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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6222443
(24)【登録日】2017年10月13日
(45)【発行日】2017年11月1日
(54)【発明の名称】絶対湿度センサおよびこれに用いる絶対湿度センサチップ
(51)【国際特許分類】
G01N 25/62 20060101AFI20171023BHJP
G01N 25/64 20060101ALI20171023BHJP
G01N 25/66 20060101ALI20171023BHJP
【ＦＩ】
G01N25/62 Z
G01N25/64 Z
G01N25/66 G
【請求項の数】18
【全頁数】37
(21)【出願番号】特願2013-222864(P2013-222864)
(22)【出願日】2013年10月28日
(65)【公開番号】特開2014-209083(P2014-209083A)
(43)【公開日】2014年11月6日
【審査請求日】2016年10月26日
(31)【優先権主張番号】特願2013-61221(P2013-61221)
(32)【優先日】2013年3月25日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】391025741
【氏名又は名称】木村 光照
(72)【発明者】
【氏名】木村 光照
【審査官】
伊藤 幸仙
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−７９９６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２８６４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平８−１８４５７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１８５８５５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｎ ２５／００ − ２５／７２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板（１）から熱分離した薄膜（１０）に、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ（２５）の加熱による前記薄膜（１０）の温度変化を前記温度センサ（２０）で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ（２０）が温度差センサであること、前記ヒータ（２５）に電圧を印加し、第１のヒータ加熱をして前記薄膜（１０）が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第１のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ（２５）で第２のヒータ加熱をして、前記薄膜（１０）を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱し、それぞれのヒータ加熱に必要なヒータ（２５）での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板（１）に備えた絶対温度センサ（２１）の出力と温度センサ（２０）の出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜（１０）にも絶対温度センサ（２２）を備えた場合にはその出力から、薄膜（１０）の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜（１０）が絶対温度TlとThとに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項2】
基板（１）から熱分離した同等な形状の少なくとも２個の薄膜（１０a）と薄膜（１０ｂ）のうち、一方の薄膜（１０a）には、ヒータ（２５a）と温度センサ（２０a）とを有し、他方の薄膜（１０ｂ）にも、ヒータ（２５ｂ）と温度センサ（２０ｂ）とを有した絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ（２５a）、（２５ｂ）の加熱による前記薄膜（１０a）、（１０ｂ）の温度変化を前記温度センサ（２０a）、（２０ｂ）で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ（２０a）、（２０ｂ）が温度差センサであること、前記ヒータ（２５a）に電圧を印加し、ヒータ加熱をして前記薄膜（１０a）が室温から所定の絶対温度Tlになるようにすると共に、同時に前記ヒータ（２５ｂ）にも電圧印加してヒータ加熱をして、前記薄膜（１０ｂ）を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、これらの絶対温度Thと絶対温度Tlとに加熱するに必要なそれぞれのヒータ（２５a）、（２５ｂ）での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板（１）に備えた絶対温度センサ（２１）の出力と温度センサ（２０a）、（２０ｂ）のそれぞれの出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜（１０a）、（１０ｂ）にも絶対温度センサ（２２）を備えた場合にはその出力から、薄膜（１０a）、（１０ｂ）のそれぞれの絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜（１０a）と薄膜（１０ｂ）とがそれぞれ絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項3】
基板（１）から熱分離した薄膜（１０）に、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ（２５）の加熱による前記薄膜（１０）の温度変化を前記温度センサ（２０）で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ（２０）が温度差センサであること、前記ヒータ（２５）に電圧を印加し、ヒータ加熱をして、前記薄膜（１０）を室温から前記所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ（２０）の出力電圧を所定の期間、時間積分して、その時間積分値の出力の情報と、前記絶対温度Thとは異なる所定の絶対温度Tlにおける温度センサ（２０）の出力電圧とを利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板（１）に備えた絶対温度センサ（２１）の出力と温度センサ（２０）の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜（１０）にも絶対温度センサ（２２）を備えた場合にはその出力から、薄膜（１０）の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜（１０）が絶対温度Thに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項4】
基板（１）から熱分離した薄膜（１０）に、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ（２５）の加熱による前記薄膜（１０）の温度変化を前記温度センサ（２０）で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ（２０）が温度差センサであること、前記ヒータ（２５）に電圧を印加し、第１のヒータ加熱をして前記薄膜（１０）が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第１のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ（２５）で第２のヒータ加熱をして、前記薄膜（１０）を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ（２０）のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板（１）に備えた絶対温度センサ（２１）の出力と温度センサ（２０）の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜（１０）にも絶対温度センサ（２２）を備えた場合にはその出力から、薄膜（１０）の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜（１０）が絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項5】
前記温度センサ（２０）の出力の時間積分の所定の期間の始まりを、前記ヒータ（２５）の加熱停止の直後とした請求項３から４のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項6】
前記温度センサ（２０）の出力の時間積分の所定の期間の終わりを、ヒータ加熱停止後の冷却過程で、前記薄膜（１０）が所定の高い方の温度Thから冷却されて所定の低い方の温度Tlに等しくなる時とした請求項３から５のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項7】
薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）が、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目のうちの少なくとも1つの項目が判定できる程度の微小電力をヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）に供給して、これに基づく薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）の温度上昇の時間変化を前記温度センサ（２０）もしくは前記温度センサ（２０a）、（２０ｂ）で計測し、必要に応じて前記絶対温度センサ（２１）の出力も利用して、前記項目を判定するようにした請求項１から６のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項8】
異なる温度Thと温度Tlのうち、低い方の温度Tlを１００℃から２７０℃の範囲の温度にした請求項１から７のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項9】
前記温度差センサの少なくとも一方の熱電導体として半導体を用いた請求項１から８のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項10】
薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）をシリコン半導体とした請求項１から９のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項11】
絶対温度センサ（２１）および絶対温度センサ（２２）を半導体ダイオードとした請求項１から１０のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項12】
温度センサ（２０）をヒータ（２５）として兼用した請求項１から１１のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項13】
少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えた請求項１から１２のいずれかに記載の絶対湿度センサ。
【請求項14】
絶対温度センサ（２１）の出力と、請求項１から１２のいずれかに記載の絶対湿度センサからの絶対湿度の情報を基に、相対湿度を求めることができるようにした請求項１３記載の絶対湿度センサ。
【請求項15】
基板（１）から熱分離したカンチレバ状の薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）のそれぞれに対応して、ヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）と温度差センサである温度センサ（２０）もしくは温度センサ（２０a）、（２０ｂ）とを備え、該温度差センサの温接点を、カンチレバ状の薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）の先端部付近に設けたこと、ヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）は、前記温度差センサの温接点を取り囲むように配置し、カンチレバ状の薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）の先端部付近が一様に発熱するようにしたことを特徴とする絶対湿度センサチップ。
【請求項16】
基板（１）から熱分離した薄膜（１０）もしくは薄膜（１０a）、（１０ｂ）のそれぞれに対応して、ヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）と温度差センサである温度センサ（２０）もしくは温度センサ（２０a）、（２０ｂ）を備えると共に、更に、それぞれに対応して、絶対温度センサ（２２）もしくは絶対温度センサ（２２a）、（２２ｂ）をも備えたことを特徴とする絶対湿度センサチップ。
【請求項17】
ヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）を温度差センサである温度センサ（２０）もしくは温度センサ（２０a）、（２０ｂ）と兼用にした請求項１６記載の絶対湿度センサチップ。
【請求項18】
絶対温度センサ（２２）もしくは絶対温度センサ（２２a）、（２２ｂ）を半導体ダイオードとし、ヒータ（２５）もしくはヒータ（２５a）、（２５ｂ）への供給電圧の少なくともその一部を前記半導体ダイオードの駆動電源として利用できるように配線した請求項１６もしくは１７のいずれかに記載の絶対湿度センサチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気体中の水蒸気量を計測するための熱伝導型センサとしての絶対湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
本出願人は、先に、白金（Pt）薄膜の感温抵抗体を基板から熱分離した薄膜に形成し、これをヒータ兼温度センサとして用い、熱伝導型センサとして動作させて、ホイートストンブリッジを用いて、周囲温度が変化しないうちの短時間に所定の２つの異なる温度Thと温度Tlとに室温から昇温させて、それらの温度にさせるために必要なそれぞれの消費電力（ヒータへの印加電圧VhとVlのそれぞれの２乗）の引き算をして、室温の効果を打ち消すようにさせた湿潤空気の絶対湿度の計測法を提案した（特許文献１参照）。
【0003】
そこでは、湿度となる水蒸気の熱伝導率は、１２０−１５０℃付近より低温では、空気の熱伝導率より小さく、１２０-１５０℃付近より高い温度では、急速に増大する。すなわち、１２０−１５０℃付近では、水蒸気の熱伝導率と空気の熱伝導率が等しくなり、水蒸気量に関係なくなるので、この１２０−１５０℃付近の温度を一方の所定の低い方の温度として設定すると、絶対湿度の校正が楽になること、そして、他方の所定の温度を４００℃程度の高温にして、それぞれに供給している電力を同時に計測して、それらの差を求めるようにすると室温の影響を除いた絶対湿度が求められることを示した。
【0004】
しかしながら、水蒸気の熱伝導率は高温になる程増大するので、４００℃以上の高温にヒータ加熱させた方が望ましいが、４００℃以上の高温にさせると高感度になることが分かっていても、抵抗温度係数の大きいPt薄膜等の測温抵抗体をヒータ兼絶対温度センサとして用いているために、高温での動作が困難であることが問題になっている。これは、測温抵抗体としての機能では、センシング部の抵抗値が配線抵抗値よりも充分大きいことが求められ、細く長いPt薄膜パターンが必要になる。しかし、一方では、ヒータとしてこれを機能させると、細く長いPt薄膜パターンのうち、狭くなっているパターンの個所の抵抗が特に部分的に大きくなっているために、この個所での発熱が大きくなり、パターンの断線に繋がるという問題が発生し、これの解決策が必要になっていた。
【0005】
また、薄膜を室温から温度Thと温度Tlとに上昇させるに必要な電力は、ヒータの内部抵抗をRとして、それぞれVh2/RとVl2/Rとなる。室温の効果を打ち消すようにするためには、電力の差引としなければならなから、電力から見るとヒータへの印加電圧であるVhとVlとは、それぞれの電力の1/2乗となるので、VhとVlとの差が余り大きくならない、すなわち、絶対湿度計測のためには、感度が小さいという問題があった。
【0006】
本出願人は、宙に浮いた薄膜を二分割し、更に互いに熱抵抗を持つように構成してあり、一方の薄膜１０Ａにヒータと絶対温度センサである温度センサ２０Ａとを形成し、他方の薄膜１０Ｂに絶対温度センサである温度センサ２０Ｂを形成して、絶対湿度センサとして、2個の加熱パルスヒータ電圧印加による所定の2つの異なる温度ThとTlのうちの低い温度Tlを、１５０℃から２７０℃まで引き上げても、それほど大きな誤差にならないことを示し、温度にヒータによる周囲媒体である気体への熱伝導による温度変化を利用して気体の絶対湿度、気流や真空度などを計測する気体センシングシステムを提案した（特許文献２参照）。そして、そこでは、ヒータと温度を計測する温度センサとは、独立にすると共に、温度センサには、絶対温度が直接計測できる絶対温度センサを用いることで、上述のヒータ兼絶対温度センサの問題を解決した。ただ、ここで絶対温度センサを使用しているために、ヒータ加熱による宙に浮いた薄膜の温度上昇分の計測には、必ず２個の絶対温度センサを必要とし、これらの温度係数の違いからくる誤差が常に存在するために高精度温度上昇分の計測には不向きであった。
【0007】
本出願人は、更に、熱電対の熱起電力に基づくゼーベック電流は微小電流であることが多く、これを高いＳ／Ｎで増幅して出力とするのに、このゼーベック電流を時間積分すると良いことを提案した（特許文献３参照）。ゼーベック電流を時間積分することにより、瞬時のゼーベック電流の計測では、ノイズを含み再現性に乏しいが、ノイズとは、長時間時間積分するとその積分値はゼロになるという性質があり、これが使用できるので、高いＳ／Ｎが得られること、更に、時間積分することで、ゼーベック電流の小さな変化を積分により大きな値にすることができるので、ゼーベック電流の変化を拡大できる（増幅できる）と考えている。
【0008】
本出願人は、温度計測に温度差センサである薄膜熱電対を用いると、基板の温度（室温）を基準とした温度変化分、すなわち、温度差のみしか出力しないこと、所定電力で加熱すると、周囲温度（室温）に依らず室温を基準にして温度上昇し、加熱を止めるとやがて温度上昇分はゼロ、すなわち室温に戻り、出力がゼロになるという性質があり、ゼロ位法が適用しやすいことなどに気づいた。また、ヒータ加熱した薄膜が周囲気体の気圧、流れ、ガス濃度などの物理用により等価的にその気体の熱伝導率が変化することにより、ヒータ加熱中や冷却過程で、薄膜からの熱の奪われ方が変化することで、薄膜に形成している温度センサの出力変化を計測して周囲媒気体の物理量を計測するという原理の熱伝導型センサには、ゼロ位法が適用できる温度差センサである薄膜熱電対が最も好都合であることに気づいた。更に、この薄膜熱電対をヒータとしても使用できないか検討した。
【0009】
本出願人は、上述のことから、薄膜熱電対を温度差センサとして使用するばかりでなく、内部抵抗があり、オーム性が良いことから、加熱用ヒータとして利用できること、そして、１個の薄膜熱電対を時分割により、ヒータとしての動作と温度差センサとしての動作を行わせることができることを提案した（特許文献４参照）。
【0010】
そして、そこでは、１個の温度差センサである薄膜熱電対をヒータとの兼用として用いると、極めて構造が簡単になり、製造工程も簡略化でき、歩留まりの良いセンサチップを形成しやすいという利点と、小型化しやすいので、大量生産化できるので安価なセンサチップができるという利点の他に、薄膜熱電対は、温度差センサであるから、上述のように、室温からヒータ加熱した薄膜は、ヒータ停止後、必ず室温に戻るということで、室温との温度差を計測すると高精度な計測技術であるゼロ位法が適用できるという大きな利点がある。しかし、上述のように、熱伝導センサとして、薄膜をヒータ加熱している時の温度を本来計測したいのであるが、そのヒータ加熱中は、温度計測ができないという問題のため、加熱停止直後の温度や加熱停止後の所定の時間後の温度を計測して、これをヒータ加熱中の温度に代替にすることができることも提案した。
【0011】
絶対湿度センサは、被計測気体中に含まれる、言わば、不純物ガスとしての水蒸気量の計測であり、不純物ガスが導入された気体中の熱伝導率の変化を計測する熱伝導型センサの原理を用いたものである。一般に熱伝導型センサは、周囲媒体中の不純物ガスや周囲媒体の流れなどの被測定物理量の変化に基づく周囲媒体の熱伝導率の変化（または、等価的な熱伝導率の変化）による加熱された薄膜の温度変化を計測することを、その基本原理にしている。しかし、その周囲媒体の熱伝導率自体、その周囲媒体の絶対温度に依存するものであり、一般には、周囲媒体が気体の場合、絶対温度が大きいほどその熱伝導率も大きくなる。室温で、同一の薄膜を一定の電力で加熱すると、室温からほぼ一定の温度上昇ΔＴが達成される。例えば、温度上昇ΔＴがほぼ１００℃であったとすると、そのときの室温が、例えば、０℃であるか５０℃であるかにより、薄膜の温度が、１００℃になるか、１５０℃になるかということになる。熱伝導率の温度依存性のために、薄膜１０の最高温度が１００℃になったときの冷却のされ方と、１５０℃になったときの冷却のされ方とが異なり、周囲媒体の室温が何℃になっているかが絶対湿度などの物理量の計測に大きくかかわってくることになる。このように、周囲温度（室温）の効果を打ち消すようにすることが高精度の物理量である絶対湿度の計測には重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】特開平８−１８４５７６号公報
【特許文献2】特開２００４−２８６４９２号公報
【特許文献3】特開２０１１−３８９５１号公報
【特許文献4】特開２００９−７９９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、従来の本願発明者の絶対湿度センサの持つ上述の問題点を解消するために改良したもので、被計測気体である空気などの気体中の水蒸気量、すなわち、絶対湿度を計測するために、基板から熱分離した薄膜に形成したヒータと薄膜熱電対と、基板に形成した絶対温度センサとを用い、加熱中もしくは、ヒータ加熱停止後に、薄膜の絶対温度を知るような温度計測を行い、周囲温度の影響を補正するようにし、露点情報等も得られるようにした高感度、高精度、高速応答で、小型化した熱伝導型センサとしての絶対湿度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる絶対湿度センサは、基板１から熱分離した薄膜１０に、ヒータ２５と温度センサ２０とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ２５の加熱による前記薄膜１０の温度変化を前記温度センサ２０で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ２０が温度差センサであること、前記ヒータ２５に電圧を印加し、第１のヒータ加熱をして前記薄膜１０が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第１のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ２５で第２のヒータ加熱をして、前記薄膜１０を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱し、それぞれのヒータ加熱に必要なヒータ２５での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板１に備えた絶対温度センサ２１の出力と温度センサ２０の出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜１０にも絶対温度センサ２２を備えた場合には、その出力から薄膜１０の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜１０が絶対温度TlとThとに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【0015】
温度センサ２０としての温度差センサには、熱電対やサーモパイルがある。温度センサ２０は、薄膜１０に形成するものであるから、やはり薄膜であった方が、熱容量も小さく応答も速くMEMS技術などで形成しやすい。基板１の温度を基準点（例えば、冷接点）として、薄膜１０に薄膜のヒータ２５と共に、温度差センサの測定点（温接点）を形成すると、ヒータ加熱による温度上昇分は、室温が変化しても他の条件が等しいならば、ほぼ供給電力に比例し上昇し、ヒータ加熱を止め、冷却させると、再び室温に戻る。このように、一般に、本願出願の絶対湿度センサの基本原理である熱伝導型センサでは、このように周囲気体（被測定気体）の温度である室温への加熱部からの放熱を利用するので、表面積が大きく、熱容量が小さい温度センサ２０として、薄膜状の温度差センサが好適である。
【0016】
一般に、水蒸気も含む気体の熱伝導率は温度上昇と共に、ほぼ直線的に増大し、水蒸気の熱伝導率の温度に対するその直線の勾配は、空気の熱伝導率の温度に対する勾配よりも大きく、温度１２０℃から１５０℃付近で交差する。すなわち、この温度域で同一の熱伝導率になる。室温は、一般に、１２０℃から１５０℃よりも低い温度なので、所定の低い設定温度であるTlの一定温度に室温から加熱する場合、この温度Tlを、この１２０℃から１５０℃の範囲の温度になるように設定しておいた方が、多少の温度上昇のずれがあっても問題がなく、絶対湿度の計測誤差が小さくできるので、好適である。この温度域は、熱伝導率の湿度依存性（水蒸気濃度依存性）が無い温度領域なので、被測定気体の周囲温度である室温から所定のこの低い設定温度であるTlまで薄膜１０をヒータ２５で昇温させて、その時の温度センサ２０の出力と、引き続く室温から所定の高い設定温度であるTh、例えば、５００℃、まで薄膜１０をヒータ２５で昇温させた時の温度センサ２０の出力との差の出力は、室温の効果を差し引くことになる。これは低い設定温度であるTlから高い温度であるThまでの差に基づく出力情報であり、低い設定温度であるTlでは、水蒸気の量にほぼ無関係な出力であるから、この差に基づく出力情報には、水蒸気の量に強く関係する量であることが分かっているので、予め用意して有る校正用データを利用して被測定気体中の水蒸気の量である絶対湿度を高精度に求めることができることが分かっている（特許文献１参照）。
【0017】
本願発明では、温度センサ２０として、温度差センサである、例えば、薄膜熱電対を使用すると、その出力は薄膜１０の基板温度からの温度上昇分のみの関数となる。従って、例えば、基板温度を絶対温度センサ２１で計測し、更に、薄膜１０の基板１からの温度差を温度差センサである温度センサ２０で計測して、これらの和を求めるようにした絶対温度計測手段により薄膜１０のヒータ２５による加熱をした時の温度をヒータ加熱しながら計測することができる。このようにして、所定の設定温度である高い温度Thや低い温度Tlを加熱しながら計測して、所定のこれらの温度に達した時、ヒータ加熱を止めるような制御回路を設けることができる。もちろん、ヒータ加熱を止めると、元の室温に向かって薄膜１０は、ニュートンの冷却の法則で冷えて行くことになる。湿潤気体中の絶対湿度である水蒸気量が多いと、所定の高い温度Thが、１５０℃を越えると湿潤気体の熱伝導率が大きくなるために、同一のヒータ２５の加熱電力では、温度上昇が小さくなるので、小さな電力では、所定の高い温度Th、例えば５００℃、まで到達しないことも予想される。これを所定の高い温度Thまで引き上げるには、高い温度Thまで引き上げられることができる大きなヒータ電力で駆動し、その時の高い温度Thまで到達するに必要な時間と消費電力との積である電力量を大きくしなければならない。このように、所定の低い温度Tlから所定の高い温度Thまで引き上げるに必要な消費電力量を比較することにより絶対湿度を計測することができる。設定温度ThとTlとに薄膜１０を昇温させる時のそれぞれの消費電力PhとPlは、ヒータ２５を抵抗温度係数が極めて小さいニクロム薄膜で形成すると、抵抗値がほぼ変化しないと見做すことができるので、それぞれのヒータ電圧VhとVlの２乗に比例すると近似することができる。従って、ヒータ電圧Vh、Vlを計測することにより、それぞれの消費電力が求まる。消費電力は、ヒータへの印加電圧の２乗をヒータ抵抗で除した値であるから、室温から所定の低い温度Tl（例えば、１５０℃）と所定の高い温度Th（例えば、５００℃）まで引き上げるに必要なそれぞれのヒータ電圧、VhとVl、とを等しくしてある場合（Va=Vh＝Vl）は、消費電力は等しくなるので、消費電力量の比較は、結局、TlとThとに到達するに要するそれぞれの時間、ｔｌとｔｈとの比較と考えて良い。従って、Δｔ＝ｔｈ―ｔｌの値を求めることにより、周囲温度（室温）の影響を除くように補正することができる。
【0018】
ここに、上述のように、Δｔ＝ｔｈ―ｔｌの値を求めることにより、周囲温度（室温）の影響を除くように補正することができることの理論的根拠を説明する。また、本願発明では、電力量の比較により、測定量である到達時間ｔｈとｔｌとの差を求めることになるので、上述した従来の測定原理で、測定量であるヒータ電圧VhとVlを用いて、電力の比較であるVh2/RとVl2/Rとの差を求めた場合に比較して、高感度計測になることも分かる。ここでは、下記の実施例１での図１に示すような基板１から熱分離した単純構成の単一の薄膜１０を備えた熱伝導型センサチップを使用し、図３に示した本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートを用いて説明する。図３は、薄膜１０に形成したヒータ２５を印加電圧Vaで加熱し、被測定気体である湿潤空気中で薄膜１０が室温Tr、例えば、２０℃から所定の低い絶対温度Tl、例えば、１５０℃になる時点まで第１のヒータ加熱をして、絶対温度Tlに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温Trに戻るような加熱・冷却した場合と、次に、引き続き室温が変化しない間でヒータ２５を同一の印加電圧Vaで加熱し、同一の湿潤空気中で薄膜１０が同一の室温Trから所定の高い絶対温度Th、例えば、５００℃になる時点まで第２のヒータ加熱をして、絶対温度Thに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却を繰り返した場合の薄膜１０の温度上昇および温度降下の様子を示したものである。図３に示された破線は、ヒータ２５の加熱を長い時間続けた場合の予想される薄膜１０の温度上昇カーブである。ヒータ２５を同一の印加電圧Vaで加熱した時、絶対温度Tlに到達するまでの時間をｔｌとし、絶対温度Thに到達するまでの時間をｔｈとすると、ヒータ２５でのそれぞれの消費電力量Jは、ヒータ２５の抵抗をRとして、Jl=Va2・ｔｌ/R＝P・ｔｌとJh=Va2・ｔｈ/R ＝P・ｔｈとなる。なお、ここで、ヒータ２５は、ニクロム薄膜で作成すると、極めてその抵抗温度係数が小さいので、ヒータ２５の抵抗Rの値は、温度依存性を持たないとしている。ここで、Pは、Va2 /Rなる共通の電力である。
【0019】
薄膜１０が湿潤空気中にあり、これが電力Pで加熱された時の熱の方程式は、Cを薄膜の熱容量、Gを熱コンダクタンスとして考えると、Cは、一定値と考えることができるが、Gは、絶対湿度（水蒸気量）Hの関数であり、しかも同一の絶対湿度Hであっても、温度上昇と共に湿潤空気の熱伝導率が変わるので、時間や温度の関数と見なければならない。熱の方程式は、次のように表現される。
【0020】
【数1】
【0021】
これを、薄膜１０が所定の温度Thに到達するまでの所要時間ｔｈで時間積分した電力量Jhと所定の温度Tlに到達するまでの所要時間ｔｌで時間積分した電力量Jlとの差である差引電力量ΔJは、次のように表わされる。なお、図３に示すように、同一の電力Pでヒータ加熱をして、湿潤空気の絶対湿度Hが時間的に変動していない短時間では、薄膜１０が所定の温度Thに到達する途中で、所定の温度Tlに至る同一の温度上昇カーブ上に重なるので、次式の単純な式で表現される差引電力量ΔJとなる。
【0022】
【数2】
【0023】
式数２で、G（ｔ）ΔT（ｔ）を時間ｔｌからｔｈに至る平均値で表現し、更に、G（ｔ）は、絶対湿度Hの関数であるからGav(H)と表現し、ΔT（ｔ）は、ΔTavと表現する。ΔTavは、TlからThに至る間の平均値の定数とし、更に、Gav(H)は、絶対湿度Hの関数であり、一定の絶対湿度Hの下での温度TlからThに至る間の平均値である。このGav(H)を取り出し、1/ΔTav をαとして表現するとつぎのようになる。
【0024】
【数3】
【0025】
式数３において、ヒータ２５での消費電力P、設定温度Th、Tlは、こちらから設定するものであり、既知量である。時間ｔｈ、ｔｌは観測できる量であり、薄膜１０の熱容量Cや定数αも、本来、定数であり、予めこれらの条件下で用意した校正用データを基に判明するものであるから、熱方程式の中での絶対湿度Hの関数であるGav(H)は、測定可能な所定の（設定）温度ThとTlとに到達するまでのそれぞれの時間ｔｈとｔｌとの差（Th-Tl）だけの単調な関数となることが分かる。このことから、Gav(H)は、所定のヒータ加熱設定電力P の下で、絶対湿度Hに対して、（ｔｈ―ｔｌ）の計測により、一義的に決定されることが判明した。
【0026】
この場合、図３に示すように、消費電力量の比較のために、結局、異なる時間帯に出現するｔｌとｔｈとの比較である（ｔｈ―ｔｌ）の計測が必要であり、このためには、例えば、ｔｌとｔｈのそれぞれの時間を計測するのに、これらの時間だけコンデンサCに一定電流を流し続けると、コンデンサCの両端の電圧は、時間と共に直線的に増加することを利用し、このコンデンサの両端の電圧で、ｔｌに対応する電圧Vlpとｔｈに対応する電圧Vｈpの少なくとも一方を、ピークホールド回路などで保持しておき、これらを直接差引演算もすることができる。もちろん、ｔｌとｔｈとを計測して、メモリに蓄え、ソフト的に差引演算をすることもできる。また、高速のクロックパルス数のカウントから時間を計測することもできる。
【0027】
本請求項１では、カンチレバ状や架橋構造状の単一の薄膜１０に、ヒータ２５と温度センサ２０とを備えた場合であるから、室温（例えば、２０℃）より高い温度である所定の絶対温度（設定温度）Thと所定の絶対温度（設定温度）Tlまで、薄膜１０を昇温させるとき、ヒータ加熱は時間的ずらす必要があり、２つのヒータ加熱用の印加電圧で引き続きヒータ加熱する必要がある。しかも、被測定湿潤気体の温度である室温が、緩慢に、例えば、２０℃から２５℃に変動する場合でも、室温の効果を打ち消すように補正するためには、これらの室温の温度変動が無視できるような高速で、２つのヒータ加熱を行わなければならない。そのためには、先ず、薄膜１０の熱容量が極めて小さく、高速応答性がある薄膜である必要がある。このためにも、薄膜１０は基板１から熱分離した小型の薄膜である必要がある。なお、式数３から分かるように、所定の低い方の温度（設定温度）Tlを、必ずしも、気体の熱伝導率と水蒸気の熱伝導率とが等しくなる温度領域（気体が空気の場合は、この温度領域は、上述のように、１２０℃から１５０℃程度である）に設定する必要がないことが分かる。ただ、この温度領域にTlを設定すると、この温度域は絶対湿度に対して不感な温度領域であるので、設定温度が多少ずれても絶対湿度の計測誤差が少なくなるという利点がある。
【0028】
薄膜１０の絶対温度を計測するには、基板１に形成してある絶対温度センサ２１と温度センサ２０としての温度差センサである薄膜熱電対を用いた場合は、１．絶対温度センサ２１の出力から基板１の温度を計測して、更に、薄膜１０に測定点（温接点）を有する薄膜熱電対を用いて、基板１の基準点からの温度上昇分（温度差）を計測して、これらの和を求めて薄膜１０の絶対温度を求める方法、２．絶対温度センサ２１として、温度に対して直線性の良い温度センサを用意し、その出力と、薄膜１０に測定点（温接点）を有し、基板１を基準点にした温度上昇分に対応する（温度センサ２０としての）薄膜熱電対の出力とを、例えば、同一の温度係数を持つように増幅回路などで調整して、これらの出力を回路上で合算させたり、または、ソフト上で合算させるなどして薄膜１０の絶対温度を求める方法、３．絶対温度センサ２１の出力から基板１の絶対温度を知り、この基板１の絶対温度を利用して、その温度から所定の設定温度ThとTlとに昇温させるために必要な温度差センサである薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を求めておき、これらの出力が得られた時に所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させるようにする方法、などがある。薄膜１０を所定の絶対温度である設定温度ThとTlとに昇温させるための絶対温度計測手段は、これらの方法を用いるか、または、薄膜１０に絶対温度センサ２２を形成してある場合は、これを用いて、所定の設定温度ThとTlに到達したと判断した時に、その時の信号を外部に取り出せるようにするものである。基板１の絶対温度センサ２１には、温度に対して直線性の良い絶対温度センサとして、ｐｎ接合ダイオードやトランジスタのエミッターベース間のｐｎ接合を利用して、順電流一定の下での順電圧の温度による変化を計測するようなサーモダイオードとして用いることもできるし、白金抵抗体などを利用する測温抵抗体を用いることもできる。また、薄膜１０に絶対温度センサ２２を備えた場合には、基板１の絶対温度センサ２１の信号は不要で、単に、絶対温度センサ２２の出力信号から所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させればよい。そして、コンパレータなども搭載した絶対温度計測手段からの信号で、設定温度ThとTlに薄膜１０が到達したと判断された時に、例えば、ヒータ加熱を止めるようにした制御回路を組むと良い。そして、ヒータ加熱を開始した時から、設定温度ThとTlに薄膜１０が到達したと判断された時までのそれぞれの時間、ｔｈとｔｌとを上記した方法で計測すると良い。
【0029】
本発明の請求項２に係わる絶対湿度センサは、基板１から熱分離した同等な形状の少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂのうち、一方の薄膜１０aには、ヒータ２５aと温度センサ２０aとを有し、他方の薄膜１０ｂにも、ヒータ２５ｂと温度センサ２０ｂとを有した絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ２５a、２５ｂの加熱による前記薄膜１０a、１０ｂの温度変化を前記温度センサ２０a、２０ｂで計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ２０a、２０ｂが温度差センサであること、前記ヒータ２５aに電圧を印加し、ヒータ加熱をして前記薄膜１０aが室温から所定の温度Tlになるようにすると共に、同時に前記ヒータ２５ｂにも電圧印加してヒータ加熱をして、前記薄膜１０ｂを室温から前記所定の温度Tlとは異なる所定の温度Thになるまで加熱したこと、これらの温度Thと温度Tlとに加熱するに必要なそれぞれのヒータ２５a、２５ｂでの消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板１に備えた絶対温度センサ２１の出力と温度センサ２０a、２０ｂのそれぞれの出力とを組み合わせた出力から、もしくは、薄膜１０a、１０ｂにも絶対温度センサ２２を備えた場合には、その出力から薄膜１０a、１０ｂのそれぞれの絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜１０aと薄膜１０ｂとがそれぞれ絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【0030】
ここでは、基板１から熱分離した同等な形状の少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂを備えたセンサチップを用いた場合である。請求項１では、単一の薄膜１０であったので、所定の温度Tlと、それとは異なる所定の温度Thに加熱し、それらのヒータ加熱電力量に関する出力の差（差引電力量）を求めるためには、ヒータ加熱を時間的にずらす必要があり、ピークホールド回路やメモリを用いるなどして、差引演算をする必要があった。ここでは、２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂを備えているので、これらを同時に同一のヒータ電力で加熱し、薄膜１０aが所定の温度Tlに到達する時間ｔｌと、薄膜１０ｂが所定の温度Thに到達する時間ｔｈとを同時に計測することができる。その分、高速に絶対湿度を計測できるが、２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂによる相互加熱による対流効果などの影響を考慮して、配置を検討する必要がある。時間ｔｈの方が、時間ｔｌよりも長いので、薄膜１０aが時間ｔｌに到達した時刻から薄膜１０ｂが時間ｔｈに到達する時刻の差を求めるのに、例えば、上記したように、時間ｔｌに到達した時刻からスタートさせる上述の一定電流を流すコンデンサCの両端の電圧の大きさやクロックパルス数のカウントから時間差を計測することもできる。
【0031】
絶対湿度の計測方法に関しては、請求項１での上記した計測方法と同様なので、ここでは説明を省略する。
【0032】
本発明の請求項３に係わる絶対湿度センサは、基板１から熱分離した薄膜１０に、ヒータ２５と温度センサ２０とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ２５の加熱による前記薄膜１０の温度変化を前記温度センサ２０で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ２０が温度差センサであること、前記ヒータ２５に電圧を印加し、ヒータ加熱をして、前記薄膜１０を室温から前記所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０の出力電圧を所定の期間、時間積分して、その時間積分値の出力の情報と、前記絶対温度Thとは異なる所定の絶対温度Tlにおける温度センサ２０の出力電圧とを利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板１に備えた絶対温度センサ２１の出力と温度センサ２０の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜１０にも絶対温度センサ２２を備えた場合にはその出力から、薄膜１０の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜１０が絶対温度Thに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【0033】
ここでの発明の上述の請求項１の発明との大きな違いは、請求項１では、温度Thと温度Tlとに加熱するに必要なそれぞれのヒータ２５での消費電力量に関する情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたものであったのに対して、ここでは、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたことである。なお、出力電圧を所定の期間だけ時間積分する方法には、コンデンサに出力電圧により作られた信号電流をOPアンプと組み合わせて流して電荷を貯め、その両端の電圧を時間積分値として用いることもできるし、メモリを利用して、ソフト上で加算して行くようにしても良い。もちろん、時間積分終了時には、その出力がゼロになるように、リセットすることも公知の技術で達成できる。
【0034】
すなわち、請求項１では、絶対湿度を求めるのに、ヒータ２５での消費電力量に関する情報を利用するのに対して、ここでは、温度センサ２０としての温度差センサ（熱電対）の出力電圧の時間積分値を利用するものであり、それぞれ消費電力や熱電対出力の時間積分している点が共通でもある。ここでの加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用するので、ヒータ加熱時のノイズが無く、信号対ノイズ、S/N、の増大が見込める。従って、高精度の絶対湿度センサが提供できる。また、薄膜１０の絶対温度を計測する絶対温度計測手段を用いて、薄膜１０が所定の温度Tlや所定の温度Thに到達した時に、ヒータ２５の加熱を止めて、それらの直後からの冷却過程での所定の時間だけ熱電対出力の時間積分を行い、それらの出力の差し引きにより、室温の効果を打ち消すように補正して、予め用意した校正用データを基に絶対湿度との対応をさせるものである。
【0035】
請求項１での発明では、ヒータ２５への印加電圧、VlとVhは、等しくした方が、薄膜１０が絶対温度TlとThとに到達するまでの時間、ｔｌとｔｈだけで比較できるので、単純になるという制約があったが、本請求項３での発明では、薄膜１０のヒータ加熱は１回で済み、薄膜１０がヒータ加熱により高い方の（設定）温度Thに到達すれば良いことになるという違いもある。ただし、第２回目のヒータ加熱をしても良いが、ここでは、薄膜１０のヒータ加熱を１回だけにした場合を説明する。薄膜１０の低い方の設定温度Tlにおける温度センサ２０である薄膜熱電対の出力電圧は、基板１に絶対温度センサ２１を有しているので、そこからの情報を基に、絶対温度計測手段を用いて知り得る。従って、ヒータ加熱停止後の冷却過程で、薄膜１０の温度が、当初の高い方の（設定）絶対温度Thから冷却されて、設定温度Tlになった時に積分動作を停止せることができる。すなわち、所定の時間積分の時間（積分時間）は、例えば、薄膜１０のヒータ加熱停止後、薄膜１０の温度が当初の高い方の（設定）絶対温度Thから冷却されて、所定の温度Tlに到達した時までの時間である。薄膜１０の所定の絶対温度Tlに対応する温度センサ２０の出力電圧Vslに到達して時点で、熱電対出力の時間積分動作を停止させるものである。そして、この熱電対出力の時間積分動作は、薄膜１０の温度が、当初の高い方の（設定）絶対温度Thから冷却される過程で、常に温度センサ２０の出力電圧から出力電圧Vslの値を差し引いた出力電圧を積分しても良いし、常に温度センサ２０の出力電圧を上記の積分期間だけ積分した後で、この積分値Shから、出力電圧Vslの値を同一の積分時間だけ積分した積分値Slを差し引いた差引積分値ΔS(積分値Sh―Sl)を用いて、絶対湿度を求めても良い。
【0036】
ヒータ２５で薄膜１０を加熱している時に温度を計測するよりも、冷却期間に薄膜１０の温度を計測した方が高いＳ／Ｎで温度計測できるが、この冷却期間では、薄膜１０の温度低下は、薄膜１０の熱容量が小さいほど速く、激しく温度低下を起こすので、冷却期間の特定の時刻での温度計測は、誤差が大きくなってしまう。しかし、薄膜１０に搭載している温度センサ２０の出力電圧を冷却期間の所定の時間積分することにより、この誤差を小さくすることができるし、さらに、熱的な揺らぎや測定電子回路のノイズなど、正と負の変動（揺らぎ）は、長時間の積分により打ち消すことと、特定の時刻での温度センサ２０の出力値の計測よりもその連続した時間積分により、小さな温度変化の差を大きく取り出すことができる、すなわち、増幅作用がある。このようにして、冷却期間での温度センサ２０の出力の時間積分をすれば、必ずしも、ノイズの多いヒータ加熱中の薄膜１０の温度を計測しなくて済むことになる。
【0037】
一般に、周囲媒体が気体の場合は、温度上昇と共にその気体の熱伝導率が大きくなるという性質があり、室温からの温度上昇を数百℃程度に大きくすると、絶対湿度センサとしての動作の基となる周囲気体の熱伝導率の温度依存性を十分考慮した計測動作をさせる必要がある。このように、薄膜１０を高温に加熱した後加熱を止め、冷却過程に入ると、高温のうちは高い熱伝導率のために速く冷え、室温に近づくにつれて、小さな熱伝導率になることにより、高温の場合よりもゆっくりと冷却されることになる。また、例えば、所定の電力で高温にヒータ加熱すると、熱伝導率の大きい水蒸気（絶対湿度）が含まれていることにより、更に熱伝導率が大きくなると、水蒸気が含まれていない場合よりも温度上昇分は小さく、かつ速く冷えるから、温度差センサの出力の時間積分値は、水蒸気がない場合よりもさらに小さくなる。このようにして、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度差センサの出力の時間積分値から周囲気体の熱伝導率の大きさ、すなわち、これを例えば、予め取得している校正用データを利用して、絶対湿度に対応させることにより、絶対湿度が計測できることになる。
【0038】
発明の請求項４に係わる絶対湿度センサは、基板１から熱分離した薄膜１０に、ヒータ２５と温度センサ２０とを有する絶対湿度センサチップを備えてあり、被計測気体中の水蒸気量に基づく熱伝導率の変化により、前記ヒータ２５の加熱による前記薄膜１０の温度変化を前記温度センサ２０で計測するようにした絶対湿度センサにおいて、前記温度センサ２０が温度差センサであること、前記ヒータ２５に電圧を印加し、第１のヒータ加熱をして前記薄膜１０が室温から所定の絶対温度Tlになるまで加熱したこと、その後、引き続き第１のヒータ加熱を続けるか、もしくは、被測定気体の温度の変動が無視できる程度の短時間に、前記ヒータ２５で第２のヒータ加熱をして、前記薄膜１０を室温から前記所定の絶対温度Tlとは異なる所定の絶対温度Thになるまで加熱したこと、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたこと、基板１に備えた絶対温度センサ２１の出力と温度センサ２０の出力との組み合わせ出力から、もしくは、薄膜１０にも絶対温度センサ２２を備えた場合にはその出力から、薄膜１０の絶対温度を知るようにした絶対温度計測手段を備え、該絶対温度計測手段を用いて、薄膜１０が絶対温度TlとThに加熱されるように設定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【0039】
ここでの発明の上述の請求項３の発明との大きな違いは、請求項３では、薄膜１０のヒータ加熱を、１回だけにして室温から前記所定の絶対温度Thになるまで加熱したが、本請求項４では、薄膜１０のヒータ加熱を所定の絶対温度Thに到達するまでの第１のヒータ加熱に引き続き、第２のヒータ加熱を所定の絶対温度Tlに到達するまでの２回行い、それぞれの所定の絶対温度ThとTlとに到達させ、必要に応じてこれらの絶対温度ThとTlを維持させ、温度差センサである温度センサ２０の出力電圧を調べて、所定の温度Tlのときの出力電圧をVslとするものである。ただ、第１のヒータ加熱と第２のヒータ加熱には、時間差があるので、これらの温度センサ２０の出力電圧の時間積分値の比較においては、少なくとも一方の時間積分値を保持しておき、比較する必要がある。積分動作は、請求項３での説明と同様であり、その詳細な説明は省略する。このようにして、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０の出力電圧を所定の期間（積分時間）、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたことである。
【0040】
上述の請求項３に関する説明と同様で、加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用するので、ヒータ加熱時のノイズが無く、信号対ノイズ、S/N、の増大が見込める。従って、高精度の絶対湿度センサが提供できる。また、薄膜１０の絶対温度を計測する絶対温度計測手段を用いて、それぞれのヒータ加熱で薄膜１０が所定の温度Tlと所定の温度Thとに到達した時に、ヒータ２５の加熱を止めて、所定の温度Tlに到達した時の温度センサ２０の出力電圧Vslを、例えば、ピークホールド回路などで保持し、これを高温側の設定温度Thからの冷却過程での薄膜熱電対（温度センサ２０）の出力電圧Vsの値から差し引くようにして、この差引の電圧を、薄膜１０がTlに達するまで時間積分して、室温の影響を打ち消すように補正して、予め用意した校正用データを基に絶対湿度との対応をさせるようにしても良い。
【0041】
本発明の請求項５に係わる絶対湿度センサは、前記温度センサ２０の出力の時間積分の所定の期間の始まりを、前記ヒータ２５の加熱停止の直後とした場合である。
【0042】
一般に、ヒータ２５の加熱冷却のサイクルは、クロックパルスに基づき、これに同期させて行うことが多い。従って、冷却サイクル（冷却過程）の中で途中から温度センサの出力を時間積分することもできるが、クロックパルスのヒータ加熱停止のタイミングを利用した方が、安価な回路構成で達成されると共に、温度センサ２０の出力の時間積分の開始をヒータ加熱停止の直後としているので、室温の効果を打ち消すための出力の差引演算においても、絶対湿度の算出に誤差が少なくなる。また、温度センサ２０の出力が加熱停止直後の方が大きいので、積分出力信号が大きくなり、高感度で、高精度の絶対湿度センサが提供できることになる。
【0043】
本発明の請求項６に係わる絶対湿度センサは、請求項３から請求項５における前記温度センサ２０の出力の時間積分の所定の期間の終わりを、ヒータ加熱停止後の冷却過程で前記薄膜１０が所定の高い方の温度Thから冷却されて所定の低い方の温度Tlに等しくなる時とした場合である。
【0044】
前記温度センサ２０の出力電圧の時間積分の差を利用することにより、周囲温度（室温）の効果を打ち消すことが主眼であり、たとえば、室温が０℃であっても、３０℃の環境であっても計測される絶対湿度Hがこれらの室温の温度に関係ないようにするものである。そのためには、所定の低い方の（設定）温度Tlよりも温度が高い部分での温度センサ２０の出力電圧の時間積分中は、温度Tlにおける温度センサ２０の出力電圧Vslを差し引いた出力電圧分の時間積分をすれば良い。従って、前記温度センサ２０の出力（電圧）の時間積分の所定の期間の終わりは、前記薄膜１０が当初、所定の高い方の絶対温度Thまでヒータ加熱されるから、ヒータ加熱停止後の冷却過程で、湿潤気体の中で高い方の絶対温度Thから冷却されて温度降下し、所定の低い方の温度Tlに等しくなったと判断された時として、その期間（積分時間）を時間積分すれば良い。そして、前記薄膜１０の温度がヒータ加熱されて、それらが所定の低い方の（設定）温度であるTlに到達した時のそれらに搭載している温度センサ２０の出力電圧をピークホールド回路等で保持し、この値を時間積分の間保持して、例えば、高い方の絶対温度Thから冷却されて所定の低い方の（設定）絶対温度であるTlに至る間に、その時高い温度側の方の温度センサ２０の出力電圧から差し引きながらその差分を積分すると良い。
【0045】
本発明の請求項７に係わる絶対湿度センサは、薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂが、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目のうちの少なくとも1つの項目が判定できる程度の微小電力をヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂに供給して、これに基づく薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂの温度上昇の時間変化を前記温度センサ２０もしくは前記温度センサ２０a、２０ｂで計測し、必要に応じて前記絶対温度センサ２１の出力も利用して、前記項目を判定するようにした場合である。
【0046】
本絶対湿度センサのセンサチップは、MEMS技術で作成される微小寸法、例えば、長さ１ｍｍ、幅０．２ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ程度のカンチレバ状、架橋構造状やダイアフラム状の薄膜１０などで構成されている。例えば、このカンチレバ状の薄膜１０に、ヒータ２５や温度センサ２０が形成されている。もし、被測定気体である湿潤空気が、露点に達している場合、この薄膜１０に上に水滴が付いている可能性がある。また、周囲温度（室温）が氷点下であった場合は、この薄膜１０に上に氷の粒子が付いている可能性もあり、さらにまた、このセンサチップ温度が、水没しており、薄膜１０も一緒に水没しているような環境にある場合も想定される。このような環境下で、例えば、急激に所定の設定温度Thが５００℃になるように、ヒータ２５等に電圧を印加し、ヒータ加熱させると、カンチレバ状の薄膜１０が破壊されてしまう恐れがある。絶対湿度センサとして必要なのは、湿潤空気中の水蒸気量であり、基板１に形成されている絶対温度センサ２１で、０℃以下であれば、氷が付いている可能性が想定される。また、絶対温度センサ２１で周囲温度（室温）を計測した結果、０℃以上の温度であっても、露点に達しているために薄膜１０上に水滴があるかもしれない。このような可能性がある環境下での絶対湿度測定では、必要に応じて、絶対温度センサ２１で周囲温度（室温）を計測して、先ずは、氷が付いている可能性等を判断させた方が良い。
【0047】
また、室温から上述の２つの所定温度TlやThになるように、急に大きなヒータ加熱をしないで、先ずは、薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂが、破壊されない程度の小さな所定の電力（結局は小さな電圧の印加）をヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂに供給して、その時の薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂの温度上昇の時間的な状態を調べ、これらの薄膜が、水中の場合、露点に達している場合や氷を含む物質が表面に付着している場合は、その熱容量が増加するので、単に湿潤空気中の温度上昇割合に比べ、ゆっくりと温度上昇するか、水中にあるときは、ほとんど温度上昇しないことで、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目に関しての本絶対湿度センサに判断機能を持たせることができる。露点に達している時や表面に氷の粒が付着している時は、薄膜１０などの薄膜は、氷が解け、また露点に達した時の水滴がヒータ加熱により蒸発して無くなるまでは、ゆっくりと温度上昇するが、水滴が無くなると急に温度上昇をすることになる。この状態では、相対湿度が１００％であり、その時の絶対湿度も、基板１の絶対温度センサ２１を用いて、周囲温度を計測することにより、その温度（室温）における飽和水蒸気量から絶対湿度が求められる。もちろん、このような露点に達する飽和水蒸気状態を作ることにより、本絶対湿度センサを校正することもできる。
【0048】
本発明の請求項８に係わる絶対湿度センサは、異なる温度Thと温度Tlのうち、低い方の温度Tlを１００℃から２７０℃の範囲の温度にした場合である。
【0049】
低い方の温度Tlが１２０℃から１５０℃の範囲の温度では、ほとんど空気の熱伝導率と水蒸気（H2O）の熱伝導率がほぼ等しいので、水蒸気の量、すなわち、絶対湿度には、無関係な熱伝導率の領域である。従って、この温度領域を室温からヒータ加熱して消費電力量等の室温補正のための基準とする低い方の設定温度Tlとして用いると、上記したように絶対湿度の測定誤差が少なくなるという利点がある。ただ、式数３からの結果にもあるように、本質的には、低い方の温度Tlは、室温よりも高温であり、所定の高い方の設定温度Thより小さければ室温補正ができるものである。ここでは、低い方の絶対温度Tlを１００℃から２７０℃程度までにして、絶対湿度を算出するための予め用意する校正用データの取得においても、測定誤差を小さくなるようにさせたものである。このとき、低い方の設定の絶対温度Tlと高い方の設定温度Thとの差が大きい方が時間積分した時の差が大きくなり、絶対湿度が高精度に計測できることになるので、Thを５００℃程度の高い温度にさせる方が良い。
【0050】
本発明の請求項９に係わる絶対湿度センサは、前記温度差センサの少なくとも一方の熱電導体として半導体を用いた場合である。
【0051】
温度差センサとしての熱電対やサーモパイルを用いる場合、大きな熱起電力を発生させるために、大きなゼーベック係数の熱電導体を用いた方が、高感度で高精度の温度差センサとなる。半導体のゼーベック係数は、金属に比べて１桁程度大きく、更に同一の半導体でも、抵抗率が高い方がそのゼーベック係数が大きいことが分かっている。従って、薄膜１０などを半導体、特にシリコン単結晶薄膜を用いることにより、MEMS技術を用いたセンサデバイスが安価で、かつ作りやすい。もちろん、ゼーベック係数の正負の極性を有するp型やｎ型の半導体を組み合わせて薄膜熱電対を形成すると更に出力が大きくなるが、製作工程の単純さから見ると、せめて、熱電導体の一方だけでも半導体にした方が良い。
【0052】
本発明の請求項１０に係わる絶対湿度センサは、薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂをシリコン半導体とした場合である。
【0053】
シリコン半導体は、現在の集積回路の９０％以上が、このシリコン半導体の基板で作成されている。そして、シリコン半導体を用いたMEMS技術も成熟した領域にある。このように、絶対湿度センサのセンサチップもシリコン半導体の基板１を用いることにより、基板１に形成するダイオードなどの絶対温度センサ２１、薄膜１０などに形成する薄膜熱電対も容易に製作できるし、集積化した回路である演算回路、制御回路、表示回路、駆動回路なども搭載可能であり、小型で安価な絶対湿度センサが提供できる。
【0054】
本発明の請求項１１に係わる絶対湿度センサは、絶対温度センサ２１および絶対温度センサ２２を半導体ダイオードとした場合である。
【0055】
ｐｎ接合ダイオードやショットキダイオードなどの半導体ダイオードは、一定順方向電流の下での順方向電圧（順電圧）の温度依存性は、絶対温度Ｔに対して直線関係にあることが分かっており、絶対温度センサとして用いられている。また、一定の順電圧の下でのダイオード電流の対数は、絶対温度Ｔの逆数と直線関係にあることも判明しており、ダイオードサーミスタとして利用されている。これらの半導体ダイオードは、バイポーラトランジスタのエミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合ダイオードを使用しても良く、この場合は、コレクタＣとベースＢとを外部等で短絡させて、エミッタＥを１つの端子、ベースＢとコレクタＣとの短絡部を他方の端子とする２端子の半導体ダイオードとして利用した方が良い。基板１に形成して周囲温度（室温）を計測するための絶対温度センサ２１としては、室温の温度が１５０℃以下であれば、上述の半導体ダイオードに順方向電圧を印加して、その時の順電流や順電圧の温度依存性から絶対温度である室温を計測するのに好適である。
【0056】
半導体ダイオードとしてのｐｎ接合ダイオードでは、ｐｎ接合部を小型に作ることが可能で、局部的な絶対温度を計測するのに好適であり、更に、特に、ｐｎ接合に一定の逆方向電圧（逆電圧）を印加して、逆方向電流の温度依存性を利用して、比較的高温（１５０℃以上）の絶対温度計測が可能である。薄膜１０をＳＯＩ層とした場合、絶対温度センサ２２としてのｐｎ接合ダイオードは、例えば、４００℃以上の高温に晒され、その絶対温度を計測する必要から、ｐｎ接合ダイオードに０．５Vから１V程度の小さな逆電圧を印加して、その時の逆方向電流を計測して、絶対温度に換算するようにすると良い。ただ、基板１と共通するＳＯＩ層の薄膜１０とした場合には、回路構成の上で、ヒータ加熱、絶対温度センサ２１や温度センサ２０などとの共通アースの点も考慮する必要がある。
【0057】
本発明の請求項１２に係わる絶対湿度センサは、温度センサ２０をヒータ２５として兼用した場合である。
【0058】
一般に温度センサには、白金抵抗体のような金属等の測温抵抗体の抵抗温度係数を利用した絶対温度センサ、ｐｎ接合ダイオードのようなダイオードの順方向または逆方向印加時の電流の温度依存性や所定の電流一定時の順方向電圧の温度依存性を利用する絶対温度センサ、更に、薄膜熱電対などを利用する温度差センサがある。ここでは、温度センサ２０として、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合で、この温度センサ２０をヒータ２５としても利用する場合である。
【0059】
薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。温度差センサとしての薄膜熱電対は、一方の熱電導体を、薄膜１０等を構成する半導体薄膜で形成し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）などの絶縁膜を介して金属薄膜などの他方の熱電導体を容易に形成することができると共に、オーム性コンタクトを測定点（温接点）として形成するだけで済み、５００℃以上の高温動作にも耐え、製造工程も極めて簡単である。しかも、冷却過程の最終には、周囲媒体の温度である室温に戻り、温度センサ２０の出力もゼロに戻るという性質があるので、時間積分も多少の積分時間の揺らぎに対しても誤差が少なく、高精度な計測が可能である。
【0060】
このように、温度センサ２０をヒータ２５として兼用した場合には、薄膜１０等に、温度センサ２０としての温度差センサとは別に、上述のような半導体ダイオードのような絶対温度センサ２２を搭載しておき、ヒータ加熱された時の薄膜１０等の絶対温度を計測できるようにしておいた方が、ヒータ加熱時の所定の温度TlやThを計測するに当たり、時分割でヒータ作用と温度差検出作用の動作を交互にさせる必要がないから回路的に単純になる。
【0061】
本発明の請求項１３に係わる絶対湿度センサは、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えた場合である。
【0062】
電源回路は、ヒータ２５等の駆動や他の回路への電源の供給に関わる回路であり、増幅回路は、温度センサ２０等の出力を増幅する回路である。上述で温度センサ２０の出力という表現をしているが、一般には、温度センサ２０の生の出力は小さいので、初段増幅後以降の出力を指すが、もちろん、温度センサ２０の生の出力信号を指すこともある。演算回路は、温度センサ２０もしくは、温度センサ２０a、２０ｂからの出力やこれらに基づく差引や積分、また、これらの出力信号などを利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより絶対湿度を算出するために用いること、を主にした回路である。また、制御回路は、ヒータ２５等の温度制御やヒータ２５等のパルス駆動時の通電時間、冷却期間、積分時間の設定、時間積分動作や差引動作などの制御やフィードバック制御などを行う回路である。
【0063】
本発明の請求項１４に係わる絶対湿度センサは、絶対温度センサ２１の出力と、請求項１から１２のいずれかに記載の絶対湿度センサからの絶対湿度の情報を基に、相対湿度を求めることができるようにした場合である。
【0064】
絶対湿度とは、例えば、１立法メートルの湿潤空気の中に溶け込んでいる水蒸気の量の重さの単位、グラム（ｇ）で表現したものであり、湿潤空気の温度が高いとその分、多くの水蒸気の量が飽和にならずに溶け込むことができるが、その上限が温度依存性を持つだけであり、露点に達しなければ、本質的に、湿潤空気の温度には無関係な値である。これに対して、湿潤空気の温度により、溶け込める水蒸気量に限界があり、これ以上溶け込むことができない時の限界値がその温度における飽和水蒸気量である。この時に、相対湿度としては１００％と言うことになる。従って、湿潤空気の温度が分かれば、空気などの気体の飽和水蒸気量が決まるので、実際に湿潤空気の水蒸気量である絶対湿度が、その時の温度における飽和水蒸気量に対する割合が、その時の相対湿度であるから、湿潤空気の温度を基板１に備えた絶対温度センサ２１で計測し、絶対湿度を本発明の絶対湿度センサで計測しておけば、各温度における飽和水蒸気量に関する既知のデータを基にして演算により、相対湿度が算出できることになる。ここでは、このようにして、相対湿度が算出できる機能を持つようにした絶対湿度センサを提供するものである。
【0065】
本発明の請求項１５に係わる絶対湿度センサチップは、基板１から熱分離したカンチレバ状の薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂのそれぞれに対応して、ヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂと温度差センサである温度センサ２０もしくは温度センサ２０a、２０ｂとを備え、該温度差センサの測定点（温接点）を、カンチレバ状の薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂの先端部付近に設けたこと、ヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂは、前記温度差センサの測定点（温接点）を取り囲むように配置し、カンチレバ状の薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂの先端部付近が一様に発熱するようにしたことを特徴とするものである。
【0066】
絶対湿度センサでは、湿潤空気の熱伝導率が絶対湿度の大きさに依らない温度Tlの温度領域である１２０℃から１５０℃を越えて、この温度域よりも温度が高ければ高いほど、ほぼ直線的に湿潤空気の熱伝導率が大きくなることが分かっている。従って、ヒータ加熱により薄膜１０等（薄膜１０等とは、薄膜１０を含み、薄膜１０a、と薄膜１０ｂをまとめて、このように表現することにする）の温度を、例えば、５００℃と言うような高温にさせたい。このためには、カンチレバ状の薄膜１０等にした方が、架橋構造の薄膜１０等よりも熱が基板に逃げ難いので、好適である。また、加熱された薄膜１０等からの湿潤空気による熱放散が促進されるべきで、同一の薄膜１０等の体積であれば、薄膜状が最もその表面積が大きいから薄膜状のカンチレバ状が好適であり、その先端部が最も高温になるから先端部が一様に発熱するように、温度検出する温度差センサの測定点（温接点）を取り囲むように配置することが望ましい。また、カンチレバ状薄膜１０等の温度差センサの測定点（温接点）が形成されている先端部の面積を大きくさせて、湿潤空気との接触面積を大きくした方が良い。このためにも、この測定点（温接点）を取り囲み、この大きな面積のカンチレバ状薄膜１０等を一様に発熱させるようにヒータ配線を配置するようにする必要がある。また、ヒータ用材料としては、抵抗率が大きく、融点が高く、錆びない材料が望ましい。したがって、ニクロム（NiCr）が好適である。ニクロムは、極めて抵抗温度係数が小さいが、ヒータ用材料としての使用であるから問題にならない。
【0067】
本発明の請求項１６に係わる絶対湿度センサチップは、基板１から熱分離した薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂのそれぞれに対応して、ヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂと温度差センサである温度センサ２０もしくは温度センサ２０a、２０ｂを備えると共に、更に、それぞれに対応して、絶対温度センサ２２もしくは絶対温度センサ２２a、２２ｂをも備えたことを特徴とするものである。
【0068】
温度センサ２０等として、薄膜熱電対などの温度差センサを用いているので、所定の（指定した）絶対温度Tlや絶対温度Thに加熱するのに、何らかの形で薄膜１０等の絶対温度を知る必要がある。ヒータ加熱中に薄膜１０の温度を知るには、極めて高速に断続ヒータ加熱をするなどして、そのヒータ加熱を停止した瞬間的な期間に温度差センサとして動作させて、基板１からの温度上昇分をチェックして、基板１に形成している絶対温度センサと組み合わせて、薄膜１０のその時点での温度を計測して、これを繰り返して、薄膜１０の昇温状態を把握し、それぞれの時点での温度を計測すると共に、所定の指定した温度に到達したときにヒータ加熱を止めるといった方法があるが、薄膜１０の熱容量が小さいので、加熱・冷却の温度差が激しく、このような計測は回路的にも困難である。そこで、ここでは、薄膜１０等に、絶対温度センサを形成して、直接、薄膜１０等の温度をリアルタイムで計測できるようにした場合である。薄膜１０等を所定の指定した絶対温度TlやThに加熱昇温するには好適である。
【0069】
温度センサ２０等である温度差センサの測定点（温接点）付近の温度が計測できるように、薄膜１０等に形成して有る絶対温度センサ２２等を、該測定点（温接点）付近に形成した方が良い。薄膜１０等がカンチレバ状であれば、その先端部は、薄膜１０の終端部であるから、そこに絶対温度センサ２２等を形成すると、ヒータ加熱時のヒータ電流の影響を小さくすることができる。また、前記絶対温度センサ２２等を温度差センサ（薄膜熱電対）の測定点（温接点）付近に形成することにより、測定点（温接点）付近の絶対温度を計測することができる。薄膜熱電対をヒータ２５等としても利用する場合、その測定点（温接点）を、カンチレバの先端付近に設けると最も温度が高い領域であり、更に、温度センサ２０等の薄膜熱電対の測定点（温接点）は、基準点（冷接点）（基板１に形成）に対して、ここの温度を計測する個所であるから、絶対温度センサ２２等もこの近傍に形成することにより、最も温度が高い領域の測定点（温接点）付近の絶対温度を計測することになる。熱伝導型センサである絶対温度センサとしては、高温であるほど、一般にその感度が大きくなるので、薄膜１０等の中で最も高温領域の温度計測が重要である。
【0070】
本発明の請求項１７に係わる絶対湿度センサチップは、ヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂを温度差センサである温度センサ２０もしくは温度センサ２０a、２０ｂと兼用にした場合である。
【0071】
白金抵抗体のような絶対温度センサをヒータとしても利用する場合は、ヒータ２５等を加熱しながら、同時に温度センサ２０等としても動作させることが容易である。しかし、高温動作では、細線にした白金抵抗体の経時変化の問題がある。さらに、絶対温度センサであるから冷却過程で室温に戻っても絶対温度センサからの出力は一般にはゼロにならない、または、ゼロに漸近しないので、時間積分値の再現性を含む精度が良くならないという難点がある。ｐｎ接合ダイオードのような半導体接合の絶対温度センサも半導体から成る薄膜１０等に形成しやすいし、微小ｐｎ接合を形成してヒータ２５と温度センサ２０の兼用にしやすいが、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。また、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合も、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。しかし、薄膜１０等に搭載している温度センサ２０等としての温度差センサとは別に、薄膜１０等に絶対温度センサ２２等を搭載することで、薄膜１０等の絶対温度TlやThを計測できるので、温度センサ２０等をヒータとして動作させて、今度は、ヒータ加熱停止後の室温に漸近して行く冷却過程で温度差センサとして温度センサ２０等を動作させることは、温度補償の観点から非常に優位性がある。
【0072】
ヒータ２５等を温度差センサである温度センサ２０等と兼用にした場合には、ヒータとして作用させる時には、大きな電流を流す必要がある。熱電対などの温度差センサとしての動作では、一般には、電流を流さず解放電圧を計測するので、温度差センサの熱電導体としての配線は、抵抗が大きくとも良く、また、細い配線でも構わない。しかし、ヒータとして兼用にするには、多くな電流を流すので、大きな抵抗ではその分、大きな印加電圧を必要とするので、抵抗は小さく、しかも大電流にも耐えるような幅広で厚めの配線にする必要がある。
【0073】
本発明の請求項１８に係わる絶対湿度センサチップは、絶対温度センサ２２もしくは絶対温度センサ２２a、２２ｂを半導体ダイオードとし、ヒータ２５もしくはヒータ２５a、２５ｂへの供給電圧の少なくともその一部を前記半導体ダイオードの駆動電源として利用できるように配線した場合である。
【0074】
半導体ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードやバイポーラトランジスタの２つのｐｎ接合のうちの一方のｐｎ接合、例えば、エミッタEとベースBとの間のｐｎ接合を利用して、公知の絶対温度センサとして利用することができる。１５０℃以下の温度である室温を計測する場合は、順方向電圧を印加し、一定順電流の下での立ち上がり電圧の計測や、一定順電圧の下での順電流の大きさの計測により、それらの温度依存性から温度を計測するものである。これは、基板１に形成した絶対温度センサ２１として半導体ダイオードを利用した場合に好適である。ここでは、特に、薄膜１０等に形成する絶対温度センサ２２等の場合であるから、１５０℃以上の温度の計測となる。この場合は、０．５Vから１V程度の所定の固定した逆方向電圧を印加して、その時の逆方向電流の大きさから温度を計測するものである。
【0075】
ヒータ２５等への電圧供給は、薄膜１０等をカンチレバ状にした場合には、その上を先端部付近まで延びている金属薄膜配線を通して行われる。特に、温度差センサ兼ヒータとしての動作では、この金属薄膜配線は、高温にも耐え、錆び難い熱電導体薄膜としても用いるもので、数Ω以上の抵抗値を有することが多い。また、その所定の抵抗値になるように設計製作することもできる。２００℃程度の温度上昇を得るためには、例えば、ヒータ２５への供給電圧は５Ｖ程度で有り、前記金属薄膜配線での電圧降下は、０．５Ｖ程度になる。この電圧をそのまま、絶対温度センサ２２等として利用する半導体ダイオードの逆方向電圧として利用しても良いし、この電圧が大きい場合は、前記金属薄膜配線の途中から端子を出して、半導体ダイオードの逆方向電圧として利用できるように配線すると、ヒータ加熱の時にこの電圧を利用して半導体ダイオードを絶対温度センサ２２等として動作させることできる。また、前記半導体ダイオードを逆方向電圧印加の絶対温度センサ２２等として動作させるのに必要な駆動電源電圧に達しない場合は、例えば、外部から新たに必要な電圧を導入して、半導体ダイオードの所定の駆動電源電圧が得られるように配線を形成しておくようにしても良い。
【0076】
また、半導体ダイオードに、電流が流入したときに、この半導体ダイオードに印加される電圧を計測するための電圧端子と、この半導体ダイオードに流れている電流を計測するための電流端子とを備えても良い。ヒータ加熱の際には、必要に応じて５Ｖ以上の電圧を、ヒータ抵抗５０Ω程度に印加することになるから、数Ωのヒータ２５等への配線抵抗でもその両端に発生する電圧は無視できない。本発明では、絶対温度センサ２２等としての半導体ダイオードを、ＳＯＩ層から成る単結晶シリコン薄膜に形成することが多い。この場合、温度センサ２０等としての薄膜熱電対とヒータ２５等とを兼用にして用い、絶対温度センサ２２等としての半導体ダイオードと同一のＳＯＩ層に形成することになり、特に、ヒータ２５等として駆動した時には、共通するＳＯＩ層に、大きなヒータ電流が流れ、ここでの電圧降下の問題、回路構成上の共通アースの問題、比較的ヒータ抵抗値が小さいことなどから、半導体ダイオードは、逆方向電圧であっても４００℃から５００℃という高温においては、その逆方向電流も非常に大きくなり、等価的にその内部抵抗が小さくなるので、絶対温度センサ２２等として駆動する場合には工夫が必要になる。従って、ここでは、ヒータ電流による電圧降下とは独立に、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測する必要があり、そのために、半導体ダイオードに流れる電流を計測するための電流端子と、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測するための電圧端子とを形成して、四端子法としての正確な半導体ダイオードへの印加電圧を計測できるようにした方が、精度が上がる。もちろん、四端子法では、一方の電流端子側の配線の抵抗での電圧降下が無視できる時には、その端子側では、電圧端子と電流端子とを共通にした三端子として使用することができる。
【発明の効果】
【0077】
本発明の絶対温度センサでは、基板１から熱分離した単一の薄膜１０に形成したヒータ２５と温度センサ２０としての薄膜熱電対などの温度差センサを用い、更に必要に応じて、絶対温度センサ２２を薄膜１０に形成しておき、薄膜１０を室温より高く、湿度依存性をほぼ有しない所定の絶対温度Tlとして、１００℃から２００℃程度まで室温から加熱する第１のヒータ加熱と、更に高温、例えば５００℃、の所定の絶対温度Thまでに、引き続き加熱するか、もしくは、時間をずらして室温から第２のヒータ加熱をし、これらの加熱に要する差引電力量により、周囲温度（室温）の影響を除いた絶対湿度を求めることができるという利点がある。
【0078】
本発明の絶対温度センサでは、第１のヒータ加熱による温度Tlまでの電力量と、引き続く温度Thまでの電力量もしくは、第２のヒータ加熱による温度Thまでの電力量の差引電力量は、同一のヒータ印加電圧にすると、ニクロム薄膜などの抵抗温度係数の極めて小さいヒータ材料では、結局、所定の温度に到達するに要する時間の差に比例することが判明し、絶対湿度の計測が単純化されるという利点があると共に、従来のヒータ電圧測定による電力の差を利用する場合に比較し、高感度の絶対湿度センサが提供できるという利点がある。
【0079】
本発明の絶対温度センサでは、基板１から熱分離した単一の薄膜１０で所定の絶対温度Tlから更に高い温度Ｔhまで引き続いて加熱しても良いが、同等な形状の少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂと、それぞれに形成するヒータ２５a等と温度センサ２０a等としての温度差センサにより、同時にヒータ加熱できるので、リアルタイムでヒータ加熱による電力量の差引が可能となり、周囲温度（室温）の影響を除いた絶対湿度を求めるのに時間短縮されるという利点がある。
【0080】
本発明の絶対温度センサでは、基板１から熱分離した単一の薄膜１０に形成したヒータ２５と温度センサ２０としての薄膜熱電対などの温度差センサを用い、更に必要に応じて、絶対温度センサ２２を薄膜１０に形成しておき、薄膜１０を室温より高く、湿度依存性をほぼ有しない所定の絶対温度Tlとして、１００℃から２００℃程度まで室温から加熱する第１のヒータ加熱と、更に高温、例えば５００℃、の所定の絶対温度Thまでに、引き続いて第１の加熱を続けるか、もしくは、時間をずらして室温から第２のヒータ加熱をし、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の差引積分値情報を利用して、周囲温度（室温）の影響を除いた絶対湿度を求めることができるという利点がある。
【0081】
本発明の絶対温度センサでは、基板１から熱分離した単一の薄膜１０で所定の絶対温度Tlから更に高い温度Ｔhまで引き続いて加熱しても良いが、同等な形状の少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂと、それぞれに形成するヒータ２５a等と温度センサ２０a等としての温度差センサにより、同時にヒータ加熱できるので、加熱停止後の冷却過程で、温度センサ２０a、２０ｂのそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、リアルタイムで、それぞれの差引積分値情報が得られ、周囲温度（室温）の影響を除いた絶対湿度を求めるのに時間短縮されるという利点がある。
【0082】
本発明の絶対温度センサでは、ヒータ加熱を停止後の冷却過程での所定の期間、上記温度センサ２０の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲気体中の絶対湿度を計測するようにしているので、ノイズが多い加熱サイクル中で温度計測ではなく、ノイズが極めて少ないヒータ停止後の温度センサ２０の出力を取り出すこと、しかも、その冷却過程でその出力の時間積分を行い、その時間積分値を出力として取り出すので、正負に揺らぐノイズを時間平均で除去すると共に、時間積分による時間と温度センサ出力の積の形のために、微小な温度センサ出力でも大きな変化として取り出すことができる。このために高いＳ／Ｎのセンサ出力が得られ、高精度で高感度の絶対温度センサが提供できるという利点がある。
【0083】
本発明の絶対温度センサでは、ヒータの加熱・冷却サイクルを、クロックパルスを利用し、これと同期させて行うことができる。このとき、冷却サイクル時のクロックパルスと同期させて、温度センサ２０等の出力の所定の時間積分期間の始まりを決定できるので、単純な回路で済み、安価な絶対温度センサが提供できるという利点がある。
【0084】
本発明の絶対温度センサでは、温度センサ２０を温度差センサとし、更に温度センサ２０をヒータ２５と兼用にすることができるので、極めて単純な構造と回路構成ができると共に、極めてコンパクトな絶対温度センサセンサチップと、これを用いた安価でハンディな絶対温度センサが提供できるという利点がある。
【0085】
本発明の絶対温度センサチップでは、温度センサ２０等の温度差センサの測定点（温接点）を、カンチレバ状の薄膜１０等の先端部付近に設けてあり、ヒータ２５等を温度差センサの測定点（温接点）を取り囲むように配置し、カンチレバ状の薄膜１０等の先端部付近が一様に発熱するようにしているから、湿潤空気との接触面積を大きくさせるために、この先端部付近を大きな面積になるように設計しても、一様に発熱できるようにすることができるという利点がある。
【0086】
本発明の絶対温度センサチップでは、温度センサ２０としての温度差センサの他に、絶対温度センサとしての半導体ダイオードをも備えて、ヒータ２５の加熱時の薄膜１０の絶対温度を計測するための半導体ダイオードの駆動電源を、ヒータ２５の加熱時のヒータでの電圧降下の一部を利用できるようにしているので、容易に薄膜１０の絶対温度の計測が達成できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0087】
【図1】本発明の絶対湿度センサに用いる絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。（実施例１、実施例４、実施例７）
【図3】本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートである。（実施例１、実施例２）
【図4】本発明の絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。（実施例２、実施例５、実施例９）
【図5】本発明の絶対湿度センサに用いる他の絶対湿度センサチップの一実施例を示す平面概略図（実施例３、実施例６）
【図6】本発明の絶対湿度センサの動作を示す他の一実施例のタイムチャートである。（実施例１、実施例３）
【図7】本発明の絶対湿度センサの動作の理解を助けるためのヒータ加熱温度のタイムチャートで、同図（Ａ）は、ヒータ加熱に用いるクロックパルス信号波形の例であり、同図（B）は、温度センサ２０の出力信号波形の例である。（実施例４）
【図8】本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートである。（実施例４、実施例５、実施例６）
【図9】本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートで、同図（A）には、第１の時間積分値Shを示し、同図（B）には、第２の時間積分値Slを示す。（実施例４、実施例５、実施例６、実施例８）
【図10】本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートである。（実施例４、実施例５、実施例６）
【図11】本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートである。（実施例６）
【図12】本発明の絶対湿度センサの動作に判定機能を持たせた場合の一実施例で薄膜熱電対の出力の概略図を示している。（実施例７）
【図13】本発明の絶対湿度センサチップの他の一実施例の平面概略図である。（実施例８）
【図14】本発明の絶対温度センサのヒータ加熱による薄膜の温度上昇に関する他の一実施例のタイムチャートを示す。（実施例８）
【図15】本発明の絶対湿度センサを動作させるための構成の一実施例のブロック概略図を示す。（実施例９）
【発明を実施するための形態】
【0088】
以下、本発明の絶対湿度センサおよび絶対湿度センサチップは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）基板、特にSOI基板を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例1】
【0089】
図１は、本発明の絶対湿度センサに用いる基板１から熱分離した単一の薄膜１０を備えた絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。図２は、そのＸ―Ｘ線に沿った断面概略図である。これは、公知のＭＥＭＳ製作技術により形成することができる。ここでは、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層１１を用いて、カンチレバ１２状の薄膜１０を形成し、ここに温度センサ２０として、温度差センサである薄膜熱電対を形成してあり、本実施例では、ヒータ２５としてＳＯＩ層１１の上に形成しているシリコン酸化膜の絶縁膜５０の上に、ニクロム薄膜の抵抗体の薄膜を用いて形成した例である。カンチレバ状薄膜１０の先端部は、その面積を大きくしてあり、一様に発熱できるように薄膜熱電対の測定点（温接点）２６を囲むようにニクロム薄膜の抵抗体をジグザグ形状に配置してある。薄膜熱電対は、ＳＯＩ層１１（例えば、ｎ型シリコン単結晶膜で、厚み１０μｍ程度）を第１の熱電導体１２０aとし、その上にＳＯＩ層１１を熱酸化して形成したシリコン酸化膜である絶縁膜５０を介して形成してある第２の熱電導体１２０ｂ（例えば、ニッケル薄膜やニクロム薄膜）を形成して、測定点（温接点）２６としてのオーム性コンタクト６０を作成して形成される。基板１には、薄膜熱電対の基準点（冷接点）２７を形成している。カンチレバ１２の長さは、７００μｍ程度で良い。また、ここでは、基板１の温度を計測するために、基板１にｐｎ接合ダイオード（半導体ダイオード）を形成してあり、基板１の絶対温度を計測するための絶対温度センサ２１として利用している。なお、半導体ダイオードを絶対温度センサ２１として使用する方法は、１５０℃以下の比較的低温である室温の計測では、半導体ダイオードに、一定の順電圧を印加し、その時のダイオード電流の温度依存性から求める方法、一定の電流を流し、その時のダイオード順電圧の温度依存性から求める方法があり、１５０℃以上の高温計測では、０．５Vから１V程度の固定の逆方向印加電圧でのダイオードの逆方向電流の温度依存性から求めることができる。なお、図１や図２に示すように、単一の薄膜１０を用いてこれを加熱した方が、絶対湿度センサチップの重力方向に対する向きの依存性が少なく、熱対流などに対する熱的補正が少なくて済むという利点がある。
【0090】
図３は、本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートで、図１や図２に示すような基板１から熱分離した単純構成の単一の薄膜１０を備えた熱伝導型センサチップを用いて、薄膜１０に形成したヒータ２５を印加電圧Vaで加熱し、被測定気体である湿潤空気中で薄膜１０が室温、例えば、２０℃から所定の低い絶対温度Tl、例えば、１５０℃になる時点まで第１のヒータ加熱をして、絶対温度Tlに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却した場合と、次に、室温が変化しない間で引き続いてヒータ２５を同一の印加電圧Vaで加熱し、同一の湿潤空気中で薄膜１０が同一の室温から所定の高い絶対温度Th、例えば、５００℃になる時点まで第１のヒータ加熱をして、絶対温度Thに到達した時点で、ヒータ加熱を止め、冷却させて室温に戻るような加熱・冷却を繰り返した場合の薄膜１０の温度上昇および温度降下の様子を示したものである。図３に示された破線は、ヒータ２５の加熱を長い時間続けた場合の予想される薄膜１０の温度上昇カーブである。ヒータ２５を同一の印加電圧Vaで加熱した時、絶対温度Tlに到達するまでの時間をｔｌとし、絶対温度Thに到達するまでの時間をｔｈとすると、ヒータ２５でのそれぞれの消費電力量は、ヒータ２５の抵抗をRとして、Va2・ｔｌ/RとVa2・ｔｈ/Rとなる。なお、ここで、ヒータ２５は、ニクロム薄膜で作成すると、極めてその抵抗温度係数が小さいので、ヒータ２５の抵抗Rの値は、温度依存性を持たないとしている。ここで、ヒータ２５での消費電力は、Va2 /Rであり共通であるから、これらの差引電力量は、（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rとなり、（ｔｈ―ｔｌ）に比例することが分かる。同一の絶対湿度の湿潤空気中では、薄膜１０が、室温から所定の高い絶対温度Thに到達するときには、必ず、室温から所定の低い絶対温度Tlを通過するので、（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rを求めると、上記式数３に示したように、室温の影響が除かれる状態となる。薄膜１０を、特に、絶対湿度の計測誤差を少なくするために、絶対湿度の影響を受けない温度領域である１２０℃から１５０℃の中の１点の温度になるように絶対温度Tlを設定し、そのTlから絶対湿度の影響を強く持つ温度領域である、例えば、５００℃の絶対温度Thまで昇温させるものである。
【0091】
図６は、本発明の絶対湿度センサの動作を示す他の一実施例のタイムチャートで、図３では、第１のヒータ加熱で室温から所定の低い絶対温度Tlまでの加熱と、第２のヒータ加熱で室温から所定の高い絶対温度Thまでの加熱を、時間をずらして実行した場合であるが、ここでは、少なくとも所定の高い絶対温度Thまでの加熱できる所定の一定の印加電圧Vaで加熱した場合を示している。そして、所定の低い絶対温度Tlまで到達する時間tlと所定の高い絶対温度Tｈまで到達する時間thと計測するようにした場合で、これらの差引電力量は、（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rとなり、（ｔｈ―ｔｌ）に比例することなどは、上述と同様であるので、詳細な説明は省く。
【0092】
差引電力量である（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rは、計測可能な量であるから、この値を求め、予め同一の条件で取得して用意してある絶対湿度の関する校正用データから絶対湿度を求めることができる。絶対湿度が大きいと、１２０℃から１５０℃である絶対温度Tlよりも大きい温度では、湿潤空気の熱伝導率が大きくなるので、ヒータ２５に同一の印加電圧Vaを加えても、薄膜１０が所定の高い絶対温度Thに到達しない場合も予想される。従って、ヒータ２５への印加電圧Vaの大きさは、予想される絶対湿度の条件下で、所定の高い絶対温度Thに充分到達しうる値にする必要がある。
【0093】
図１と図２に示す絶対湿度センサチップの薄膜１０は、絶対温度センサを搭載しない場合の例であり、構造が単純であるので、製作工程が単純で、安価な絶対湿度センサチップとなる。このような場合、薄膜１０が上述の絶対温度Tlや絶対温度Thに到達したかどうかを計測するのに工夫を要する。薄膜１０を所定の絶対温度である設定温度TlとThとに昇温させるために、絶対温度計測手段を用いる。このことについては上記したが、基板１に形成してある絶対温度センサ２１と温度センサ２０としての温度差センサである薄膜熱電対を用いて、１．絶対温度センサ２１の出力から基板１の温度を計測して、更に、薄膜１０に測定点（温接点）を有する薄膜熱電対で基板１を基準にした温度上昇分（温度差）を計測して、これらの和を求めて薄膜１０の絶対温度を求める方法、２．絶対温度センサ２１に温度に対して直線性の良い温度センサを用意してその出力と、薄膜１０に測定点（温接点）を有し、基板１を基準にした温度上昇分に対応する薄膜熱電対の出力とを、例えば、同一の温度係数を持つように増幅回路などで調整して、これらの出力を回路上で合算させたり、ソフト上で合算させるなどして薄膜１０の絶対温度を求める方法、３．絶対温度センサ２１の出力から基板１の絶対温度を計測しておき、この基板温度を考慮して、所定の設定温度ThとTlとに昇温させるために必要な温度差センサである薄膜熱電対のそれぞれの出力電圧を求めておき、これらのそれぞれの出力が得られた時に所定の設定温度ThとTlに到達したと判断させるようにする方法、などがあり、これらのいずれかの方法で所定の設定温度ThとTlに到達したことを計測して、その時の信号を取り出せるようにする。いずれの方法でも、所定の設定温度ThとTlに到達した時の薄膜１０の温度に関する電圧信号を、予め用意した所定の設定温度ThとTlの基準電圧とコンパレータ等で比較して、所定の設定温度ThとTlに到達したことを信号として出力し、この出力を利用して、ヒータ２５の加熱を止めるように制御するとことができる。
【0094】
上記の実施例での図３に示した例は、周期的なクロックパルスによって、ヒータ２５の加熱を行った場合であったが、必ずしも、一定周期で加熱冷却を繰り返す必要がなく、所定の設定温度TlとThとに達した後のそれぞれの冷却過程の熱時定数の２から３倍程度経過すると、実質的に薄膜１０は室温に戻ったと近似できるので、それらの時間経過後には、次の加熱サイクルを始めて良い。このようにすることで、絶対湿度の計測時間を短縮させることができる。
【実施例2】
【0095】
図４には、実施例１における図１と図２と同様に、単一の薄膜１０を有する単純構成の本発明の絶対湿度センサチップの一実施例の平面概略図を示す。図１や図２との大きな違いは、図４では、薄膜１０に、温度差センサの薄膜熱電対である温度センサ２０をヒータ２５と兼用にしたことと、薄膜熱電対である温度センサ２０の他に、絶対温度センサ２２を備えていることである。本実施例では、その絶対温度センサ２２として、半導体ダイオードを使用している。そして、温度センサ２０としての薄膜熱電対の測定点２６の個所から配線１１０を形成し、半導体ダイオードの一方の電極８０aに接続してあり、他方の電極８０ｂは、配線１１０により電流端子１１５兼電圧端子１１６である電極パッド７１ｂに接続している。このようにして、ヒータ２５に加熱のための印加電圧、例えば、１０Ｖを、それらの電極端子である電極パッド７０とＳＯＩ層用共通電極パッド７５との間に印加した時には、ヒータ２５の一部としても使用している一方の熱電導体１２０ｂでの電圧降下が半導体ダイオードの駆動電源の少なくとも一部になるように回路構成している。一方の熱電導体１２０ｂは、たとえば、ニッケル薄膜やニクロム薄膜などの金属で形成しているので抵抗値が小さく、例えば、５Ω程度で有り、これに対して、他方の熱電導体１２０aのＳＯＩ層１１の抵抗値が５０Ω程度あるので、熱電導体１２０ｂでの電圧降下は、１Ｖ程度である。この電圧の１Ｖ程度が、１０Ｖのヒータ加熱電圧の印加時に半導体ダイオードの逆電圧として印加されるように、図４に示した絶対湿度センサチップの外部に回路構成をしている。この外部回路構成では、公知の技術であるために、ここでは詳細を省略するが、半導体ダイオードに逆方向電圧を、例えば、１V一定を印加した時の流れる逆電流を計測して、その値からカンチレバ１２状の薄膜１０の先端付近の１５０℃程度以上の絶対温度を計測することができる。なお、半導体ダイオードの感温部であるｐｎ接合部の位置を温度センサ２０としての薄膜熱電対の測定点（温接点）２６の近くに形成してあるので、ほぼ、測定点２６の絶対温度を計測していると考えて良い。また、外部回路構成では、必要に応じて、熱電導体１２０ｂでの電圧降下である１Ｖ程度は、半導体ダイオードの駆動電圧として足りない時には、外部から所定の駆動電圧になるように調整する回路機構を備えておくこともできる。
【0096】
上述では、カンチレバ１２状の薄膜１０の先端付近に形成した絶対温度センサ２２としての半導体ダイオードの駆動において、所定の一定の逆電圧を印加できるようにして、流れる逆電流の温度依存性から絶対温度を計測するようにしているが、これとは逆に、熱電導体１２０ｂでの電圧降下である１Ｖの駆動電源をも加味して、所定の一定電流を半導体ダイオードに流すように、絶対湿度センサチップの外部回路を構成することもできる。このとき、半導体ダイオードに印加されている電圧を計測する必要があるので、半導体ダイオードの薄膜熱電対の測定点２６側から配線１１０を介しての一方の電極８０aから配線１１０を介して電圧端子１１６となる電極パッド７１aを形成している。また、半導体ダイオードの他方の電極８０ｂからは、配線１１０を介して電流端子１１５兼電圧端子１１６となる電極パッド７１ｂを形成して、擬似的な四端子法で、精密な半導体ダイオードの印加電圧を計測できるように、電流端子１１５と電圧端子１１６とを分離形成している。ただ、ここでは、ヒータ２５の一部である熱電導体１２０ｂでの電圧降下は、ヒータ駆動のために大きな電流を流すために大きな値となるが、半導体ダイオードには、絶対温度計測のための小さな駆動電流だけであり、実質的に半導体ダイオードの逆方向の内部抵抗が極めて大きいので、他方の電極８０ｂからの金属の配線１１０での電圧降下は無視できる。そのために、これに繋がる電流端子１１５と電圧端子１１６は、共有させて１個にすることができる。なお、ここでの半導体ダイオードとしては、基板１に形成している絶対温度センサ２１としてのバイポーラトランジスタと同一であるが小型化したものを使用した例である。そこではエミッタＥとベースＢとの間のｐｎ接合ダイオードを使用している。コレクタＣとベースＢとは短絡して、バイポーラトランジスタをダイオードとして利用している。
【0097】
本実施例の絶対湿度センサでは、上述の図４に示したように、単一のカンチレバ１２状の薄膜１０の先端付近に絶対温度センサ２２としての半導体ダイオードを形成して、ヒータ２５の加熱時でも、カンチレバ１２状の薄膜１０の先端付近の絶対温度を計測できるようにしている。本実施例における絶対湿度センサの絶対湿度の計測の動作は、上述の実施例１における図３と同一と考えて良い。実施例１との違いは、実施例１では、ヒータ２５として、ニクロム薄膜などの金属材料であったの対して、本実施例では、温度センサ２０である薄膜熱電対がヒータとしても兼用で使用している。薄膜熱電対の一方の熱電導体１２０aが、SOI層１１であるから、この抵抗率を適当に選択することにより、この熱電導体１２０aのSOI層１１が発熱体として、カンチレバ状の薄膜１０の先端部をほぼ一様にヒータ加熱してくれる。また、本実施例では、実施例１の場合と同様、薄膜１０を所定の絶対温度である設定温度TlとThとに昇温させて、それらの温度を計測するために、絶対温度計測手段を用いるが、薄膜１０に半導体ダイオードである絶対温度センサ２２を搭載しているので、この絶対温度センサ２２で、設定温度TlとThを計測して、設定温度TlとThに到達したことをコンパレータなどで検出して、ヒータ２５の加熱を止めさせるような制御回路を持たせた絶対温度計測手段にしている場合である。
【0098】
従って、本実施例では、図３に示す本発明の絶対湿度センサの動作を示すタイムチャートで、実施例１での差引電力量も、SOI層に高不純物濃度の縮退した半導体を用いると抵抗温度係数も小さいので、ほぼヒータ抵抗Rも同一と考えて良く、（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rとして近似することができる。もちろん、小さなヒータ抵抗Rの温度依存性は、直線近似で繰り込み、補正することもできる。このように実施例１と同様、差引電力量である（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rは、測定可能な量であるから、この値を求め、予め用意してある絶対湿度の関する校正用データとの比較から絶対湿度を求めることができる。
【実施例3】
【0099】
図５は、本発明の絶対湿度センサに用いる基板１から熱分離した２個の同一形状の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを備えた絶対湿度センサチップの一実施例を示す平面概略図で、実施例１の図１に示した絶対湿度センサチップの実施例の薄膜１０と等価な薄膜を２個だけ同一基板１に備えた場合である。実施例１の図１では単一の薄膜１０であり、ここにヒータ２５と温度センサ２０としての薄膜熱電対を具備した場合であったので、薄膜１０を設定温度TlとThとにヒータ加熱をするときには、大きい所定のヒータ駆動印加電圧Vaで、ヒータ加熱し、その加熱過程で設定温度TlとThに到達するまでのそれぞれの時間tlとthとを計測することもできたが、本実施例では、実施例１における同一の図６を用いて、同一形状の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを備えた絶対湿度センサチップに適用した場合である。一方の薄膜１０aは、設定温度Tlに、他方の薄膜１０ｂは設定温度Thに、同時に加熱する場合である。ここでの図６は、実施例１の図３に示したと同様に、同一のヒータ駆動印加電圧Vaで、ヒータ２５aとヒータ２５ｂを駆動し、それぞれヒータ２５aとヒータ２５ｂとが形成されている薄膜１０aと薄膜１０ｂとを、それぞれ設定温度Tlと設定温度Thとになるまで同時に加熱した場合の本発明の絶対湿度センサの動作を示す一実施例のタイムチャートである。ここでは、薄膜１０aと薄膜１０ｂとが完全に同一形状であることを仮定した場合であるが、実際には多少の熱容量等のずれ等が生じているために、薄膜１０aと薄膜１０ｂとの温度上昇カーブは重ならないで、多少ずれることを想定する必要がある。この時は、それらのずれも含めて補正すれば良い。
【0100】
薄膜１０aと薄膜１０ｂをそれぞれ所定の絶対温度である設定温度Tlと設定温度Thとに昇温させるための絶対温度計測手段も、実施例１における場合と同様であるから、ここではその詳細な説明は省略する。このように実施例１と同様、差引電力量である（ｔｈ―ｔｌ）Va2 /Rは、計測可能な量であるから、この値を求め、予め用意してある絶対湿度の関する校正用データから絶対湿度を求めることができる。設定温度Tlと設定温度Thへのヒータ加熱による昇温動作は、同時に行うことができるから計測時間の短縮ができるので、室温が変動している場合の絶対湿度計測に有効である。しかし、２個のヒータが存在していることから、互いの熱的干渉が生じるので、絶対湿度センサチップの傾きなど、湿潤空気の対流の影響を考慮して設置する必要がある。このように実施例１とは、同様であるので、詳細な説明は省略する。
【実施例4】
【0101】
ここでは、実施例１で用いた図１および図２の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ２５の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした一実施例について説明する。
【0102】
図７は、本発明の絶対湿度センサの動作の理解を助けるためのヒータ加熱温度のタイムチャートで、図７（Ａ）は、ヒータ加熱に用いるクロックパルス信号波形で、図７（Ｂ）は、薄膜熱電対である温度センサ２０からの薄膜１０が加熱された時のその温度に比例する出力信号波形を示す例である。図１や図２に示すような単純構成の単一の基板１から熱分離した薄膜１０を備えた絶対湿度センサチップを用いて、薄膜１０に形成してあるヒータ２５を所定の一定の電力Ｐで加熱・冷却した場合である。その加熱サイクル（ここでは、１回だけの加熱や冷却ではなく、繰り返して加熱・冷却が行われるので、サイクルという語句を入れている）および冷却サイクルで出力信号波形の一例を示している。そして、周囲湿潤空気（被計測気体）の熱伝導率が大きい時の予想される波形と、熱伝導率が小さい時の予想される波形を同一の図７（Ｂ）に示している。
【0103】
このように温度センサ２０として薄膜熱電対（温度差センサ）を用いた場合、冷却過程では、加熱された薄膜１０は最終的に周囲気体（被計測気体）の温度である室温に戻るので、温度センサ出力は、ゼロに漸近する。なお、温度センサ出力は、薄膜熱電対である温度差センサの出力なので、ほぼ薄膜１０の温度上昇分と考えることができる。すなわち、温度センサ出力は、ゼロということは、温度上昇分がゼロということに対応する。図７（Ｂ）に示すように、周囲気体の熱伝導率が大きい時は、同一のヒータ供給電力Ｐにおいて、周囲気体への放熱が激しいので、薄膜１０の温度が上昇し難く、低い温度上昇分となり、更に、冷却過程（冷却サイクル）では、放熱が激しいので、冷却速度が大きく、熱時定数が小さくなる。これに対して、周囲気体の熱伝導率が小さい時は、同一のヒータ供給電力Ｐにおいて、放熱が小さく、高温まで熱せられて飽和に達する。また、冷却過程では、やはり、放熱が小さいのでゆっくりと冷却されて、その熱時定数が大きくなる。このようなことから、冷却サイクルでのヒータ加熱停止直後から次の加熱サイクルの始まりまでの温度センサ２０の出力の時間積分（図７（Ｂ）の冷却サイクルでの斜線部分の面積）は、周囲気体の熱伝導率が小さい方が、熱伝導率が大きい場合よりも非常に大きくなることが分かる。すなわち、周囲気体の熱伝導率が小さい場合と大きい場合とのヒータ加熱サイクルでの温度センサ出力波形の終端での値の比よりも、冷却サイクルでの時間積分値（斜線の面積）の比を用いた方が、時間積分の効果で増幅され何倍も大きくなり得ることも分かる。このようにして、ヒータ加熱中に温度センサの出力を計測しなくとも、加熱停止後のノイズが少ない冷却サイクルでの時間積分により、安定して、しかも、増幅した形で出力が得られることが分かる。従って、周囲気体（被計測気体）の絶対湿度（水蒸気量）の変化により周囲気体の等価的な熱伝導率が変化することから、本発明の絶対湿度センサを用いて、高感度で、かつ高精度に計測できることが分かる。
【0104】
図８は、本発明の絶対湿度センサの動作を、図１と図２に示す絶対湿度センサチップを用いて、時間積分値の差引（差引積分値）による周囲温度（室温）の影響を除くようにすると共に、周期的にヒータ加熱された薄膜１０の温度の様子を示すタイムチャートの一実施例である。ここでは、所定の高い温度Thに薄膜１０を維持しやすいように、図７（A）に示すようなクロックパルスに応じて、ヒータ２５へ電圧Vaを印加して、絶対温度計測手段を用いて、所定の絶対温度Thに加熱されるように設定してある実施例である。もちろん、周期的なクロックパルスを用いずに、例えば、ヒータ２５に印加電圧であるVaを印加して、冷却過程での熱時定数の２倍程度以上のところで時間積分を打ち切り次の加熱サイクルに入っても良い。
【0105】
図８は、上述のように、加熱サイクルと冷却サイクルでの温度センサ２０である薄膜熱電対の出力（電圧）から得られる単一の薄膜１０の温度変化を示し、単一の駆動電力でヒータ加熱し、薄膜１０の温度を室温から所定の高い温度Thに到達させた後、これらの温度を維持し、その後ヒータ加熱を止め、冷却過程に入る様子を示している。ここでは、温度センサ２０として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、図８における薄膜１０の温度の原点は、基準点（冷接点）のある基板１の温度、室温である。そして、所定の高い設定温度Th（周囲気体の等価的な熱伝導率の関数で、被測定湿潤気体の計測では、例えば、４００℃から５００℃程度までは温度上昇するような電力をヒータ２５に供給する）に薄膜１０を所定の電力（ヒータ２５の抵抗の温度依存性が無視できる時には、所定の電圧で駆動しても、所定の電流で駆動しても、結局は所定の電力で駆動することに等価である）で、ヒータ加熱させる。この加熱の停止直後からの冷却サイクルでの温度センサ２０である薄膜熱電対の出力（電圧）Vsを時間積分するが、このとき、周囲温度の影響を除くように補正するために、所定の低い方の絶対温度Tlに対応する温度センサ２０である薄膜熱電対の出力電圧Vslの値は、基板１に形成してある絶対温度センサ２１の情報と温度センサ２０の情報を利用する前記絶対温度計測手段を介して、算定できるものであるから、この出力電圧Vslを冷却サイクル時の薄膜熱電対の出力電圧Vsから差し引く、すなわち、（Vs-Vsl）を時間積分して、差引積分値ΔS（図８の斜線領域）を求める。この時の積分時間は、薄膜熱電対の出力電圧Vsが出力電圧Vslになった時、すなわち、（Vs-Vsl）＝０となった時までの時間である。なお、図８では、薄膜１０の温度と薄膜熱電対の出力（電圧）を縦軸にしているが、これは、温度センサ２０として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、縦軸は、薄膜１０の室温を基準にした温度と温度センサ２０の出力電圧とが同一と考えて良いからである。このように、差引積分値ΔSは、共通する室温から所定の温度Tl以下の時間積分値を差し引かれた時間積分値であるから、室温が変動しても無関係な値となり、湿潤空気の絶対湿度Hの関数となっている。この差引積分値ΔSは、絶対湿度Hが大きい時には、小さな値となり、絶対湿度Hが小さくなると単調の大きくなる関数である。この値から、予め同一の条件下で取得しておいた絶対湿度校正用データに基づいて、絶対湿度Hを室温の大きさに依存しないで、一義的に決定することができる。
【0106】
図９は、上述の図８と同様に、図１や図２に示す絶対湿度センサチップを用いて、周期的にヒータ加熱された薄膜１０の温度の様子を示すタイムチャートの他の一実施例である。上述の計測では、設定温度Thからの冷却過程で薄膜熱電対の出力（電圧）から低い方の設定温度Tlに対応する薄膜熱電対の出力（電圧）Vslを時々刻々差し引くようにして、その時の差引された出力電圧を上記積分時間の期間だけ積分して出力値を求め、室温の影響を除くように補正した例であったが、それとは別に、図９（A）に示すように、設定温度Thからの冷却過程で薄膜熱電対（温度センサ２０）の出力電圧を、所定のTlに対応する上記の出力電圧Vslになるまで時間積分をして、その時の第１の時間積分値Shから、図９（B）に示すように出力電圧Vslも同一の上記積分時間の期間だけ積分した第２の時間積分値Slを求め、これらを差し引き、差引積分値ΔSを求めるようにした場合である。所定の温度Thの設定や所定の温度Tlに対応する温度センサ２０の出力電圧の大きさも、上述の実施例１で述べた絶対温度計測手段を用いて計測することができる。室温が、これらの積分時間に比べて十分ゆっくりしか変動しない条件下では、図９（A）の高い設定温度Thの時間積分値Sh（斜線部）のうち、所定の低い設定温度Tl以下の時間積分値（長方形部）は、図９（B）の所定の低い設定温度Tlの時間積分値Sl（長方形部）と同一であり、これらの第１の時間積分値Shから第２の時間積分値Slを差し引いた差引積分値ΔSは、これらの出力波形の時間積分値の差引積分値であるから、絶対湿度の計測における周囲温度の影響をほぼ除去してくれることになる。
【0107】
図１０には、図１や図２に示す絶対湿度センサチップを用いて、周期的にヒータ加熱された薄膜１０の温度の様子を示すタイムチャートの他の一実施例を示している。上述の図８と図９とでは、単一の薄膜１０を用いて、上記差引積分値ΔSを求めるのに、出力電圧Vslの値がヒータ加熱前に分かっているので、時間的に同時に差引演算をして差引積分値ΔSを求める場合を示していたが、ここでは、図１０に示すように、クロックパルスを利用し、第１のヒータ加熱で、所定の高温側の温度Thに加熱し、この温度を維持して次のクロックパルスで、冷却サイクルになるようにして繰り返すが、第１のヒータ加熱後、引き続く加熱サイクルでは、第２のヒータ加熱で、所定の低温側の温度Tlに加熱するようにした後、この温度を維持するようにしている。そして、これらの加熱、冷却サイクルの中で、Thからの冷却過程で、薄膜熱電対の出力電圧Vsを時間積分させて、上述の図８や図９を用いて示した説明と同様に、この積分時間を薄膜熱電対の出力電圧Vsが出力電圧Vslに等しくなるまでの時間とさせて、第１の時間積分値Shを求めると共に、その積分時間と等しい時間だけ、第２のヒータ加熱での加熱停止後に、この実際の薄膜熱電対の出力電圧Vsｌを時間積分して第２の時間積分値Slを求める。そして、これらから差引積分値ΔS＝（Sh-Sl)を演算により求めるようにすることができる。計測回路には、各種のノイズが発生するので、これらの成分を第１のヒータ加熱と第２のヒータ加熱による実際の薄膜熱電対の出力電圧を時間積分して得られたShとSlとの差引により、これらに共通するノイズ成分を打ち消すことができるという利点がある。
【0108】
更に説明すると、図１と図２に示したように、基板１に絶対温度センサ２１を有しているので、周囲媒体の温度（室温）が分かっている。そして、薄膜１０に供給する電力（ヒータ抵抗の温度による変化が無視できれば、印加電圧や供給電流により定まる）にほぼ比例して温度上昇分が決まる。そして、周囲気体が空気の場合で、１種類の気体であることが分かっている場合（純粋の空気の場合は、窒素ガスと酸素とのはっきりとした混合比率の混合ガスであるので、これを１種類のガスとして取り扱うことができる）、一般にその熱伝導率は、温度上昇と共にほぼ直線的に大きくなり、その熱伝導率の温度に対する勾配と熱伝導率の大きさが、気体の種類により異なる。したがって、空気中の１５０℃以上の所定の設定温度Thに熱せられた空気で、絶対湿度が大きい場合は、熱伝導率が増大し、絶対湿度が小さい場合に比べて、設定温度Thに対応する第１の時間積分値が小さくなる。湿度依存性を持たない所定の設定温度、例えば、１５０℃のTlに対応する第２の時間積分値は、同一の室温からの加熱・冷却では、一定であるから、第１の時間積分値から第２の時間積分値を差し引いた差引積分値ΔSは、絶対湿度が大きいほど小さくなる。このようにして、第１の時間積分値Shから第２の時間積分値Slを差し引いた差引積分値ΔSを基にして、予め用意してある絶対湿度に関する校正用データを利用して、空気中の絶対温度が室温の影響をほぼ除いた形で、空気中の絶対湿度を求めるものである。
【実施例5】
【0109】
ここでは、実施例２で用いた図４の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ２５の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした他の一実施例について説明する。
【0110】
ここで、実施例４との大きな違いは、丁度、実施例２と実施例１との違い、すなわち、実施例１では、図１や図２に示す薄膜１０には、絶対温度センサを備えず、しかもヒータ２５と温度センサ２０とは独立に備えた絶対湿度センサチップを用いた場合であったが、実施例２では、図４に示すように、絶対温度センサ２２を備え、しかもヒータ２５と温度センサ２０とを兼用にした絶対湿度センサチップを用いた場合であると言う違いがあるが、単一の薄膜１０を用い、ここにヒータ２５と薄膜熱電対である温度センサ２０とを有した構造であり、ヒータ２５の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにしたもので、本発明の実施例５における絶対湿度の計測の仕方は、実施例４における図８、図９や図１０を用いた動作と全く同一である。ただ、本実施例５では、図４の絶対湿度センサチップを用いているので、その薄膜１０には、絶対温度センサ２２としての半導体ダイオードが形成されている。従って、薄膜１０の絶対温度を直接計測することができるので、所定の設定温度Tl、Thとを計測して制御することが単純になり、絶対温度計測手段の構成がその分、単純化される。また、ヒータ２５と温度センサ２０とが切り替えにより兼用できるので、その分、単純な構造になるし、カンチレバ状の薄膜１０も、熱電導体１２０aとしてのSOI層１１がヒータ２５にもなるので、一様な発熱が可能となる。
【0111】
なお、図１０に示す場合は、第１の時間積分値Shのデータ取得と第２の時間積分値Slのデータ取得で計測時間が異なるので、直接的には差し引きができないが、先行する第１の時間積分値を時間的に保持させる回路、例えば、ピークホールド回路やデジタル的なメモリ回路を用いるソフト上での保持などを利用して、第２の時間積分値Slとの差を求めることができる。
【0112】
もちろん、ここでは、絶対温度センサ２２として半導体ダイオードを用いているが、Pt薄膜などの測温抵抗体を用いても良い。絶対湿度計測の仕方は、実施例４における図８、図９および図１０の場合と同様なので、ここでは省略する。
【実施例6】
【0113】
ここでは、実施例３で用いた図５の絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ２５aとヒータ２５ｂの加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０aと温度センサ２０ｂとのそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした他の一実施例について説明する。
【0114】
図５に示した絶対湿度センサチップの薄膜１０ｂのヒータ２５ｂに、例えば、１０Ｖの矩形波パルスを印加して、薄膜１０ｂを加熱し、所定の設定温度Th、例えば４００℃に到達させたら、この温度を保持するように絶対温度計測手段を用いて制御する。クロックパルスなどにより指定された加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ２５ｂを温度差センサである温度センサ２０ｂとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分（第１の時間積分）する。また、このとき薄膜１０aには、薄膜１０ｂのヒータ加熱と同期して、例えば、ヒータ２５aの印加電圧Vlを３．０Ｖで、薄膜１０aを所定の設定温度Tl、例えば、１５０℃まで加熱し、この温度を保持するように絶対温度計測手段を用いて制御する。そして、その加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ２５aを温度差センサである温度センサ２０aとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分（第２の時間積分）する。この時の様子を、図１１に示す。この図１１は、本発明の絶対湿度センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートであり、薄膜１０ｂを高い方の設定温度Thに加熱した時（例えば、１０Ｖで加熱）の加熱サイクルと冷却サイクルと、薄膜１０aを低い方の設定温度Tlに加熱した時（例えば、３．０Ｖで加熱）の加熱サイクルと冷却サイクルとを示し、更に、それぞれの冷却サイクルでの温度センサ２０a、２０ｂのそれぞれの出力電圧の時間積分（斜線部）としての第１の時間積分と第２の時間積分をも示している。なお、縦軸を薄膜１０aと薄膜１０ｂの温度と、温度センサ２０a、２０ｂのそれぞれの出力電圧とが同一波形になるとして表示している。
【0115】
この場合、前記したが、それぞれの第１の時間積分と第２の時間積分とのそれぞれの積分結果の値（時間積分値）の差を求めて、その出力電圧差（差引積分値）を出力として取り出しても良いが、時々刻々温度センサ２０bと温度センサ２０aとの差をコンデンサなどに充電して、積分させても良い。もちろん、これらを、コンデンサを用いずに、ＩＣメモリに入力記録して、デジタル的に加算処理などをしても良い。なお、本実施例では、温度センサ２０bと温度センサ２０aとを、共に薄膜熱電対である温度差センサを用いているので、図９では、薄膜１０aと薄膜１０bとの温度を縦軸にしているが、これを温度に対応する温度センサ出力電圧で表わすと、縦軸の原点Ｖｏは、本質的にゼロになる。このために高精度計測であるゼロ法が適用できるので、高精度の絶対湿度の計測が可能となる。
【0116】
本実施例では、実施例４や実施例５で用いた図８、図９および図１０の場合と、絶対湿度の求め方は同様であり、違いは、単に、図１０では、冷却過程での第１の時間積分と第２の時間積分が時間的にずれているのに対して、図１１では、同時に時間積分が得られるので、ピークホールド回路などの出力保持機能を持たずに、リアルタイムで第１の時間積分と第２の時間積分との差である差引積分値ΔS（図１１の密な斜線部）を求めることができるという違いがあるだけである。もちろん、このために計測時間の短縮が達成されるが、絶対湿度の求め方は同様であるから、ここでは詳細な説明は省略する。
【実施例7】
【0117】
図１２には、本発明の絶対湿度センサの動作に判定機能を持たせた場合の一実施例で、薄膜１０もしくは薄膜１０a、１０ｂが、露点に達しない湿潤気体中にあるか、露点に達した湿潤気体中にあるか、水中に没しているか、もしくは、氷も含む固体物質を付着させているか、の項目を判定する機能を備えた場合の薄膜１０等に設けたヒータ２５等で微小電力加熱して、その時の温度上昇の時間経過を温度センサ２０等のとしての薄膜熱電対の出力の概略図を示している。ここでは、前述の図１や図２に示した絶対湿度センサチップを用いた場合について説明する。薄膜１０等に設けたヒータ２５等での微小電力加熱とは、例えば、通常の湿潤空気中ならば、薄膜１０等が室温から１０℃程度の温度上昇しかしない程度のヒータ電力P、例えば１０ｍW程度、で薄膜１０等を加熱することを言い、このとき、薄膜１０等の熱容量が極めて小さいので、図１２の特性カーブAのように、ヒータ加熱時間と共に急速な温度上昇があり、間もなく、熱コンダクタンスGとヒータ電力Pとで決まる温度上昇の飽和値に達する。図１２では、縦軸に薄膜熱電対出力を表示しているが、この薄膜熱電対出力と薄膜１０等の室温からの温度上昇分は、比例関係なので、薄膜熱電対出力の時間経過の特性カーブは、そのまま、薄膜１０等の温度上昇分の特性カーブと考えて良い。予めこの特性カーブを記録しておき、このような微小電力加熱を行い、図１２の特性カーブAとほぼ相似形の特性カーブが得られた場合は、そのまま、上述のような、所定の設定温度Tl、Tｈに達するような大きなヒータ２５等への電力を供給して、通常の上記した絶対湿度を計測して良い。
【0118】
しかしながら、上記の微小電力加熱を行った結果、特性カーブBのように、微小電力加熱の初期のうちは、温度上昇が見られず（薄膜熱電対出力がほとんどゼロ）、その後、温度上昇に転じるような場合は、湿潤空気が露点に達し、薄膜１０等の表面に微小水滴や微小氷が付いている可能性がある。このとき、基板１に備えてある絶対温度センサ２１の出力から、基板１が０℃以下であれば、氷の微粒子が付着しているものであり、それ以上の温度であれば、露点に達した水滴が付着していると判断させる。また、特性カーブCのようであれば、絶対温度センサ２１の出力から、０℃以下であれば、基板１自体がほぼ氷の中にあり、０℃以上であれば、露点に達し、水没しているか、もしくは大量の水滴が付着している可能性があると判断させるものである。そして、露点に達しているのであれば、相対湿度が１００％であるから、その時の絶対温度センサ２１の出力から周囲温度を計測して、その時の飽和水蒸気量が分かっているから、絶対湿度が求まる。特性カーブBや特性カーブCで露点に達しているのであれば、上記の飽和水蒸気量から絶対湿度を求めることになる。氷付着による特性カーブBのような場合は、薄膜１０等の表面の氷の粒子を蒸発させた後に、上述のように所定の設定温度Tl、Thになるように加熱して、絶対湿度を計測することができる。
【0119】
本発明の絶対湿度センサチップを搭載した絶対湿度センシングプローブが、絶対湿度の計測環境で明らかに露点に達していないことや氷が付着していないことが判明している時には、上記の微小加熱をする必要がない。しかし、いかなる環境でも対応させるためには、絶対湿度計測の初期段階で、微小電力加熱動作を行うようにシステムを構成すると良い。
【実施例8】
【0120】
ここでは、図１３に示す絶対湿度センサチップを用いて、ヒータ２５の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、それぞれの時間積分値の出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めるようにした一実施例について説明する。図１３は、本発明の絶対湿度センサチップの他の一実施例の平面概略図であり、実施例１で用いた図１と同様であるが、違いは、図１では、ヒータ２５と温度センサ２０である薄膜熱電対とは、独立に形成してあったが、本実施例の図１３では、ヒータ２５と温度センサ２０である薄膜熱電対とを兼用にした、所謂、ヒータ２５兼温度センサ２０としたことである。従って、温度センサ２０である薄膜熱電対は、ヒータ２５としての動作と温度センサ２０としての温度差センサとしての動作が同時にできないという不便さがある。しかも、薄膜１０の絶対温度を知る場合も、薄膜１０には、絶対温度センサが備えられていないので、前記した本発明絶対湿度センサに備えた絶対温度計測手段を用いて、基板１に形成した絶対温度センサ２１で基板温度（周囲温度）を知り、基板１を基準点２７にした薄膜１０上の測定点２６とする温度センサ２０としての薄膜熱電対で、基板１からの温度上昇分を計測して薄膜１０の絶対温度を知るなどの回路上の複雑さはあるが、絶対湿度センサチップ自体の構造が、極めて単純であるという利点がある。
【0121】
上述のように、図１３に示す絶対湿度センサチップには、絶対温度センサ２２や温度センサ２０とは兼用にしない独立したヒータ２５が存在していないために、薄膜１０を所定の設定温度Tl、Thにヒータ加熱するにしても、ヒータ２５としての動作と温度センサ２０としての動作を高速に交互に繰り返すようなサイクルで昇温させる必要がある。図１４には、本発明の絶対温度センサのヒータ加熱による薄膜の温度上昇に関する他の一実施例のタイムチャートを示し、ヒータ２５による薄膜１０の加熱と冷却を繰り返した場合を示している。ここでは、ヒータ２５の加熱期間を加熱サイクルとし、冷却期間を冷却サイクルと表記している。ヒータ２５による薄膜１０を加熱した時の加熱サイクルでの温度上昇の薄膜温度Ｔの時間経過とヒータ加熱を停止した後の冷却サイクルでの薄膜１０の温度下降の時間経過の状況を示している。また、例えば、薄膜１０の熱時定数が３０ミリ秒（ｍsec）程度の場合、この熱時定数に比べて１００分の１以下である１０マイクロ秒（μsec）程度の時間Δｔだけ、ヒータ加熱を停止させても、薄膜１０の温度は、それに比較し大きな熱時定数のためにほとんど下がらず、この短い時間Δｔの間でもほぼヒータ加熱を停止させない時の温度を維持していると考えることができる。このような短い時間Δｔの加熱サイクル中のヒータ加熱の停止や、ヒータ加熱サイクルが終了して次の冷却サイクルに突入した場合でも、ヒータ加熱サイクルのヒータ加熱停止直後の短い時間Δｔの間では、やはり、ほぼヒータ加熱サイクル最後の温度を維持していると考えることができる。
【0122】
図１４には、薄膜１０を、所望の設定（絶対）温度Thに到達できるのに充分な加熱電力で、ヒータ２５による加熱をする時の加熱サイクル中に、周期的に薄膜１０の熱時定数に比べて充分短い時間Δｔだけ、ヒータ加熱を停止させて、薄膜１０の途中経過の絶対温度を、今度は、薄膜熱電対として動作させて計測した場合の例を示している。そして、この短い時間Δｔ内に温度センサ２０で、上述の絶対温度計測手段で測定点２６の絶対温度である、例えば、所定の設定温度Thに対応する出力電圧Vshを計測し、所望の設定（絶対）温度、例えば、Th＝５００℃になった時に対応する出力電圧Vshの値に到達した時点で、ヒータ２５の加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行させるようにした場合の例でもある。
【0123】
この図１４では、ヒータ加熱サイクルで加熱初めから時間ｔｎになった時に加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行する場合を示している。このためには、ここでは示していないが、設定（絶対）温度Th＝５００℃になった時に対応する出力電圧Vshの値に等しい比較用の電圧を生成しておき、この電圧と５００℃対応の出力電圧Vshとコンパレータなどで比較して信号を出し、ヒータ２５の加熱サイクルを停止させるようにすると良い。また、次の冷却サイクルはタイマーＩＣなどで所望の時間を決めて設定し、その動作が終了したら再び加熱サイクルにすることは、純粋のハード的な回路構成で既知の技術で容易に達成できるものである。このようにして、所定の絶対温度の５００℃である測定点２６の温度が周期的に達成されることになる。これを絶対湿度センサにおける湿潤空気の熱伝導率が大きくなる高温側の設定温度Thとして利用し、更に同様にして、所定の設定絶対温度Tlを上述のように、例えば、絶対湿度に無関係になれる温度領域にある、例えば、Tl＝１５０℃に設定して、この温度に薄膜１０が到達した時点で、ヒータ加熱を止めて冷却サイクルに入るようにすることができる。もちろん、上述のように、Tlを絶対湿度に無関係になれる温度領域の温度にする必要はないが、この温度領域に設定すると絶対湿度としての測定誤差が小さくなる。そして、この冷却サイクル中に、上述の実施例４に述べたように、例えば、そこでの図９におけるヒータ２５の加熱停止後の冷却過程で、薄膜熱電対である温度センサ２０のそれぞれの出力電圧を所定の期間、時間積分して、Thに対応する第１の時間積分値とTlに対応する第２の時間積分値との差引積分値ΔSを求めて、その差引積分値ΔSの出力の情報を利用して、周囲温度の影響を除くように補正し、予め用意した校正用データを用いて絶対湿度を求めることができる。ここでは、例えば、図９の場合と同様なので、その詳細な説明は省略する。
【実施例9】
【0124】
図１５には、本発明の絶対湿度センサを動作させるための構成の一実施例のブロック概略図を示している。少なくとも、上述の本発明の絶対湿度センサチップや他の回路に電力を供給するための電源回路、絶対湿度センサからの出力を増幅する増幅回路、絶対湿度センサからの出力を利用して絶対湿度を求めることや相対湿度に変換するための演算回路、絶対湿度センサの動作のための制御回路を有しており、ここでは、更に、絶対湿度や相対湿度を表示する表示部も備えた場合を示している。これらの構成回路は、公知の技術で達成されるので、ここではその説明を省略する。
【0125】
上述の実施例では、図４に示したような薄膜１０に絶対温度センサ２２を備えた場合で、単一の薄膜１０についてのみ説明したが、もちろん、この絶対温度センサ２２を備えた同一形状の薄膜１０を１つの基板１に２個形成して、実施例６と同様にして絶対湿度を計測できるが、ここは、その説明を省略している。
【0126】
上述の実施例８では、図１３に示す単一の薄膜１０を用いた場合で、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度センサ２０の出力の時間積分値を用いて絶対湿度を求める方法についての実施例を説明したが、実施例１のように加熱中の消費電力量の比較により絶対湿度を求めることもできる。この場合も絶対湿度を求め方は、実施例１の場合と同様なので、ここでは説明を省略している。また、実施例８での図１３に示す薄膜１０を、実施例３のように、同一の基板１に２個設けて、消費電力量の比較により絶対湿度を求めることもできるし、更に、実施例６のように、同一の基板１に設けた２個の薄膜１０a、１０ｂを用い、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度センサ２０の出力の時間積分値を用いて絶対湿度を求めるようにすることもできる。これらの場合も、実施例３や実施例６の場合と絶対湿度を求め方は同様なので、ここでは説明を省略している。
【0127】
本発明の絶対湿度センサと絶対湿度センサチップは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。
【産業上の利用可能性】
【0128】
本発明の絶対湿度センサは、 基板から熱分離した薄膜に、ヒータと温度センサとを搭載して、ヒータ加熱した薄膜の周囲気体への被測定気体中の水蒸気量、すなわち、絶対湿度の違いによる放熱状態の違いに基づく温度変化を温度センサで計測する、所謂、熱伝導型センサである。周囲気体（被測定気体）の絶対湿度の大きさを熱伝導率の変化を通して計測するが、本発明の絶対湿度センサでは、温度センサを薄膜熱電対にし、ヒータ加熱中において、薄膜を所定の異なる２つの温度Th、Tlとに到達させるに必要な消費電力量を基にして絶対湿度を求める場合と、薄膜を所定の異なる２つの温度Th、Tlとに到達させ、そのヒータ加熱停止後の冷却過程において、温度センサのそれぞれの出力の時間積分を基にして絶対湿度を求める場合とに分かれる。
【0129】
ヒータ加熱中の絶対湿度の計測では、１５０℃以上の所定の高い設定温度Thと、高い設定温度Thよりは低い１５０℃程度の所定の設定温度Tlの温度に到達させるに必要なそれぞれの消費電力量を基にして計測するものである。また、同一のヒータ加熱電圧の場合には、差引電力量は、室温から設定温度TlやThに達するまでの所要時間ｔｌとｔｈとの差に比例することが判明し、この差引電力量を基にして、予め用意した校正用データと組み合わせて、単純な演算で絶対湿度が計測できる。
【0130】
また、ヒータ加熱停止後の冷却過程での計測では、ヒータ加熱中とは異なり、冷却過程でのノイズが小さい期間に、温度センサからの出力を時間積分して出力とするので、高いＳ／Ｎが得られる。更に時間積分により微小信号の増幅が達成されるので、高感度の絶対湿度センサが提供できる。温度センサとして、温度差センサである薄膜熱電対を使用すると、これはヒータとしても兼用できるので、非常に単純な構造の熱伝導型センサチップとなると共に、温度センサ兼ヒータとしての動作は、丁度、加熱サイクルでのヒータ動作と冷却サイクルの温度センサ動作とを交互に動作できるので、好適である。
【0131】
MEMS技術を用いて、極めて小型の宙に浮いた薄膜で形成できるので、熱応答時間も数十ミリ秒程度と極めて高速であり、更に、水蒸気の多孔質膜などへの吸収を利用するような湿度センサの原理に基づくものでないので、本質的に劣化の問題がほとんどないと言える。ただ、露点や氷結等に対しての対策が必要で、本発明の絶対湿度センサでは、露点や氷結等の状態を判断できるようにし、これらを蒸発させて絶対湿度を計測するような対策も施されている。このように、MEMS技術による大量生産化可能であり、消費電力が小さく、高速動作であるからハンディな絶対湿度センサが提供できる。なお、本絶対湿度センサは、MEMS技術による熱型センサなので、気流等の影響がないように、絶対湿度センサチップの上には、多孔性キャップで覆うようにした方が良い。また、２００℃以上の高温の環境下でも使用できる絶対湿度センサであり、乾燥機の中の湿度計測や、自動車のエンジン付近での湿度計測、更には、一般空気中の湿度計測はもとより、砂地や土壌中の湿度、エアコンの湿度管理など多方面の用途が期待される。
【符号の説明】
【0132】
１ 基板１０、１０a、１０b 薄膜
１１ ＳＯＩ層
１２ カンチレバ
１５ 下地基板
２０、２０a、２０ｂ 温度センサ
２１ 絶対温度センサ
２２、２２a、２２ｂ 絶対温度センサ
２５、２５a、２５ｂ ヒータ
２６ 測定点（温接点）
２７ 基準点（冷接点）
４０ 空洞
５０ 絶縁膜
６０ オーム性コンタクト
７０、７０ａ、７０ｂ 電極パッド
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 電極パッド
７２ａ、７２ｂ 電極パッド
７５ ＳＯＩ層用共通電極パッド
８０ａ、８０ｂ 電極
１１０ 配線
１１５ 電流端子
１１６ 電圧端子
１２０a, １２０b 熱電導体