在第二溫度T2時發(fā)熱體4的電阻值與固定電阻9f的比和固定電阻9d與9e的比一致的方式設(shè)定，若發(fā)熱體4 的溫度低于第二溫度T2，則晶體管lib打開，經(jīng)由晶體管lib從電源12向發(fā)熱體4流入加熱電流。圖4中表示控制為上述第一溫度Tl以及第二溫度T2的發(fā)熱體3、4附近的溫度狀態(tài)。周圍溫度T3是作為被測量氣體的熱式氣體傳感器Ia周圍的氣體的溫度。該周圍溫度 T3例如根據(jù)季節(jié)等環(huán)境條件而變化，在汽車用的內(nèi)燃機的進氣的情況下在_40°C至+125°C 之間變動。發(fā)熱體4利用驅(qū)動電路加熱為溫度T2。即使周圍溫度T3發(fā)生變動，發(fā)熱體4的加熱溫度也保持為溫度T2。發(fā)熱體3利用驅(qū)動電路加熱為作為高于T2的溫度的溫度Tl。此處，從發(fā)熱體3向氣體的散熱量Q1、從發(fā)熱體4向氣體的散熱量Q2近似地表示為下面的(1)、(2)式。Ql = λ (Τ1-Τ2) (1)Q2 = λ (Τ2-Τ3) (2)此處，λ是空氣的熱傳導率，是根據(jù)濕度發(fā)生變化的參數(shù)。根據(jù)上式，周圍溫度Τ3變化后，發(fā)熱體4的散熱量Q2發(fā)生較大變動，但發(fā)熱體3的散熱量Ql不受周圍溫度T3的影響。即，發(fā)熱體3相當于始終暴露在恒定溫度T2的空氣中。這樣，由于T1、T2恒定，所以發(fā)熱體3的散熱量Ql僅依賴于λ。由于λ根據(jù)濕度發(fā)生變化，所以Ql成為不受周圍溫度 Τ3變化的影響而與濕度相應的信號。接著，注入發(fā)熱體3、4的電力Ρ1、Ρ2滿足下面的(3)、(4)式。Pl = Q1+QB1+QG1 (3)Ρ2 = Q2+QB1+QG2 (4)在上述(3)、(4)式中，Q1、Q2是依賴于濕度，通過熱傳導向周圍環(huán)境散熱的熱量， QBl是通過薄膜支撐體6進行熱傳導的熱量，QGU QG2是通過自然對流以及輻射傳播的熱量。此處，假設(shè)薄膜支撐體6的膜厚度較薄，足以理想地確保熱絕緣，自然對流以及輻射可以忽略，則注入發(fā)熱體3、4的電力P1、P2滿足下面的(5)、(6)式。Pl = Ql = V12/R1 (5)P2 = Q2 = V22/R2 (6)此處，VI、V2是施加到發(fā)熱體3、4上的電壓，Rl、R2是發(fā)熱體3、4的電阻值。進一步，根據(jù)⑴、⑵、(5)、(6)式，滿足下面的(7)、⑶式。Vl2 = λ (Τ1-Τ2) · Rl (7)V22 = λ (Τ2-Τ3) · R2 (8)在(7)式中，Tl、Τ2恒定，并且Rl也為恒定，因此施加到發(fā)熱體3上的電壓Vl是不受周圍溫度Τ3的影響，而依賴于根據(jù)濕度發(fā)生變化的λ的信號。圖5、圖6中表示本實施例的實驗結(jié)果。圖5是在空氣中設(shè)置本實施例的熱式氣體傳感器，將發(fā)熱體3加熱至Tl = 500°C，將發(fā)熱體4加熱至Τ2 = 250°C，使空氣的溫度與濕度發(fā)生變化時發(fā)熱體3的施加電壓Vl的測量結(jié)果。根據(jù)圖5可知，Vl得到不受作為周圍氣體溫度的周圍溫度T3變化的影響，僅依賴于濕度的信號。圖6是同時測量的發(fā)熱體4的施加電壓V2的測量結(jié)果。對于發(fā)熱體4而言，根據(jù)溫度T3的變化施加電壓發(fā)生變化，起到將發(fā)熱體4周邊的空氣溫度保持恒定的作用。作為比較，圖18中表示不驅(qū)動第二發(fā)熱體4，僅驅(qū)動第一發(fā)熱體3時Vl的測量結(jié)果。根據(jù)圖18的結(jié)果可知，周圍溫度T3發(fā)生變化后，Vl產(chǎn)生較大變動，無法得到僅依賴于濕度的特性。從而可知，通過設(shè)置加熱控制為指定溫度T2的發(fā)熱體4，能夠取得減少發(fā)熱體 3對空氣的溫度依賴性的效果。圖11是在空氣中設(shè)置本實施例的熱式氣體傳感器，將發(fā)熱體3加熱至Tl = 500°C，將發(fā)熱體4加熱至T2 = 200°C，使空氣的溫度與濕度發(fā)生變化時發(fā)熱體3的施加電壓Vl的測量結(jié)果。使發(fā)熱體T2的溫度為200°C后，產(chǎn)生對周圍溫度T3的依賴性，因此無法取得設(shè)置發(fā)熱體4的效果。該理由如下。圖12中表示僅加熱發(fā)熱體3時發(fā)熱體3周邊的溫度分布。此時，不加熱發(fā)熱體4。從空洞部5的端部到發(fā)熱體3的端部之間的任意位置X處的溫度T具有如下的分布。T = Tl · X/X3+T3 (9)此處，Tl為發(fā)熱體3的溫度，X3為從空洞部5的端部到發(fā)熱體3的端部的距離，T3為周圍溫度。假設(shè)從空洞部5的端部到發(fā)熱體4的中心的距離為X4，則發(fā)熱體4在位置 X4處的溫度T2滿足下式。T2 = Tl · X4/X3+T3 (10)如式(10)所示，即使不加熱發(fā)熱體4，來自發(fā)熱體3的熱傳導也會使發(fā)熱體4的溫度上升。因此，發(fā)熱體4的加熱溫度若設(shè)定得低于式(10)，則無法進行正常的加熱控制。 因此，較為理想的是，發(fā)熱體4的加熱溫度T2以滿足下式的方式設(shè)定。T2 > Tl · X4/X3+T3 (11)另外，Tl為發(fā)熱體3的平均溫度，T2為發(fā)熱體4的平均溫度。T3為周圍溫度，通過采用作為測量對象的氣體的溫度范圍的最大值，能夠較好地測量氣體的溫度范圍的整個區(qū)域。進一步，較為理想的是，發(fā)熱體4的溫度T2設(shè)定得低于發(fā)熱體3的溫度Tl。這是因為，發(fā)熱體4的溫度T2變高后，式(7)中的T1-T2變小，得到的電壓Vl也變小，靈敏度降低。根據(jù)上述理由，較為理想的是，發(fā)熱體4的溫度T2采用以下范圍。Tl · X4/X3+T3 < T2 < Tl (12)圖13是使發(fā)熱體3的溫度Tl恒定，改變發(fā)熱體4的溫度T2時濕度的檢測靈敏度的實驗結(jié)果。此處，靈敏度是使?jié)穸茸兓瘯r發(fā)熱體3的消耗電力的變化量ΔΡ。發(fā)熱體4的溫度T2變高后，靈敏度變小。這是因為如上所述式(1)中的T1-T2變小。據(jù)此，若T1-T2 =0，則幾乎無法得到靈敏度。因此，較為理想的是，發(fā)熱體4的溫度T2設(shè)定得低于發(fā)熱體 3的溫度Tl。另外，發(fā)熱體4的溫度T2在式(12)的范圍中采用較小的值時，能夠減少消耗電力，得到低耗電的熱式氣體傳感器。在上述結(jié)構(gòu)中，必須至少使敷設(shè)發(fā)熱體4的面積大于敷設(shè)發(fā)熱體3的面積。通過增大敷設(shè)發(fā)熱體4的面積，能夠進一步減少發(fā)熱體3的周圍溫度T3的變化造成的影響。另外，通過將發(fā)熱體4的溫度設(shè)定為作為水蒸發(fā)的溫度的100°C以上，還能緩和由水滴附著所產(chǎn)生的熱傳導率的劇烈變動。另外，發(fā)熱體4的溫度設(shè)定得高于由環(huán)境變化造成的氣體的溫度變化的范圍。這是因為在暴露在溫度高于發(fā)熱體4的設(shè)定溫度的氣體中時，為了使發(fā)熱體4恒定，反而必須冷卻發(fā)熱體4。利用上述結(jié)構(gòu)，可以不需要冷卻結(jié)構(gòu)。另外，較為理想的是，在檢測空氣中的濕度的情況下，發(fā)熱體3的溫度設(shè)定為 150°C以上。這是因為空氣的溫度在100°C 150°C的范圍中時，由濕度造成的空氣的熱傳導率的變化較小，靈敏度降低。另外，在本實施例中利用發(fā)熱體3的施加電壓得到與濕度相應的信號，但通過測量流至發(fā)熱體的電流或固定電阻9c的施加電壓，也能得到與濕度相應的信號。實施例2圖7是表示本發(fā)明的第二實施例的熱式氣體傳感器Ib的傳感器元件的平面圖。與圖1的第一實施例不同的地方是在發(fā)熱體3的附近配置溫度傳感器23，并且在發(fā)熱體4的附近配置溫度傳感器對。溫度傳感器23J4沿著發(fā)熱體3、4在空洞部5內(nèi)延伸，溫度傳感器23主要檢測發(fā)熱體3的溫度，溫度傳感器M主要檢測發(fā)熱體4的溫度。溫度傳感器23、 24與為了與外部電路連接而形成于基板2上的電極7e、7f、7g、7h電連接。
溫度傳感器23、24與發(fā)熱體3、4同樣形成，選擇作為在高溫下穩(wěn)定的材料(具有較高熔點的材料)的鉬(Pt)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、硅(Si)等。圖8是熱式氣體傳感器Ib的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖。以下，使用圖8說明第二實施例的熱式氣體傳感器Ib的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。熱式氣體傳感器Ib的驅(qū)動電路具有第一及第二橋電路14c、14d，差動放大器10a、 10b，和用于使加熱電流流至發(fā)熱體3、4的晶體管lla、llb。另外，圖8中符號12、15為電源。第一橋電路14c由溫度傳感器23和固定電阻9a、9b、9c構(gòu)成，對溫度傳感器23與固定電阻9c串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9a與9b串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。第二橋電路14d也是同樣，由溫度傳感器M和固定電阻9d、9e、9f構(gòu)成，對溫度傳感器M與固定電阻9f串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9d與9e串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。此時，第一橋電路14c中的溫度傳感器23與固定電阻9c的連接端電位和固定電阻9a與9b的連接端電位被輸入差動放大器10a。差動放大器IOa將與輸入電壓的差相應的電壓輸出到晶體管Ila的基極。利用晶體管11a，根據(jù)基極的電位控制從電源12流至集電極和發(fā)射極之間的電流。晶體管Ila的發(fā)射極連接到發(fā)熱體3，集電極和發(fā)射極之間的電流流至發(fā)熱體3。據(jù)此，利用從晶體管Ila流出的電流對發(fā)熱體3進行加熱，進行反饋控制，使得發(fā)熱體3的溫度變?yōu)樽鳛?00°C左右的恒定溫度的第一溫度Tl。發(fā)熱體3的溫度設(shè)定以根據(jù)已知的溫度傳感器23的電阻溫度系數(shù)在第一溫度Tl 時溫度傳感器23的電阻值與固定電阻9c的比和固定電阻9a與9b的比一致的方式設(shè)定， 若溫度傳感器23的溫度低于第一溫度Tl，則晶體管Ila打開，向發(fā)熱體3流入加熱電流。 此時發(fā)熱體3與溫度傳感器23的溫度為大致相等的溫度。第二橋電路14d中也是同樣，溫度傳感器M與固定電阻9f的連接端電位和固定電阻9d與9e的連接端電位被輸入差動放大器10b。差動放大器IOa將與輸入電壓的差相應的電壓輸出到晶體管lib的基極。利用晶體管11b，根據(jù)基極的電位控制從電源12流至集電極和發(fā)射極之間的電流。晶體管lib的發(fā)射極連接到發(fā)熱體4，集電極和發(fā)射極之間的電流流至發(fā)熱體4。據(jù)此，利用從晶體管lib流出的電流對發(fā)熱體4進行加熱，進行反饋控制，使得發(fā)熱體4的溫度變?yōu)樽鳛?00°C左右的恒定溫度的第二溫度T2。此時發(fā)熱體4與溫度傳感器M的溫度為大致相等的溫度。 在上述結(jié)構(gòu)中，通過測量發(fā)熱體3的施加電壓，也能得到與濕度相應的信號。本實施方式的優(yōu)點是發(fā)熱體3、4從橋電路14c、14d中電分離，因此用于加熱的大電流無須流至橋電路。這樣，能夠?qū)?gòu)成橋電路14c、14d的電阻的電阻值設(shè)定得較高，減小流至橋電路的電流。另外，能夠降低施加到橋電路14c、14d的電壓。據(jù)此，能夠降低構(gòu)成橋電路14c、14d的溫度傳感器和電阻的電力損失，實現(xiàn)省電化。另外，在本實施例中利用發(fā)熱體3的施加電壓得到與濕度相應的信號，但通過測量流至發(fā)熱體的電流，也能得到與濕度相應的信號。實施例3圖9是表示本發(fā)明的第三實施例的熱式氣體傳感器Ic的傳感器元件的平面圖。與圖6的第二實施例不同的地方是在發(fā)熱體4的附近除了溫度傳感器M以外還配置溫度傳感器34。溫度傳感器34沿著溫度傳感器M在空洞部5內(nèi)延伸，溫度傳感器34主要與溫度傳感器M同樣檢測發(fā)熱體4的溫度。溫度傳感器34與為了與外部電路連接而形成于基板 2上的電極7i、7j電連接。溫度傳感器34與發(fā)熱體3、4，溫度傳感器23J4同樣形成，選擇作為在高溫下穩(wěn)定的材料(具有較高熔點的材料)的鉬(Pt)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、硅(Si)等。圖10是熱式氣體傳感器Ic的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖。以下，使用圖10說明第三實施例的熱式氣體傳感器Ic的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。熱式氣體傳感器Ic的驅(qū)動電路具有第一及第二橋電路14e、14d，差動放大器10a、 10b，和用于使加熱電流流至發(fā)熱體3、4的晶體管lla、llb。另外，圖3中符號12、15為電源。第一橋電路14e由溫度傳感器23、溫度傳感器34和固定電阻9b、9c構(gòu)成，對溫度傳感器23與固定電阻9c串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和溫度傳感器34與固定電阻9b串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。第二橋電路14d由溫度傳感器M和固定電阻9d、9e、9f構(gòu)成，對溫度傳感器M與固定電阻9f串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9d與9e串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。此時，第一橋電路14e中的溫度傳感器23與固定電阻9c的連接端電位和溫度傳感器34與9b的連接端電位被輸入差動放大器10a，進行反饋控制，使得發(fā)熱體3的溫度變?yōu)榈谝粶囟萒l。此時發(fā)熱體3與溫度傳感器23的溫度為大致相等的溫度。發(fā)熱體3的溫度設(shè)定以根據(jù)已知的溫度傳感器23的電阻溫度系數(shù)在第一溫度Tl 時溫度傳感器23的電阻值與固定電阻9c的比和根據(jù)溫度傳感器34的電阻溫度系數(shù)在第二溫度T2時溫度傳感器34的電阻值與固定電阻9b的比一致的方式設(shè)定，若溫度傳感器23 的溫度低于第一溫度Tl，則晶體管Ila打開，向發(fā)熱體3流入加熱電流。第二橋電路14d中也是同樣，如實施例2中所記載的那樣。本實施例中，相對于發(fā)熱體4的溫度T2，發(fā)熱體3的溫度高出一定溫度，以此方式進行控制，從而將發(fā)熱體3控制為第一溫度Tl。在上述結(jié)構(gòu)中，通過測量發(fā)熱體3的施加電壓，也能得到與濕度相應的信號。在本實施例中，發(fā)熱體3、4從橋電路14e、14d中電分離，因此用于加熱的大電流無須流至橋電路。這樣，能夠?qū)?gòu)成橋電路14e、14d的溫度傳感器和電阻的電阻值設(shè)定得較高。另外，能夠降低施加到橋電路14e、14d的電壓。進而，利用流至構(gòu)成橋電路14e的溫度傳感器34的電流，即使產(chǎn)生電力消耗，也對發(fā)熱體4的溫度上升做出了貢獻，因此能夠有效地利用電力。據(jù)此，能夠降低構(gòu)成橋電路 14c、14d的電阻的電力損失，實現(xiàn)省電化。另外，通過使用相同的材料形成溫度傳感器23與溫度傳感器34，電阻的特性和加工條件相同，電阻平衡性提高，能夠降低由加工不均勻造成的電阻平衡性的惡化。實施例4圖14是表示本發(fā)明的第四實施例的熱式氣體傳感器1 d的傳感器元件的平面圖。 與圖9的第三實施例不同的地方是在熱式氣體傳感器1 d上配置溫度傳感器35、36。溫度傳感器35、36配置在空洞部5的外側(cè)，主要檢測周圍溫度。溫度傳感器35與為了與外部電路連接而形成于基板2上的電極作、71電連接。并且，溫度傳感器36與為了與外部電路連接而形成于基板2上的電極7m、7n電連接。溫度傳感器35、36與發(fā)熱體3、4，溫度傳感器23、24同樣形成，選擇作為在高溫下穩(wěn)定的材料(具有較高熔點的材料)的鉬(Pt)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、硅(Si)等。圖15是熱式氣體傳感器Id的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖。以下，使用圖15說明第四實施例的熱式氣體傳感器Id的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。熱式氣體傳感器Id的驅(qū)動電路具有第一及第二橋電路14f、14d，差動放大器10a、 10b，和用于使加熱電流流至發(fā)熱體3、4的晶體管lla、llb。另外，圖14中符號12、15為電源。第一橋電路14f由溫度傳感器23和溫度傳感器34、35、36構(gòu)成，對溫度傳感器23 與溫度傳感器35串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和溫度傳感器34與溫度傳感器36串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接。第二橋電路14d由溫度傳感器M和固定電阻9d、9e、9f構(gòu)成，對溫度傳感器M與固定電阻9f串聯(lián)連接的串聯(lián)電路和固定電阻9d與9e串聯(lián)連接的串聯(lián)電路進行并聯(lián)連接而構(gòu)成。此時，第一橋電路14f中的溫度傳感器23與溫度傳感器35的連接端電位和溫度傳感器34與溫度傳感器36的連接端電位被輸入差動放大器10a。差動放大器IOa將與輸入電壓的差相應的電壓輸出到晶體管Ila的基極。利用晶體管11a，根據(jù)基極的電位控制流至集電極和發(fā)射極之間的電流。晶體管Ila的發(fā)射極連接到發(fā)熱體3，集電極和發(fā)射極之間的電流流至發(fā)熱體3。據(jù)此，進行反饋控制，使得發(fā)熱體3被加熱，變?yōu)榈谝粶囟萒l。此時發(fā)熱體3與溫度傳感器23的溫度為大致相等的溫度。并且，溫度傳感器35與溫度傳感器 36的溫度為大致相等的溫度。發(fā)熱體3的溫度設(shè)定以根據(jù)已知的溫度傳感器23的電阻溫度系數(shù)在第一溫度Tl 時溫度傳感器23的電阻值與溫度傳感器35的比和根據(jù)溫度傳感器34的電阻溫度系數(shù)在第二溫度T2時溫度傳感器34的電阻值與溫度傳感器36的比一致的方式設(shè)定，若溫度傳感器23的溫度低于第一溫度Tl，則晶體管Ila打開，從電源12經(jīng)由晶體管Ila向發(fā)熱體3流入加熱電流。第二橋電路14d中也是同樣，如實施例2中所記載的那樣。本實施例中，相對于發(fā)熱體4的溫度T2，發(fā)熱體3的溫度高出一定溫度，以此方式進行控制，從而將發(fā)熱體3控制為第一溫度Tl。在上述結(jié)構(gòu)中，通過測量發(fā)熱體3的施加電壓，也能得到與濕度相應的信號。在本實施例中，使用相同的電阻材料形成構(gòu)成橋電路14f的溫度傳感器23、35、 34、36，因此電阻的特性和加工條件相同，電阻平衡性提高。另外，能夠降低由加工造成的電阻平衡性的惡化。另外，由流至溫度傳感器35、36的電流產(chǎn)生的發(fā)熱使熱式氣體傳感器Id的溫度上升，對發(fā)熱體3、4的溫度上升也做出貢獻。在使用固定電阻的情況下，在與熱式氣體傳感器 Id分離的位置處設(shè)置固定阻抗，因此由流至固定電阻的電流產(chǎn)生的發(fā)熱向周圍散熱，對發(fā)熱體3、4的溫度上升不做出貢獻。因此，本實施方式能夠有效地使用電力，能夠?qū)崿F(xiàn)低電力化。另外，構(gòu)成橋電路14f的電阻能夠全部在熱式氣體傳感器Id的元件內(nèi)部形成。據(jù)此， 能夠減少部件數(shù)目，實現(xiàn)小型化。進而，關(guān)于圖15中的固定電阻9f、固定電阻9e，通過在熱式氣體傳感器Id中與溫度傳感器35、36同樣形成，還能進一步實現(xiàn)小型化。實施例5圖16、圖17是表示使用實施例1所示的熱式氣體傳感器la，具有與熱式空氣流量傳感器37 —體設(shè)置的復合型傳感器49的熱式流量計46的平面圖。本實施方式的熱式流量計46例如安裝在引擎的內(nèi)燃機的進氣管51中，在基底(base)部件39上設(shè)置熱式氣體傳感器la、熱式空氣流量傳感器37和驅(qū)動LSI38。另外，利用以覆蓋基底部件39的方式設(shè)置的殼體(housing)部件40，形成取入空氣流43的副通路45和空洞部47、48，在副通路45 中設(shè)置熱式空氣流量傳感器37?？斩床?7與副通路45連接，設(shè)置熱式氣體傳感器la?？斩床?8中設(shè)置驅(qū)動LSI38。接著，使用圖17說明復合型傳感器49的電連接。熱式氣體傳感器Ia使用金線等接合線(bonding wire)經(jīng)由設(shè)置于基底部件39內(nèi)部的內(nèi)層導體44，與驅(qū)動LSI38連接。 圖中的虛線表示內(nèi)層導體44。另外，熱式空氣流量傳感器37也同樣地使用金線等接合線經(jīng)由設(shè)置于基底部件39內(nèi)部的內(nèi)層導體44，與驅(qū)動LSI38連接。驅(qū)動LSI38中設(shè)置用于驅(qū)動熱式氣體傳感器Ia的電路和用于驅(qū)動熱式空氣流量傳感器37的電路。驅(qū)動LSI38接收來自熱式氣體傳感器Ia的與濕度有關(guān)的電信號和熱式空氣流量傳感器37的與空氣的質(zhì)量流量有關(guān)的電信號。并且，從驅(qū)動LSI38經(jīng)由金線等接合線和內(nèi)層導體，利用鋁等接合線 41與端子部42連接。從端子部42向外部能夠得到與濕度和空氣流量有關(guān)的信號。驅(qū)動LSI38上搭載計算器，使用來自熱式空氣流量傳感器37的信號和來自熱式氣體傳感器的信號進行計算。據(jù)此，能夠校正熱式空氣流量傳感器37的濕度依賴性造成的誤差，能夠計算輸出高精度的空氣流量。
權(quán)利要求
1.一種熱式氣體傳感器，其特征在于，具有 基板，具有空洞部；薄膜支撐體，層疊于所述空洞部上，由多個絕緣層構(gòu)成；和第一發(fā)熱體以及第二發(fā)熱體，夾持于所述薄膜支撐體的絕緣層中；其中， 所述第二發(fā)熱體配置在所述第一發(fā)熱體的周邊， 所述第一發(fā)熱體被控制為高于所述第二發(fā)熱體的溫度， 基于對所述第一發(fā)熱體施加的電力測量周圍氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于所述第二發(fā)熱體以圍繞所述第一發(fā)熱體的四周的方式形成，敷設(shè)所述第二發(fā)熱體的面積形成得大于敷設(shè)所述第一發(fā)熱體的面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于進行加熱控制，使得所述第一發(fā)熱體的溫度與所述第二發(fā)熱體的溫度之差為恒定溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于 在所述第一發(fā)熱體的附近配置第一溫度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于 在所述第二發(fā)熱體的附近配置第二溫度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于 所述第二發(fā)熱體以100°c以上的溫度進行加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于利用具有由所述第一發(fā)熱體和多個固定電阻構(gòu)成的橋電路的加熱溫度控制單元，對所述第一發(fā)熱體的加熱溫度進行溫度控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱式氣體傳感器，其特征在于利用具有由所述第一溫度傳感器和多個固定電阻構(gòu)成的橋電路的加熱溫度控制單元， 對所述第一發(fā)熱體的加熱溫度進行溫度控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱式氣體傳感器，其特征在于 在所述第二發(fā)熱體的附近配置第二溫度傳感器；利用具有所述第一溫度傳感器和所述第二溫度傳感器的橋電路，和具有所述橋電路的加熱溫度控制單元，控制所述第一發(fā)熱體的加熱溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于利用具有由所述第二發(fā)熱體和多個固定電阻構(gòu)成的橋電路的加熱溫度控制單元，對所述第二發(fā)熱體的加熱溫度進行溫度控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱式氣體傳感器，其特征在于利用具有由所述第二溫度傳感器和多個固定電阻構(gòu)成的橋電路的加熱溫度控制單元， 對所述第二發(fā)熱體的加熱溫度進行溫度控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，其特征在于設(shè)所述第一發(fā)熱體的加熱溫度為Tl，所述第二發(fā)熱體的加熱溫度為T2，所述熱式氣體傳感器周邊的氣體溫度為T3，從所述空洞部的端部到所述第一發(fā)熱體的距離為X3，從所述空洞部的端部到所述第二發(fā)熱體的距離為X4，則所述第二發(fā)熱體的加熱溫度T2被設(shè)定在Tl · X4/X3+T3 < T2 < Tl的范圍內(nèi)。
13.一種濃度檢測裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求1所述的熱式氣體傳感器，基底部件，配置于所述基底部件上的熱式空氣流量傳感器，和與所述熱式空氣流量傳感器電連接的驅(qū)動集成電路；其中，所述熱式氣體傳感器配置于所述基底部件上，經(jīng)由設(shè)置在所述基底部件上的內(nèi)層導體與所述驅(qū)動集成電路電連接。
14.一種熱式流量計，其特征在于，具備殼體；設(shè)置于所述殼體上的取入空氣流的副通路；與所述副通路連通的第一空洞部； 配置在所述副通路內(nèi)的熱式空氣流量傳感器；和配置在所述第一空洞部中的熱式氣體傳感器；其中，所述熱式氣體傳感器具有基板，具有第二空洞部；薄膜支撐體，層疊于所述第二空洞部上，由多個絕緣層構(gòu)成；和第一發(fā)熱體以及第二發(fā)熱體，夾持于所述薄膜支撐體的絕緣層中；其中，所述第二發(fā)熱體配置在所述第一發(fā)熱體的周邊，所述第一發(fā)熱體被控制為高于所述第二發(fā)熱體的溫度，基于對所述第一發(fā)熱體施加的電力測量周圍氣體的濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱式氣體傳感器，能夠進行基于熱傳導率變化的氣體分析，具有高響應性和高精度。該熱式氣體傳感器具有基板(2)，具有空洞部(5)；薄膜支撐體(6)，層疊于空洞部上，由多個絕緣層(8a、8b)構(gòu)成；和第一發(fā)熱體(3)及第二發(fā)熱體(4)，夾持于薄膜支撐體的絕緣層中；其中，第二發(fā)熱體配置在第一發(fā)熱體的周邊，第一發(fā)熱體被控制為高于第二發(fā)熱體的溫度，基于對第一發(fā)熱體施加的電力測量周圍氣體的濃度。
文檔編號G01N25/18GK102169097SQ20101062310
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者中野洋, 半澤惠二, 山田雅通, 松本昌大 申請人:日立汽車系統(tǒng)株式會社