特許 7561619 熱ガスセンサの評価装置、方法およびコンピュータプログラム

(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】

(24)【登録日】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】熱ガスセンサの評価装置、方法およびコンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/04 20060101AFI20240927BHJP

   G01N 25/18 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01N27/04 D

G01N25/18 K

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020537150

(86)(22)【出願日】2019-01-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-06-24

(86)【国際出願番号】 EP2019050261

(87)【国際公開番号】W WO2019135002

(87)【国際公開日】2019-07-11

【審査請求日】2020-09-04

【審判番号】

【審判請求日】2022-12-23

(31)【優先権主張番号】18150496.0

(32)【優先日】2018-01-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】513139633

【氏名又は名称】ハーン－シッカート－ゲゼルシャフト フュア アンゲヴァンテ フォアシュング アインゲトラーゲナー フェライン

【氏名又は名称原語表記】Ｈａｈｎ－Ｓｃｈｉｃｋａｒｄ－Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｆｕｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｗｉｌｈｅｌｍ－Ｓｃｈｉｃｋａｒｄ－Ｓｔｒ． １０， Ｄ－７８０５２ Ｖｉｌｌｉｎｇｅｎ－Ｓｃｈｗｅｎｎｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(73)【特許権者】

【識別番号】512071330

【氏名又は名称】ゲーエス・エレクトロメディツィニシェ・ゲレーテ・ゲー・シュテンプレ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＧＳ Ｅｌｅｋｔｒｏｍｅｄｉｚｉｎｉｓｃｈｅ Ｇｅｒａｅｔｅ Ｇ．Ｓｔｅｍｐｌｅ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100079577

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 全啓

(72)【発明者】

【氏名】ヘートリヒ フランク

(72)【発明者】

【氏名】エーアブレヒト ベルント

(72)【発明者】

【氏名】カッティンガー ゲルハルト

(72)【発明者】

【氏名】クリシェ カート

【合議体】

【審判長】榎本 吉孝

【審判官】三崎 仁

【審判官】伊藤 幸仙

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２９０８４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０２８５５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01N27/00-27/92, G01N25/00-25/72

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのヒータ（１２０）と前記ヒータ（１２０）からの距離が異なって配置された２つの検出器（１３０、１４０）とを有する熱ガスセンサ（１００）のための評価装置（２００）であって、
前記評価装置（２００）は、
－ 第１の検出器（１３０）の検出器信号の振幅に関する情報（２１０）と、
－ 第２の検出器（１４０）の検出器信号の振幅に関する情報（２２０）と、
－ ヒータ信号と前記第１の検出器（１３０）の前記検出器信号との間の第１の位相差に関する情報（２１０）と、
－ ヒータ信号と前記第２の検出器（１４０）の前記検出器信号との間の第２の位相差に関する情報（２２０）と、
を取得するように構成され、
前記評価装置（２００）は、前記第１の検出器（１３０）の前記検出器信号の前記振幅に関する前記情報（２１０）と前記第２の検出器（１４０）の前記検出器信号の前記振幅に関する前記情報（２２０）と前記第１の位相差に関する前記情報（２１０）と前記第２の位相差に関する前記情報（２２０）の線形結合を形成することにより、中間量として合成信号（２３０）を形成するように構成され、
前記評価装置（２００）は、前記合成信号（２３０）に基づいて、ガス濃度に関する情報（２４０）および／または流体の熱拡散率に関する情報（２４０）を決定するように構成される、
評価装置（２００）。

【請求項2】

前記評価装置（２００）は、ヒータ振幅に関する情報（１２２）を取得するように構成され、
前記評価装置（２００）は、前記合成信号（２３０）を決定するために、前記ヒータ振幅に関する前記情報（１２２）と、前記検出器信号の前記振幅に関する前記情報（２１０、２２０）と、前記第１の位相差に関する前記情報（２１０）と、前記第２の位相差に関する前記情報（２２０）との線形結合を形成するように構成される、
請求項１に記載の評価装置（２００）。

【請求項3】

【請求項4】

【請求項5】

前記評価装置（２００）は、前記ガス濃度に関する前記情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を得るために、前記合成信号（２３０）の多項式を計算するように構成される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項6】

前記評価装置（２００）は、前記ガス濃度に関する前記情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を得るために、前記合成信号（２３０）の多項式に補正項を乗算するように構成され、前記補正項は前記合成信号（２３０）、圧力に関する情報、および温度に関する情報に依存する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項7】

【請求項8】

【請求項9】

前記評価装置（２００）は、前記ガス濃度に関する前記情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を決定する際に、前記熱ガスセンサ（１００）の周辺領域の前記圧力および／または前記温度を考慮するように構成される、請求項６ないし８のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項10】

前記評価装置（２００）は、前記ガス濃度に関する前記情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を決定する際に、前記熱ガスセンサ（１００）の周辺領域の圧力および／または温度を考慮するように構成される、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項11】

前記評価装置（２００）は、前記ガス濃度に関する前記情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を決定する際に、前記合成信号（２３０）、前記熱ガスセンサ（１００）の前記周辺領域の温度に関する情報、および前記熱ガスセンサ（１００）の前記周辺領域の圧力に関する情報をドリフト補正の入力量として使用し、前記ドリフト補正の結果として前記ガス濃度に関する情報（２４０）または前記流体の前記熱拡散率に関する前記情報（２４０）を得るように構成される、請求項１０に記載の評価装置（２００）。

【請求項12】

前記熱拡散率と前記合成信号との間には線形関係がある、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項13】

少なくとも１つのヒータと前記ヒータ（１２０）からの距離が異なって配置された２つの検出器とを有する熱ガスセンサの信号を評価するための方法であって、
前記方法は、
－ 第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報と、
－ 第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報と、
－ ヒータ信号と前記第１の検出器の前記検出器信号との間の第１の位相差に関する情報と、
－ 前記ヒータ信号と前記第２の検出器の前記検出器信号との間の第２の位相差に関する情報と、
を取得するステップを含み、
合成信号は、前記第１の検出器の前記検出器信号の前記振幅に関する前記情報と前記第２の検出器の前記検出器信号の前記振幅に関する前記情報と前記第１の位相差に関する前記情報と且つ前記第２の位相差との線形結合を形成することによって、中間量として形成され、
前記合成信号に基づいて、ガス濃度に関する情報および／または流体の熱拡散率に関する情報が決定される、
方法。

【請求項14】

コンピュータ上で動作するときに、請求項１３に記載の方法を実行するためのプログラムコードを有する、コンピュータプログラム。

【請求項15】

前記評価装置（２００）は、アナログ－デジタル変換器の入力信号を得るために、少なくとも１つの検出器（１３０、１４０）からのセンサ信号と前記アナログ－デジタル変換器によって生成されたオフセット信号とを結合するように構成され、
前記評価装置（２００）は、前記アナログ－デジタル変換器の前記入力信号が前記センサ信号の全周期中に既定の値の範囲内に留まることを達成するために、前記オフセット信号を調整するように構成される、
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【請求項16】

前記評価装置（２００）は、サンプリング時間が定常状態に設定または調整された（２７０、２８０、２９０）場合、かつ前記オフセット信号が定常状態に調整された場合にのみ、加熱電力を制御する（２５０、２５２）ように構成される、請求項１５に記載の評価装置（２００）。

【請求項17】

前記評価装置（２００）は、サンプリング時間が設定または調整されている（２７０、２８０、２９０）間、および／または前記オフセット信号が調整されている間は、加熱電力の制御（２５０、２５２）を停止するように構成される、請求項１５または１６に記載の評価装置（２００）。

【請求項18】

前記評価装置（２００）は、平均加熱電力または最大加熱電力、ならびに加熱電力の振幅（２５０、２５２）を調整するように構成される、請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載の評価装置（２００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明による実施形態は、熱ガスセンサのための評価装置、方法およびコンピュータプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、ガスは、さまざまなセンサを使用してその特性に関して分析されることがある。今日、市場には患者の換気のためのさまざまなシステムがある。これらのシステムは、臨床分野と在宅ケア分野での使用用途によって区別されている（例：Heinen + Lowenstein社、Drager社、Stephan Medizintechnik社のシステム）。これら提供者のシステムには、圧力、呼気／吸気流量、呼吸ガス分析に必要なすべての測定手段がトップバリエーションにのみ含まれている。このためには、患者からの遠隔測定が圧倒的に多いいくつかの装置を組み合わせる必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

前述したように、ガス測定装置の設置スペースの縮小とシステムの縮小とを両立させることができ、正確な流量測定と迅速なガス分析が可能なコンセプトが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この目的は、独立した特許請求の範囲によって解決される。

【0005】

ある実施形態は、少なくとも１つのヒータ（例えば、発熱体）と少なくとも１つの検出器（例えば、「サーモパイル構造」、温度可変抵抗器またはサーミスタ）とを有する熱ガスセンサの評価装置に関する。評価装置は、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報（例えばD1.Uss）、およびヒータ信号と第１の検出器の検出器信号との間の第１の位相差に関する情報（例えば（D1-Hz）.phi）を取得するように構成されている。さらに、評価装置は、検出器信号の振幅に関する情報（例えばD1.Ussおよび/またはD2.Uss）に依存し、かつ第１の位相差に関する情報に依存して、振幅情報と位相情報とを組み合わせた合成信号を中間量として形成するように構成されている。さらに、評価装置は、例えば、ガス濃度に関する情報または流体（例えば、ガスまたはガス混合物）の熱拡散率に関する情報を、合成信号に基づいて（例えば、計算の後のプロセスにおいて、合成信号に組み込まれた個々の情報を個別に考慮することなく）決定するように構成される。

【0006】

一実施形態によれば、発生する可能性のある（同期化）エラーを最小化するために、ヒータと少なくとも１つの検出器とが周期的に入れ替わってもよい。言い換えれば、第１の時点では、検出器はヒータとして動作してもよく、ヒータは検出器として使用されてもよく、第２の時点では、検出器は検出器として使用されてもよく、ヒータはヒータとして動作してもよい。

【0007】

ある実施形態によれば、評価装置は、２つの検出器を含み、これら２つの検出器はヒータまでの距離が同じである。この場合、例えば、２つの検出器からの２つの検出器信号の振幅に関する情報（例えばD1.UssおよびD2.Uss）の和、および２つの検出器の２つの位相差に関する情報（（D1-Hz）.phiおよび（D2-Hz）.phi）の和が、合成信号に組み込まれることがある。

【0008】

ある実施形態は、少なくとも１つのヒータ（例えば、発熱体）と、ヒータまでの距離が異なって配置された２つの検出器（例えば、第１の感熱素子構造および第２の感熱素子構造、または温度可変抵抗器、またはサーミスタ）とを有する熱ガスセンサのための評価装置に関連し、ここで、評価装置は、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報（例えば、D1.Uss）、第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報（例えば、D2.Uss）、ヒータ信号と第１の検出器の検出器信号との間の第１の位相差に関する情報（例えば(D1-Hz.phi））、およびヒータ信号と第２の検出器の検出器信号との間の第２の位相差に関する情報（例えば(D2-Hz.phi）を取得するように構成されている。評価装置は、検出器信号の振幅に関する情報（例えば、第１の検出器のD1.Ussおよび第２の検出器のD2.Uss）に依存し、第１の位相差に関する情報に依存し、且つ第２の位相差に関する情報に依存して、振幅情報と位相情報とを組み合わせた合成信号を中間量として形成するように構成されることがある。さらに、評価装置は、合成信号に基づいて（例えば、計算の後のプロセスにおいて、合成信号に組み込まれた個々の情報を個別に考慮することなく）、ガス濃度に関する情報または流体（例えば、ガスまたはガス混合物）の熱拡散率に関する情報を決定するように構成されている。

【0009】

一実施形態によれば、ガスは、少なくとも１つのヒータと、ヒータに対して異なる距離または同じ距離（例えば対称）に配置された検出器との間の熱ガスセンサ内に配置されてもよく、ここで、前記ガスは、前記熱ガスセンサと協働して評価装置を用いて分析されてもよい。この目的のために、例えば、熱は、少なくとも１つのヒータから、その間に配置されたガスおよび／またはガス混合物を介して、第１の検出器および第２の検出器に運ばれる。この場合、第１の検出器によって検出された検出信号および／または第２の検出器によって検出された検出信号は、ヒータからそれぞれの検出器に運ばれた熱を示してもよい。少なくとも１つのヒータの加熱信号振幅（例えば、ヒータの振幅）が変化する場合（例えば、ヒータの周期的な励起）、２つの検出器は、ヒータに対応する変化する振幅を検出してもよい。第１の検出器および／または第２の検出器の検出信号は、評価装置に送信されてもよい。したがって、評価装置は、第１の検出器の検出器信号および第２の検出器の検出器信号から、振幅に関するそれぞれの情報、ならびに、ヒータ信号と第１の検出器の検出器信号との間の第１の位相差に関する情報、およびヒータ信号と第２の検出器の検出器信号との間の第２の位相差に関する情報を取得してもよい。この目的のために、例えば、評価装置は、第１の検出器および／または第２の検出器の検出信号に加えて、ヒータ信号を熱ガスセンサから取得してもよい。あるいは、例えば、評価装置は、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報、第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報、第１の位相差に関する情報、および第２の位相差に関する情報を熱ガスセンサから直接取得してもよい。

【0010】

評価装置のこの実施形態は、検出器信号の振幅に関する情報に基づいて、且つ第１の位相差に関する情報および第２の位相差に関する情報に依存する合成信号は、例えばガス濃度または流体の熱拡散率に関する情報を決定するために、評価装置が非常に迅速に処理し得る非常に安定した信号を成すという知見に基づいている。このように、評価装置は迅速なガス分析を可能にする。

【0011】

ある実施形態によれば、評価装置はヒータ振幅に関する情報を取得するように構成されることがある。さらに、評価装置は、合成信号（ｓｉｇＸ）を決定するために、ヒータ振幅に関する情報、検出器信号の振幅に関する情報、第１の位相差に関する情報、および第２の位相差に関する情報の線形結合を形成するように構成されることがある。例えば、ヒータ振幅に関する情報は加熱電力に関する情報であってもよい。ここで、ヒータ振幅に関する情報は、Ｈｚ.Ussと呼ばれることもある。例えば、評価装置は、ヒータ振幅に関する情報を熱ガスセンサから直接取得してもよいし、例えば、熱ガスセンサから評価装置に伝送されたヒータ信号から取得してもよい。例えば、線形結合は、ヒータ振幅に関する情報と検出器信号の振幅に関する情報との第１の線形結合を有する第１の項と、第１の位相差に関する情報と第２の位相差に関する情報との第２の線形結合を有する第２の項を含むことがある。この場合、例えば、合成信号を決定するために、第１の項および第２の項は線形結合において異なる定数で重み付けされることがある。評価装置が合成信号を決定する際にヒータ振幅を考慮しているため、ヒータ信号（例えば、ヒータが放出する周期的な温度波信号）は、第１の検出器および／または第２の検出器の検出器信号（受信した周期的な温度波信号）と比較されることがあり、その結果、ヒータから２つの検出器への分析されるべきガスを介しての熱伝達を極めて正確に決定することができる。このことにより、評価装置を用いた非常に正確で迅速なガス分析が可能となる。

【0012】

ある実施形態によれば、評価装置は、
sigX=sigUss*Ka+sigPhi*Kp
によって合成信号sigXを得るように構成されることがある。
ここで、sigUssは第1の検出器の検出器信号の振幅に関する情報と第2の検出器の検出器信号の振幅に関する情報とに依存することがある、振幅情報または振幅信号であることがある。また、項sigPhiは、第1の位相差に関する情報と第２の位相差に関する情報とに依存することがある、位相情報または加算された位相信号であることがあり、係数KaおよびKpは定数であることがある。この場合、定数KaおよびKpは振幅情報と位相情報とを別々に重み付けして、評価装置が合成信号sigXを得るようにすることができる。振幅情報sigUssは、第1の検出器の検出器信号の振幅に関する情報と第2の検出器の検出器信号の振幅に関する情報とを線形に結合したものであることがある。位相情報sigPhiは、第1の位相差に関する情報と第2の位相差に関する情報とについての線形情報であることがある。例えば、定数Ka及びKpは、変換係数であってもよい。ある実施形態によれば、KaおよびKpは、最適化された合成信号のための重み付け係数であり、ここで、係数KaおよびKpは無名数であってもよい（例えば、これは、本明細書で使用されるような組み込みシステムには必要ではなく、例えば、CO2濃度を提供する)。ある実施形態によれば、例えば、組み込みシステムは、振幅に関するＡ／Ｄ値を提供し、位相情報は、例えば、コンパレータが傾くまでの時間を測定する、例えば組み込みシステムのタイミングユニットから決定される。このように、例えば、振幅と時間/角度への変換は、評価装置の回路と組み込みシステム（マイコン）の技術データによって規定される。例えば、係数は、両方の信号成分(振幅と位相)がCO2較正の測定範囲にわたってほぼ同じ割合で合成信号sigXに導入されて、例えばsigXにおいて最大の測定分解能が得られるように選択される。例えば、係数KaおよびKpは、例えば、sigXに最適な信号を得るために、経験的に決定される。例えば、定数KaおよびKpは、分析されるべきガスの濃度、温度、または圧力に依存してもよい。このように、振幅情報sigUssは位相情報SigPhiと一致することがある。評価装置は合成信号とともに振幅情報および位相情報をさらに処理することがあり、例えばその結果、評価装置はガスセンサによって検出されたガスを非常に迅速に、効率的に、および非常に正確に分析することができる。

【0013】

ある実施形態によれば、評価装置は、sigUss=2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)に従って振幅情報sigUssを得るように構成される。ここで、項Hz.Ussはヒータの振幅に関する情報であることがあり、項D1.Ussは第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報であることがあり、項D2.Ussは第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報であることがある。このように、振幅情報sigUssは相対振幅信号を構成してもよい。換言すれば、振幅情報は、ヒータ振幅の２倍と、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報および第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報の和との差であってもよい。振幅情報sigUssのこの特定の計算の結果、振幅情報sigUssは本質的に流体による熱伝達に依存し、例えば少なくとも１つのヒータから分析されるべきガスへの熱伝達や分析されるべきガスから第１および／または第２の検出器への熱伝達等の未知の熱伝達を考慮しない、またはわずかにしか考慮されないようにすることができる。したがって、振幅情報sigUssに依存することがある合成信号sigXは未知の熱伝達の影響を受けない、またはわずかにしか受けず、その結果、評価装置は、ガス濃度に関する情報または流体の熱拡散率に関する情報等、分析されるべきガスの特性を非常に正確に決定することができる。

【0014】

ある実施形態によれば、評価装置は、ガス濃度に関する情報または流体の熱拡散率に関する情報を得るために、合成信号の多項式（例えば、A.y(sigX)等の１次の多項式）を計算するように構成されていることがある。評価装置による合成信号の多項式形成を介して、合成信号のドリフト補正が行われることがある。このように多項式形成によって、例えば、濃度ドリフト、圧力ドリフト、および温度ドリフトが補正されることがある。このように、例えば評価装置は、合成信号の３つの多項式を算出することがあり、ここで、第１の多項式は、ガス濃度と合成信号との関係を表すことがあり、第２の多項式は圧力と信号シフト（合成信号の圧力ドリフト）との関係を表すことがあり、第３の多項式は、温度と圧力ドリフトとの関係を表すことがある。このように、この特徴により、起こり得る不正確さを修正することができ、したがって、起こり得る誤差を低減して流体を非常に正確に分析するように評価装置を構成することができる。

【0015】

ある実施形態によれば、評価装置は、ガス濃度に関する情報または熱拡散率に関する情報を得るために、合成信号の多項式に補正項を乗算するように構成されていることがある。補正項は、合成信号、圧力（ｐ）に関する情報、および温度（Ｔ）に関する情報に依存することがある。したがって、例えば、補正項は、合成信号の圧力／温度依存性を補償することがある。こうして、例えば、ガス濃度と合成信号との関係を表す多項式は、圧力と温度のドリフトに関して補正項で補正されることがある。このように、補正項を合成信号の多項式で乗算することにより、評価装置が可能な誤差の影響を低減し、その結果、評価装置は、ガス濃度に関する情報または熱拡散率に関する情報を非常に正確に取得するように構成することができる。例えば、これによって、例えば、ガスセンサの第１の検出器および／または第２の検出器による検出器信号の検出において生じる圧力依存誤差および温度依存誤差を最小化することができる。

【0016】

【0017】

【0018】

ある実施形態によれば、評価装置は、ガス濃度に関する情報を決定する際に、熱ガスセンサの周辺領域の圧力および／または温度を考慮するように構成されることがある。このために、例えば、評価装置は、ガスセンサの周辺領域の圧力および／または温度に関する情報を取得することがある。例えば、熱ガスセンサの周辺領域内の圧力は圧力センサによって決定され、熱ガスセンサの周辺領域内の温度は温度センサによって決定されて、例えば、評価装置に伝送される。圧力センサ及び／又は温度センサは、熱ガスセンサの周辺領域に配置されることがある。このように、評価装置は、圧力および／または温度に依存して補正を実行することができ、ひいては流体を非常に精密に分析することができ、したがって、たとえば、ガス濃度および／または流体の熱伝導率に関する情報を非常に精密に取得することができる。

【0019】

ある実施形態によれば、評価装置は、ガス濃度に関する情報を決定する際に、合成信号、熱ガスセンサの周辺領域の温度に関する情報、および熱ガスセンサの周辺領域の圧力に関する情報をドリフト補正の入力量として使用し、ドリフト補正の結果としてガス濃度に関する情報を取得するように構成されることがある。前記３つの入力変数以外には、例えば、ドリフト補正は、更なる変数を取得せず、例えば、以前に例えば較正の文脈で（例えば、追加的に）取得された定数のみを使用する。このように、評価装置は、ドリフトによって引き起こされる、ガス濃度の計算における可能なエラーを計算し、それゆえにドリフト補正を実行するように構成されていることがある。ドリフトは、様々な温度および圧力で生じる可能性があり、したがって、誤ってガス濃度を決定する可能性があるが、この特徴によって回避されるか、または抑制され得る。したがって、評価装置を用いてガス濃度に関する情報を非常に正確に決定することが可能である。

【0020】

ある実施形態によれば、評価装置は、少なくとも第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報に依存し、かつ任意に第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報にも依存する振幅情報と、第１の位相差に関する情報に依存し、かつ任意に第２の位相差に関する情報にも依存する位相情報との間の商に基づいて、合成信号、またはさらなる合成信号を得るように構成されている。さらに、評価装置は、合成信号に依存して、ガスの濃度、例えばガス混合物の第３のガスに関する情報を決定するように構成されてもよい。言い換えれば、商は振幅に関する情報と位相情報との間の比である。ある実施形態によれば、第３のガスはこの比をシフトさせ、その結果、評価装置は、この比に基づいて第３のガス成分の濃度を推論するように構成されることがある。

【0021】

ある実施形態によれば、評価装置は、
sigV=sigUss*Kav/(sigPhi*Kpv)
によって合成信号sigVを取得するように構成されている。
式中、sigUssは、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報および任意に第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報に依存する、振幅情報であってもよい。また、sigPhiは、第１の位相差に関する情報および任意に第２の位相差に関する情報に依存する位相情報であってもよい。また、Kav、Kpvは定数を表す。例えば、合成信号sigVは、振幅に関する情報と位相情報との比を表す。換言すれば、評価装置は、分析されるべきガス混合物中の既知の第３のガスの未知の濃度を例えば相関関係によって評価装置で推論するために使用され得る更なる物理ガスパラメータを、比sigVによって振幅信号および位相信号から決定するように構成されている。KavおよびKpvは、振幅および位相の比の変化を増幅する新しい重み付け係数である。

【0022】

ある実施形態によれば、評価装置は、加熱期間中にどの程度の熱がヒータによって散逸されるかについての情報を取得し、加熱期間中にどの程度のエネルギーがヒータによって散逸されるかについての情報に依存して、ガスの濃度、例えばガス混合物の第３のガスについての情報を決定するように構成されている。加熱期間は、加熱電圧の最初のゼロ交差から加熱電圧の２番目のゼロ交差までの期間であると理解されてもよい。あるいは、加熱期間は、加熱電圧がゼロボルトからゼロボルト超またはゼロボルト未満に変化する第１の時点から、加熱電圧がゼロボルト超またはゼロボルト未満からゼロボルトに変化する第２の時点までの期間であると理解されてもよい。例えば、加熱信号は、正弦波信号、余弦波信号、方形波信号、三角波信号、ノコギリ波信号であってもよい。加熱期間中は、熱はヒータを取り囲むガス混合物に放散される。ヒータによって周囲のガスに放散される熱の量は、例えば、周囲のガスの熱伝導率、または周囲のガスのガス成分の熱伝導率に依存する。したがって、評価装置は、ヒータが放散する熱によって、未知のガスまたはガス混合物の熱伝導率を決定するように構成されることがある。

【0023】

ある実施形態によれば、評価装置は、特定の加熱電圧においてヒータを通る電流フローの大きさに基づいて、加熱期間中にどれだけの熱がヒータによって放散されるかという情報を得るように構成されている。すなわち、加熱期間中にヒータに印加される加熱電圧が特定され、ガスまたはガス混合物にどれだけの熱が放散されるかに応じて電流の流れが変化する。放散される熱量が大きいほど、ヒータの温度上昇が弱くなるため、ひいては正のＴＣＲ（抵抗温度係数）を想定すると、ヒータ抵抗の値が小さくなり、結果として電流流量の減少が少なくなる。このように、評価装置によってヒータを通る電流流量を決定することによって、分析されるべきガス混合物の組成が推論することができる、または、評価装置は電流流量を追加情報として使用して、ガス分析の精度をさらに向上させることができる。

【0024】

ある実施形態によれば、評価装置は、特定の加熱電圧をオンにした直後、および特定の加熱電圧をオフにする直前に電流流量を取得するように構成されている。評価装置は、両電流流量データ片の差から、加熱期間中の電流流量の変化を決定することができる。差分が大きいほど、分析されるガスまたはガス混合物の熱伝導率が低くなる。このように、評価装置は、ガスまたはガス混合物の熱伝導率を、例えば、ガスまたはガス混合物の分析における追加パラメータとして使用するように構成されている。換言すれば、評価装置が、例えば、加熱電圧をオンにした直後と加熱電圧をオフにする直前との間の開始最大値におけるヒータ電流の差を（期間ごとに）評価するように構成されることにより、評価装置は熱伝導率の測定値を未知のガス混合物のさらなる物理パラメータとして使用するように構成されてもよい。加熱電圧をオンにした直後とは、10μsから1ms、100μsから800μs、または300μsから500μsの時間スパン、ならびにスイッチオン後400μs等の時点を意味する場合がある。

【0025】

実施形態は、少なくとも１つのヒータと少なくとも１つの検出器とを有する熱ガスセンサの信号を評価するための方法を提供する。熱は、分析されるべきガスを介してヒータから検出器に伝達される。方法は、第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報（例えば、Ｄ１・Ｕｓｓ）と、ヒータ信号と第１の検出器の検出器信号との間の第１の位相差に関する情報（例えば、（Ｄ１・Ｈｚ）・ｐｈｉ）とを取得することを含む。合成信号は、検出器信号の振幅に関する情報に依存し、かつ第１の位相差に関する情報に依存する中間量として形成される。例えば、合成信号は、振幅に関する情報と位相に関する情報とを組み合わせる。ガス濃度に関する情報または流体（例えば、ガスまたはガス混合物）の熱拡散率に関する情報は、合成信号に基づいて決定される。例えば、この決定は、計算のさらなる過程において、組合せ信号に組み込まれた個々の情報を個別に考慮することなく行われてもよい。

【0026】

実施形態では、少なくとも１つのヒータと、ヒータに対して異なる距離または同じ距離に配置された２つの検出器とを有する熱ガスセンサの信号を評価するための方法が提供される。例えば、熱は、分析されるべきガスを介してヒータから２つの検出器に伝達されてもよい。方法は、第１の検出器（例えばD1.Uss）の検出器信号の振幅に関する情報、第２の検出器（例えばD2.Uss）の検出器信号の振幅に関する情報、ヒータ信号と第１の検出器の検出器信号との間の第１の位相差に関する情報（例えば（D1-Hz）.phi）、およびヒータ信号と第２の検出器の検出器信号との間の第２の位相差に関する情報（例えば（D2-Hz）.phi）を取得することを含んでもよい。合成信号は、検出器信号の振幅に関する情報に依存し、第１の位相差に関する情報に依存し、第２の位相差に関する情報に依存する中間量として形成されてもよい。例えば、合成信号は、振幅に関する情報と位相に関する情報とを組み合わせたものであってもよい。ガス濃度に関する情報または流体（例えば、ガスまたはガス混合物）の熱拡散率に関する情報は、合成信号に基づいて決定されてもよい。例えば、この決定は、計算のさらなる過程において、合成信号に組み込まれた個々の情報を個別に考慮することなく行われてもよい。

【0027】

一実施形態は、少なくとも１つのヒータと少なくとも１つの検出器とを有する熱ガスセンサの評価装置に関する。例えば、必ずしもそうではないが、２つの検出器は、ヒータに対して異なる距離に配置されてもよい。評価装置は、少なくとも１つの検出器のうちの少なくとも１つからの少なくとも１つのセンサ信号に依存して、少なくとも１つのセンサ信号を所定の値範囲にもたらすためにヒータに印加される加熱電力を制御するように構成されていてもよい。さらに、評価装置は、センサ信号からガス濃度に関する情報を導出する際に、加熱電力に関する情報（例えば、Ｈｚ.Ｕｓｓ）を考慮するように構成されてもよい。

【0028】

本実施形態の評価装置は、評価装置が、異なるガスまたはガス混合物に対して、少なくとも１つのセンサ信号を所定の値範囲に維持するために、加熱電力を変化させてもよいという知見に基づいている。少なくとも１つのセンサ信号が所定の値範囲内に維持されるという事実のために、それは、大きな情報損失を受け入れる必要がなく、理想的な方法で分析してもよい。例えば、評価装置が、センサ信号の振幅が所定値範囲よりも低いという事実に関する情報を得た場合、評価装置は、ヒータの加熱電力を増加させ、したがってセンサ信号の振幅を所定値範囲に持ち上げるように、ヒータに加熱電力を適用してもよい。しかし、評価装置が、センサ信号が所定値範囲よりも大きい振幅を有するという情報を取得した場合、評価装置は、ヒータの加熱電力を減少させ、したがってセンサ信号の振幅を所定値範囲内に下げるようにヒータに加熱電力を印加してもよい。このように、例えば、評価装置は、評価装置が、少なくとも１つのセンサ信号に依存して、ヒータに加熱電力を適用するか、または再調整するという事実によって、少なくとも１つのセンサ信号を常に所定値範囲内に維持してもよい。このように、評価装置は、加熱電力に関する情報とセンサ信号に関する情報との組み合わせを用いて、ガスの濃度および／またはガスの熱拡散率に関する情報を導出してもよい。さらに、評価装置は、したがって、正確な流量測定および迅速なガス分析を可能にしてもよい。

【0029】

一実施形態によれば、評価装置は、周期的な信号をヒータに適用するように構成されてもよい。例えば、周期信号は、方形波信号、または定義されたパワーを有するインパルス、または正弦波信号を定義する。任意に、評価装置は、周期信号を生成してもよいプロセッサを構成する。ここで、プロセッサにおいて評価可能なタイマ構造のために、方形波信号は、そのデジタル／アナログ（ＤＡ）ポート上のプロセッサによって出力されるであろう合成正弦波信号よりもはるかに正確に時間的に生成され得ることに留意されたい。周期的な信号をヒータに印加することにより、２つの検出器はそれぞれ周期的なセンサ信号も検出する。しかしながら、このようにして達成された周期的なセンサ信号はまた、ヒータの周期的な信号に関して、振幅、オフセット、および位相位置が異なっていてもよい。評価装置によって達成された情報から、評価装置は、熱伝導率、熱拡散率、および－ガス（熱ガスセンサによって分析されるべきガス）の密度が既知である場合には－特定の熱容量を決定してもよい。したがって、例えば、ガスの濃度および／または熱伝導率／熱拡散率に関する情報は、加熱パワーに関する情報を表す加熱パワーの変動から導出されてもよい。現在のところ、熱ガスセンサのヒータが低熱質量を構成する場合、熱が迅速に供給されて放散されてもよいので、ヒータに印加される周期的な信号は、３００Ｈｚまでの周波数を有する評価装置によって変調されてもよい。このように、周期的な信号は、正確で迅速かつ効率的なガス分析を可能にする。

【0030】

例えば、周期的な信号が定義されたパワーを有するインパルスである場合、検出器に対するヒータ信号の急峻なエッジの電気的クロストークは、時間的に後に発生する熱波と明確に区別できるであろう。デューティサイクルが５０％の場合、同じものが同時に熱波を得て、少なくとも１つの検出器が測定を実行する場合、ヒータにおけるスイッチオフエッジがセンサ信号に電気的にクロストークする可能性がある。電子システム（Ｒ-Ｃ部品）を構成することにより、ヒータのエッジはわずかに丸められ、検出器の信号はクロストーク干渉の外側に押し出される可能性がある。強力な組み込みプラットフォームでは、電気的干渉と信号が時間的に明確に区別される可能性があるため、より短いデューティサイクルでのヒータ動作がより重要になる可能性がある。明らかに、パルスは、少なくとも１つの検出器が測定を実行することができるように、ヒータが十分な電力／熱を散逸させるのに十分な幅であるべきであり、これは、５％のデューティサイクルの下限であってもよい。

【0031】

一実施形態によれば、評価装置は、ヒータに印加される加熱電力を２つの値の間で切り替えるように構成されてもよい。したがって、例えば、周期的な方形波信号の形での加熱電力がヒータに適用されてもよい。例えば、ＤＡ変換器は、２つの値（例えば、ヒータ電圧の形で）を指定してもよい。また、２つの電圧のうちの１つの値は、アナログスイッチを有するヒータ増幅器に交互に印加されてもよい。この特徴により、ヒータに存在する加熱電力および位相位置が各時点で正確に決定されてもよいことを可能にし、その結果、少なくとも１つのセンサ信号がヒータ信号と非常に正確に比較されてもよく、評価手段は、したがって、非常に正確なガス分析を行ってもよい。

【0032】

一実施形態によれば、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号の最小値および少なくとも１つのセンサ信号の最大値が所定の値範囲内にあるように、加熱電力の振幅を調整するように構成されてもよい。例えば、これにより、少なくとも１つのセンサ信号の振幅が、少なくとも１つのセンサ信号の全体（例えば、熱ガスセンサが２つの検出器のうち少なくとも１つの検出器を介して少なくとも１つのセンサ信号を検出している時間の全体）において、所定の値の範囲内にあることが保証される。例えば、最小値は、少なくとも１つのセンサ信号の最小振幅を表してもよく、最大値は、最大振幅を表してもよい。このように、加熱電力の振幅は、例えば、少なくとも１つのセンサ信号の最小値が所定の値範囲内にあるか否かを検証するときと、少なくとも１つのセンサ信号の最大値が所定の値範囲内にあるか否かを検証するときとの少なくとも２回、制御されてもよい。このように、この特徴によれば、少なくとも１つのセンサ信号の少なくとも２つの値（最小値と最大値）を決定し、それに基づいて加熱電力の振幅を調整することができるので、評価装置の精度を向上させることができる。したがって、評価装置は、非常に精密なガス分析を行うように構成されていてもよい。

【0033】

任意で、所定値範囲は、最小値範囲と最大値範囲とから構成されてもよい。この場合、例えば、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号の最小値が所定値範囲の最小値範囲にあり、少なくとも１つのセンサ信号の最大値が所定値範囲の最大値範囲にあるように、加熱電力の振幅を制御するように構成されていてもよい。このように、少なくとも１つのセンサ信号がほぼ全ての値域をカバーしており、例えば、失われる情報が少ない、または全くないということもあり得る。

【0034】

実施形態によれば、少なくとも１つのセンサ信号の最小値および／または最大値は、少なくとも１つのセンサ信号の位相位置またはオフセットを定義することができる。

【0035】

例えば、所定値範囲は、アナログ・デジタル変換器の動作範囲を構成してもよい。少なくとも１つのセンサ信号の最小値および／または少なくとも１つのセンサ信号の最大値が所定の値範囲外にある場合、アナログ-デジタル変換器は、少なくとも１つのセンサ信号を正しく変換しない可能性があり、その結果、ある状況下では、評価装置は、ガス濃度または熱拡散率についての誤った情報を導き出す。これは、本明細書に記載された特徴によって防止されてもよいし、低減されてもよい。

【0036】

一実施形態によれば、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号の振幅が所定の振幅範囲にあるように、加熱電力の振幅を設定または調整するように構成されてもよい。例えば、所定の振幅範囲（例えば、所定の値範囲によって決定／定義されてもよい）は、アナログ・デジタル変換器の動作範囲を構成してもよい。少なくとも１つのセンサ信号の振幅は、少なくとも１つのセンサ信号の意味のある分析が評価装置によって実行され得るように、指定された振幅範囲の少なくとも５０％、または少なくとも６５％、または少なくとも７５％を利用することが好ましい。オプションとして、指定された振幅範囲はまた、少なくとも１つのセンサ信号の振幅が、アナログ・デジタル変換器の値範囲の少なくとも５０％、少なくとも６５％、または少なくとも７５％を利用することを定義してもよい。少なくとも１つのセンサ信号の振幅が規定された振幅範囲外にあると、情報が失われ、例えば、センサ信号からガス濃度または熱拡散率に関する情報の誤った導出が得られる可能性がある。

【0037】

同様に、少なくとも１つのセンサ信号の振幅が、指定された振幅範囲の非常に小さな範囲のみを利用している場合、問題があるかもしれない。例えば、この場合には、アナログ-デジタル変換器が十分に利用されない可能性があるので、評価装置による分析の質が低下する。評価装置による少なくとも１つのセンサ信号の分析における非常に高い精度は、記載された特徴によって確保されてもよい。このように、アナログ・デジタル変換器が最適化された状態で動作する可能性があり、評価装置による非常に正確なガス分析が確保される。

【0038】

一実施形態によれば、評価装置は、センサ信号がサンプリングされるサンプリング時間を設定または調整するように構成されてもよい。例えば、センサ信号は、前処理および／またはＤＣオフセットで適用されるセンサ信号であってもよい。これにより、例えば、評価装置は、評価装置が、センサ信号が所定の値範囲内にあることを期待するサンプリング時間を設定してもよい。センサ信号が所定の値範囲内にない場合、評価装置は、サンプリング時間においてセンサ信号を所定の値範囲内に持ってくるために、ヒータに加熱電力を印加してもよい。このように、評価装置は、評価装置が熱ガスセンサによって検出されたガスの非常に迅速かつ正確なガス分析を実行することができる最適化されたサンプリング時間を設定または調整するように構成されている。

【0039】

一実施形態によれば、評価装置は、センサ信号が最大値に達する時点（例えば、第１のサンプリング時間）でサンプリングが行われ、センサ信号が最小値に達する時点（例えば、第２のサンプリング時間）でサンプリングが行われるように、サンプリング時間を設定するように構成されている。例えば、サンプリングは、±0.5％、±1％、±2％、または±5％までの位相差で行われてもよい。実施形態によれば、サンプリングは、±15μs、±100μs、±2.1ms、±4.2ms、±6.3ms、または±10msの偏差を有する時点で実施されてもよい。評価手段がこのような精度でサンプリング時間を設定してもよいという事実のために、評価手段は、このようにして捕捉された最小値および／または最大値が所定の値の範囲内にあるか／ないかを検証してもよい。さらに、センサ信号の最大値および最小値を、それぞれ他のガス種のセンサ信号の最大値および最小値と非常に正確に比較してもよく、その結果、評価手段は、このように設定されたサンプリング時間を通して非常に正確で効率的なガス分析を行うように構成されている。

【0040】

ある実施形態によれば、評価手段は、アナログ－デジタル変換器の入力信号を得るために、検出器のうちの少なくとも１つからのセンサ信号と、デジタル－アナログ変換器によって生成されたオフセット信号とを結合するように構成されることがある。さらに、評価手段は、アナログ－デジタル変換器の入力信号をセンサ信号の全周期中に特定の範囲（例えば、既定の値の範囲）内に留まらせるために、オフセット信号を調整するように構成されることがある。例えば、オフセット信号は、アナログ－デジタル変換器の入力値が特定の上限閾値（例えば、アナログ－デジタル変換器の最大処理可能入力値の９５％、９０％、または８５％）を超えたことを識別したことへの反応として、またはアナログ－デジタル変換器の入力値が特定の下限閾値（例えば、アナログ－デジタル変換器の最大処理可能入力値の５％、１０％、または１５％）を下回ったことを識別したことへの反応として、調整することができる。

【0041】

このように、例えば、オフセット信号はセンサ信号のオフセットを変更して、センサ信号を特定の範囲に収めることができる。例えば、評価手段は、オフセットシフトされたセンサ信号を構成し得る入力信号を生成するためにオフセット信号を使用することができることが指摘される。このように、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号とオフセット信号との組み合わせによって、センサ信号を全周期中特定の範囲にシフトさせることができる。例えば、入力信号が依然として特定の範囲を超えている場合、評価手段は加熱電力をヒータに印加して、少なくとも１つのセンサ信号を全周期中特定の範囲内に収めるようにすることができる。例えば、特定の範囲は、アナログ－デジタル変換器の動作範囲であってもよい。このように、本明細書に記載の特徴により、アナログ－デジタル変換器を含み得る評価手段により、ガス濃度および／または熱拡散率に関する非常に正確な情報を少なくとも１つのセンサ信号から導出することができる。

【0042】

ある実施形態によれば、評価手段は、サンプリング時間が定常状態に設定または調整され、かつオフセット信号が定常状態に調整された場合にのみ、加熱電力を制御するように構成されることがある。例えば、定常状態とは、評価装置が可能な公差内でサンプリング時間を決定したこと、およびサンプリング時間をそれ以上設定または調整する必要がないことを意味すると理解される。例えば、定常状態では、サンプリング時間は、少なくとも１つのセンサ信号の最大値（公差内）および最小値（公差内）がサンプリングされるように調整される。さらに、定常状態によって、評価手段が調整したオフセット信号は、少なくとも１つのセンサ信号との組み合わせによって、センサ信号の全周期中特定の範囲内に留まる入力信号を生成すると規定することができる。このように、定常状態は、少なくとも１つのセンサ信号を非常に正確に分析し、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報を導出するために、評価手段が必要なすべての出力パラメータ（例えば、サンプリング時間（およびそこから得られるセンサ信号の最大値および最小値等）またはオフセット信号）を正確に決定したことを意味することがある。評価手段は、評価手段が調整した加熱電力に関する情報および評価手段によって少なくとも１つのセンサ信号から導出された情報から、ガスセンサが検出したガスのガス濃度および／または熱拡散率に関する情報を非常に精密に決定することができる。

【0043】

ある実施形態によれば、評価手段は、サンプリング時間が設定または調整されている間、および／またはオフセット信号が調整されている間、加熱電力の制御を停止するように構成されることがある。この特徴により、サンプリング時間を設定または調整しているとき、および／またはオフセット信号を調整しているときの誤差が低減され、非常に迅速かつ効率的な調整が可能となり、その結果、評価手段は、ガス濃度および熱拡散率に関する情報を非常に迅速かつ非常に正確に決定するように構成することができる。

【0044】

ある実施形態によれば、評価装置は、平均加熱電力または最大加熱電力および加熱電力の振幅を制御するように構成されることがある。例えば、周期的な励起信号がヒータに適用されることがあるので、平均加熱電力は、例えば、励起信号がヒータに適用されている時間にわたって平均化された電力であることがある。周期的に励起されたヒータでは、加熱電力の振幅が変化することがある。したがって、例えば、最大加熱電力は、ある時間スパン内のヒータの加熱電力の最大振幅に相当してもよい。あるいは、加熱電力の振幅は、ほぼ一定であってもよい。したがって、例えば、加熱電力の振幅は時間の経過とともに変化するように制御されてもよい。

【0045】

一実施形態では、少なくとも１つのヒータと、ヒータに対して異なる距離に配置された少なくとも１つのまたは２つの検出器と、ヒータに対して同じ距離に配置された２つの検出器とを有する熱ガスセンサの評価装置を動作させるための方法が提供される。方法は、少なくとも１つの検出器のうちの少なくとも１つの検出器からの少なくとも１つのセンサ信号に依存して、前記少なくとも１つのセンサ信号を所定の値の範囲に持っていくために、前記ヒータに印加される加熱電力を制御することを含んでもよい。さらに、方法は、センサ信号からガス濃度に関する情報を導出する際に、加熱電力に関する情報（例えば、Ｈｚ.Ｕｓｓ）を考慮することを含んでもよい。

【0046】

実施形態は、プログラムがコンピュータ上で実行されるときに方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムに関する。

【0047】

一実施形態は、少なくとも１つのヒータと、少なくとも１つの検出器またはヒータに対して異なる距離に配置された２つの検出器またはヒータに対して同じ距離に配置された２つの検出器とを有する熱ガスセンサのための評価装置に関する。評価装置は、所定の周期継続時間を有する周期信号をヒータに適用するように構成されていてもよい。さらに、評価装置は、第２のサンプリング時間が、第１のサンプリング時間と比較して、期間継続時間に関して９０°シフトした時間であり、第３のサンプリング時間が、第１のサンプリング時間と比較して、期間継続時間に関して１８０°シフトした時間である３回のサンプリング時間で、検出器のうちの１つから少なくとも１つのセンサ信号をサンプリングするように構成されてもよい。さらに、評価装置は、第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間におけるセンサ信号のサンプリングに基づく３つのサンプル値に基づいて、第１のサンプル値または第３のサンプル値がセンサ信号の最大値および最小値を構成するかどうかを識別するように構成されてもよい。サンプリング時間（例えば、第1のサンプリング時間、第2のサンプリング時間、および/または第3のサンプリング時間）は、評価装置によって指定されたサンプリング時間から±0.5°、±1°、±2°、または±5°の偏差を構成してもよい。したがって、第2のサンプリング時間は、第1のサンプリング時間に対して1/4の期間、5/4の期間、または9/4の期間によって時間シフトされてもよく、例えば第3のサンプリング時間は、第1のサンプリング時間に対して1/2の期間、3/2の期間、または5/2の期間によって時間シフトされてもよい。

【0048】

評価装置のこの実施形態は、ヒータに対して異なる距離に配置された熱ガスセンサの少なくとも２つの検出器のうちの１つによって検出された少なくとも１つのセンサ信号の振幅が、適切な時点で少なくとも１つのセンサ信号のアナログ・デジタル変換が行われた場合に非常に正確に測定され得るという知見に基づいている。例えば、これは、少なくとも１つのセンサ信号が最大値または最小値を構成する時点での時点である。評価装置は、評価装置が、少なくとも１つのセンサ信号の「ゼロクロス」が予想される第２のサンプリング時間で少なくとも１つのセンサ信号をサンプリングすることによって、第１のサンプリング時間および第３のサンプリング時間が誤って選択されていることを識別するように構成されてもよい。第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間が正しい場合、評価装置は、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値および最小値を構成するかどうかを識別してもよい。このように、第２のサンプリング時間は、評価装置のためのこの検証を確実にしてもよい。

【0049】

さらに、センサ信号の値範囲（例えば、最小値から最大値まで）を決定し、センサ信号が最適化された方法で分析され、情報の損失がほとんどないか、または全くないように、同じ値がアナログ・デジタル変換器の動作範囲内にあるかどうかを検証することが可能である。評価手段が、決定された最小値および最大値が値の範囲内にないと断言する場合、評価装置は、検出器によって検出されたセンサ信号を値の範囲内に持ってくるために、ヒータに印加される周期的な信号を適応させるように構成されてもよい。

【0050】

さらに、最小値および／または最大値の形でのサンプリング時間は、センサ信号の非常に正確に定義された位置を構成し、その結果、ヒータの周期的な信号と検出器の少なくとも１つからの少なくとも１つのセンサ信号との間の位相差および／または振幅差は、評価手段によって非常に正確に、容易に、かつ効率的に決定されてもよい。例えば、評価手段は、このようにして決定された位相差および振幅差から、非常に精密なガス分析を行ってもよい。

【0051】

このように、評価装置は、例えば、第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間の正確な決定によって、センサ信号（ガスを介してヒータから転送された２つの検出器のうちの少なくとも１つによって検出された信号）の振幅（例えば、最小値、最大値）を非常に正確に決定してもよいという事実に起因して、熱ガスセンサによって検出されたガスの非常に正確で迅速かつ効率的なガス分析を実行してもよいことに留意されるべきである。

【0052】

一実施形態によれば、評価装置は、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値および最小値を構成するかどうかを識別することに依存してサンプリング時間を変更するように構成されてもよい。この目的のために、評価装置は、サンプリング時間が誤って選択されているかどうかを識別してもよい。この場合、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値または最小値を構成し、サンプリング時間の偏差が±0.5°、±0.7°、または±1°未満、および／または±10μs、±15μs、または±20μs未満の場合、例えば、評価装置は、サンプル値の変更を行わないと判断する。このように、サンプリング時間を修正することが可能であり、評価装置によって、評価装置が非常に正確で迅速かつ効率的な分析を行うことができるように十分に正確に設定することが可能である。

【0053】

一実施形態によれば、評価装置は、第１のサンプル値がセンサ信号の極端な値、例えば最大値または最小値を構成し、第３のサンプル値がセンサ信号の第２の極端な値、例えば最小値または最大値を構成するように、サンプリング時間を設定または調整するように構成されてもよい。例えば、第２のサンプル値は、センサ信号の平均値またはＤＣ成分（例えば、センサ信号のゼロクロス）を構成してもよい。このように、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号をサンプリングし、第１のサンプル値がセンサ信号の第１の極値を構成し、第３のサンプル値がセンサ信号の第２の極値を構成するまで、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値または最小値を構成するかどうかを検証するように構成されていてもよい。このように、これにより、センサ信号の振幅が非常に正確に決定され得るように、評価装置が調整されることを確実にし得る。このように、例えば、評価装置は、熱ガスセンサによって検出されたガスの非常に精密なガス分析を実行する。

【0054】

一実施形態によれば、評価装置は、サンプリング時間を設定または調整する際に、指定された閾値を通るセンサ信号の交差の時点に関する情報を考慮するように構成されていてもよい。例えば、指定された閾値は、センサ信号の直流成分または平均値に対応していてもよい。例えば、所定の閾値を通過したセンサ信号が交差する時間は、第２のサンプリング時間に対応していてもよい。例えば、所定の閾値は、センサ信号の「ゼロ交差」を定義してもよく、ここで、「ゼロ交差」はオフセットを提供してもよい。例えば、評価装置が、指定された閾値を介してセンサ信号の交差の時点に関する情報を残りの２つのサンプリング時間（例えば、第１のサンプリング時間および第３のサンプリング時間）と組み合わせる場合、評価装置は、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値および最小値に対応するかどうかを迅速かつ容易に検証するか、または識別することができる。このように、サンプリング時間は、評価装置によって非常に正確に決定されてもよく、その結果、評価装置による非常に精密なガス分析が可能となる。

【0055】

一実施形態によれば、評価装置は、第2のサンプリング時間における第2のサンプル値が、第1のサンプリング時間における第1のサンプル値および第3のサンプリング時間における第3のサンプル値の平均値と等しいかどうかを検証し、検証に依存して、第1のサンプル値および第3のサンプル値がサンプル信号の最大値および/または最小値を構成するかどうかを識別するように構成されていてもよい。一実施形態によれば、第2のサンプル値は、第1のサンプル値と第3のサンプル値との間の差の±0.5％、±1％、または±5％までの許容範囲で平均値から逸脱してもよい。この機能により、第1サンプル値と第3サンプル値がセンサ信号の最大値または最小値に対応しているかどうかを、第2サンプリング時間の助けを借りて評価装置が識別することができます。したがって、第１のサンプル値、第２のサンプル値、および第３のサンプル値を決定する際に、評価装置の可能性のあるエラーが低減され、非常に精密なガス分析が実行される可能性がある。

【0056】

一実施形態によれば、評価装置は、好ましくは５０％のデューティサイクルを有する周期的な方形波信号または定義されたパワーを有するインパルスをヒータに印加するように構成されてもよい。あるいは、デューティサイクルは、５～５０％の範囲であってもよい。ここで、例えば、±１％、±２％、または±５％のデューティサイクルの許容範囲が可能である。一実施形態によれば、評価装置は、ヒータの加熱電力を適応させるために、ヒータの固定動作電圧でデューティサイクルを変更するように構成されてもよい。これにより、評価装置は、デューティサイクルを介して非常に精密なヒータ信号を決定してもよく、ガスは、ヒータ信号に対応する少なくとも１つのセンサ信号のサンプリング時間を決定することによって非常に精密に測定されてもよい（したがって、ヒータ信号は、ガスを介して検出器に搬送され、例えば、センサ信号として検出器によって検出される）。

【0057】

一実施形態によれば、評価装置は、アナログ・デジタル変換器の入力信号を得るために、検出器の少なくとも１つからのセンサ信号をデジタル・アナログ変換器によって生成されたオフセット信号と結合し、センサ信号の全期間中にアナログ・デジタル変換器の入力信号が所定の範囲（例えば、値の範囲）内に留まることを達成するために、オフセット信号を調整するように構成されてもよい。さらに、評価装置は、オフセット信号を調整した後にサンプリング時間を調整し、サンプリング時間の変更後に、変更されたサンプリング時間の設定で得られたサンプル値がまだ指定された範囲内にあるかどうかの検証を再び実行するように構成されてもよい。例えば、アナログ・デジタル変換器は、サンプリング時間に存在する信号値をデジタル化し、したがって、センサ信号をサンプリングする。例えば、評価手段は、アナログ・デジタル変換器の入力値が、アナログ・デジタル変換器の最大処理可能な入力値の所定の上限閾値（例えば、９５％、９０％、または８５％）を超えることを検出することへの反応として、またはアナログ・デジタル変換器の入力値が、所定の下限閾値（例えば、アナログ・デジタル変換器の最大処理可能な入力値の５％、１０％、または１５％）を下回ることを検出することへの反応として、オフセット信号を調整してもよい。例えば、オフセット信号を調整した後のサンプリング時間を追跡する文脈で、サンプリング時間を調整してもよい。例えば、オフセット信号を使用することにより、センサ信号とオフセット信号とを合成した入力信号が所定の範囲内に留まることを達成してもよく、ここで、所定の範囲は、例えば、捕捉され得るアナログ・デジタル・コンバータの限界（例えば、アナログ・デジタル・コンバータの動作範囲）として定義されてもよい。例えば、オフセット信号は、センサ信号を増幅または減少させてもよく、したがって、アナログ・デジタル変換器の最適な動作範囲または動作ウィンドウ（例えば、指定された範囲内）で連続的に同じ（例えば、全期間中）を維持してもよい。

【0058】

アナログ・デジタル変換器の入力信号がセンサ信号の全期間中に残るべき所定の範囲は、センサ信号の振幅とセンサ信号のオフセットのための所定の範囲を定義してもよい。したがって、例えば、オフセット信号は、センサ信号のオフセットをアナログ・デジタル変換器の所定の範囲にもたらすだけでなく、入力信号が振幅に関して所定の範囲の大部分を採用する振幅を構成するように、センサ信号の振幅を制御してもよい。評価装置がサンプリング時間を変更した場合、サンプリング時間は、得られたサンプル値（またはアナログ／デジタル変換器の入力値）で再度検証される。例えば、得られたサンプル値が位置する所定の範囲は、所定の下限閾値と所定の上限閾値との間であってもよい。任意で、評価装置は、必要に応じて、得られたサンプル値を再度検証した後に、オフセット信号および／またはヒータの加熱電力を再調整するように構成されていてもよい。このように、評価装置は、センサ信号がオフセット信号で変換されて、例えば、アナログ・デジタル変換器の最適動作範囲（所定の範囲）を採用してもよい入力信号に変換されるので、センサ信号がアナログ・デジタル変換器によって非常に正確に分析されてもよいことを可能にする。これにより、評価装置を用いて非常に精密なガス分析を行うことが可能となる。

【0059】

一実施形態によれば、評価装置は、少なくとも１つの検出器からの少なくとも１つのセンサ信号に依存してヒータに印加される加熱電力を制御して、少なくとも１つのセンサ信号を所定の値の範囲に近づけるように構成されてもよい。さらに、評価装置は、センサ信号からガス濃度に関する情報を導出する際に、加熱電力に関する情報（例えば、Ｈｚ.Uss）を考慮するように構成されていてもよい。例えば、評価装置は、センサ信号の振幅を所定の値範囲に持ってくるように加熱パワーを制御するように構成されてもよい。ここで、振幅は、センサ信号の最小値および／または最大値、または最大値と最小値との差であってもよい。例えば、センサ信号が非常に低い振幅を有する場合、検出器によって検出されたセンサ信号が、少なくとも所定値範囲の少なくとも全体をほぼカバーする振幅を構成するように、評価装置によってヒータに加熱電力が印加されてもよい。例えば、所定値範囲は、センサ信号が評価装置によって処理されるアナログ・デジタル変換器の動作範囲を構成してもよい。従って、例えば、評価装置は、少なくとも１つのセンサ信号がアナログ・デジタル変換器の動作範囲の少なくとも７０％、７５％、または８０％を採用するように、ヒータに加熱電力を適用してもよい。評価装置は、加熱電力に関する情報に依存して、センサ信号に関する情報に依存して、ガス濃度に関する情報および／またはセンサ信号の熱拡散率に関する情報を決定するように構成されてもよい。例えば、加熱電力に関する情報は、加熱電力の振幅、加熱電力の位相、および／または加熱電力のオフセットを定義してもよい。例えば、センサ信号に関する情報は、センサ信号の振幅、センサ信号の位相、および／またはセンサ信号のオフセットを定義してもよい。このように、ガスは、評価装置を用いて非常に精密に分析されてもよい。

【0060】

一実施形態では、少なくとも１つのヒータと、ヒータに対して異なる距離に配置された２つの検出器とを有する熱ガスセンサを動作させるための方法が提供される。方法は、指定された期間の持続時間を有する周期的な信号をヒータに印加することを含んでもよい。少なくとも１つのセンサ信号は、３つの時点で検出器の１つによってサンプリングされてもよく、ここで、第２のサンプリング時間は、第１のサンプリング時間（すなわち1/4の期間、5/4の期間、または9/4の期間によって）と比較して、期間の持続時間（例えば±2%または±2°）に関して90°だけ時間シフトされていてもよく、第3のサンプリング時間は、第1のサンプリング時間（すなわち、1/2の期間、3/2の期間、または5/2の期間によって）と比較して、期間の持続時間（例えば、±2%または±2°）に関して、180°だけ時間シフトされてもよい。第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間においてセンサ信号をサンプリングすることに基づく３つのサンプル値に基づいて、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値または最小値を構成するかどうかを（例えば、ＤＣオフセットを除いて）特定することができる（例えば、評価装置によって）。センサ信号の最大値および最小値を構成する第１のサンプル値および第３のサンプル値は、例えば、第１のサンプル値が最大値を構成し、第３のサンプル値が最小値を構成することを意味してもよく、または、第１のサンプル値が最小値を構成し、第３のサンプル値が最大値を構成することを意味してもよい（これは、本明細書に記載されているすべての実施形態に適用される）。

【0061】

実施形態は、プログラムがコンピュータ上で実行されるときに方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムに関する。

【図面の簡単な説明】

【0062】

ここに説明される実施例で、いずれの独立請求項の全ての特徴またはそれと同等なものを備えないものはいずれも、本願発明をより容易に理解するためのものである。
本願発明による実施形態は、その後、添付の図面を参照してより詳細に記載される。図示された概略図面に関して、図示された機能ブロックは、本願発明の装置の要素または特徴、および本願発明の方法の対応する方法ステップであると理解され、本願発明の方法の対応する方法ステップがそこから導き出されることがあることに留意されたい。図面では、

【図1A】図１Ａは、本願発明の一実施形態によるガスセンサの概略図である。

【図1B】図１Ｂは、本願発明の一実施形態による熱ガスセンサの評価装置の概略図 である。

【図1C】図１Ｃは、本願発明の一実施形態による、加熱電力の制御を有する熱ガス センサのための評価装置の概略図である。

【図1D】図１Ｄは、本願発明の一実施形態による、３つの時点でのセンサ信号のサ ンプリングを有する熱ガスセンサの評価装置の概略図である。

【図2A】図２Ａは、本願発明の一実施形態による、光学顕微鏡内のガスセンサの概 略図である。

【図2B】図２Ｂは、本願発明の一実施形態による、走査電子顕微鏡内のガスセンサ の概略図である。

【図3】図３は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのためのマイクロブリッジ の走査電子顕微鏡像の断面の概略説明図である。

【図4】図４は、本願発明の一実施形態による、第１の断絶が、第２の断絶のヒータ に垂直な拡がりとは異なる拡がりを有するガスセンサの概略説明図である。

【図5】図５は、本願発明の一実施形態による、第１の断絶領域および第２の断絶領 域のそれぞれが複数の断絶領域を有するガスセンサの概略図である。

【図6A】図６Ａは、本願発明の一実施形態による、第１の断絶領域および第２の断 絶領域のそれぞれが同数の断絶を有するガスセンサの概略図である。

【図6B】図６Ｂは、本願発明の一実施形態による、第１の断絶領域における多数の 断絶と、第２の断絶領域における単一の断絶とを有するガスセンサの概略図である。

【図6C】図６Ｃは、本願発明の一実施形態による、第１の断絶領域における多数の 断絶が、第２の断絶領域における多数の断絶とは異なる拡がりをヒータに対して垂直 に構成する、ガスセンサの概略図である。

【図7】図７は、本願発明の一実施形態によるガスセンサの原理の概略図である。

【図8】図８は、本願発明の一実施形態によるガスセンサにおける熱輸送の概略説明 図である。

【図9】図９は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのヒータ信号、第１のセン サ信号、および第２のセンサ信号の概略説明図である。

【図10】図１０は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのヒータの駆動の概略 説明図である。

【図11】図１１は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのセンサ信号を評価す るための回路の概略説明図である。

【図12】図１２は、本願発明の一実施形態によるガスセンサの制御の概略図である 。

【図13A】図１３Ａは、本願発明の一実施形態によるガスセンサのセンサ信号を分 析する方法のブロック図である。

【図13B】図１３Ｂは、本願発明の一実施形態によるトラッキングサンプリング時 間を有するガスセンサのセンサ信号を評価するための方法のブロック図である。

【図14】図１４は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのヒータ信号と２つの センサ信号との間の位相シフトを示す図である。

【図15】図１５は、本願発明の一実施形態によるガスセンサの少なくとも１つのセ ンサ信号の振幅を示す図である。

【図16】図１６は、本願発明の一実施形態による、圧力の関数としての、ガスセン サの第１のセンサ信号と第２のセンサ信号との間の位相シフトを示す図である。

【図17A】図１７Ａは、本願発明の一実施形態による、周波数の関数としてのガス センサのセンサ信号の位相シフトを示す図である。

【図17B】図１７Ｂは、本願発明の実施形態による、周波数の関数としてのガスセ ンサのセンサ信号の振幅を示す図である。

【図18】図１８は、本願発明の一実施形態による、窒素濃度の関数としてのガスセ ンサの第１のセンサ信号、第２のセンサ信号、およびヒータ信号の位相シフトを示す 図である。

【図19】図１９は、本願発明の一実施形態による、窒素濃度の関数としてのガスセ ンサの第１のセンサ信号および第２のセンサ信号の振幅を示す図である。

【図20】図２０は、本願発明の一実施形態による、さまざまなガス混合物のための ガスセンサの合成信号を示す図である。

【図21】図２１は、本願発明の一実施形態によるＣＯ2濃度の関数としてのガスセ ンサの合成信号を示す図である。

【図22】図２２は、本願発明の一実施形態による、圧力の関数としてのガスセンサ の合成信号を示す図である。

【図23】図２３は、本願発明の一実施形態によるガスセンサのガス圧力とガス温度 の関係を示す図である。

【図24】図２４は、本願発明の一実施形態によるガスセンサの合成信号を生成する 方法のブロック図である。

【図25】図２５は、本願発明の一実施形態によるセンサの合成信号の関数としての 熱拡散率を示す図である。

【図26】図２６は、本願発明の実施形態に従った第１のガス混合物のための加熱期 間中のヒータ内の電流フローの図である。

【図27】図２７は、本願発明の実施形態に従った第２のガス混合物のための加熱期 間中のヒータ内の電流フローの図である。

【図28】図２８は、本願発明の実施形態に従った第３のガス混合物のための加熱期 間中のヒータ内の電流フローの図である。

【図29】図２９は、本願発明の一実施形態に従った異なるガス混合物のための異な る相情報の図である。

【図30】図３０は、本願発明の一実施形態に従った異なるガス混合物のための異な る振幅情報の図である。

【図31】図３１は、本願発明の実施形態に従った異なるガス混合物の合成信号の説 明図である。

【発明を実施するための形態】

【0063】

図面による実施形態の詳細な説明

【0064】

本願発明の実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する前に、異なる実施形態で図示されたこれらの要素の説明が相互に交換可能であるか、または適用可能であるように、同一であるか、機能的に同一であるか、または同じ効果を有する要素、物体、および／または構造が、異なる図面において同一または類似の参照数字で提供されていることに留意されたい。

【0065】

図１は、本願発明の一実施形態によるガスセンサ１００の概略図である。ガスセンサ１００は、膜１１０（例えば、薄層膜）と、発熱体１２０と、第１の感熱素子構造１３０と、第２の感熱素子構造１４０とから構成されてもよい。任意で、ガスセンサは、第１の感熱素子構造１３０または第２の感熱素子構造１４０のみから構成されてもよい。膜１１０は、フレーム１５０によって延在し、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０を構成してもよい。膜１１０の第１の断絶領域１６０は、少なくとも１つの断絶１６２を構成してもよく、膜１１０の第２の断絶領域１７０は、少なくとも１つの断絶１７２を構
成してもよい。例えば、発熱体１２０は、膜１１０の第１の断絶領域１６０と第２の断絶領域１７０との間に、膜１１０上に自立するブリッジ構造として配置されていてもよい。第１の感熱素子構造体１３０は、ホットエンド１３２とコールドエンド１３４とから構成されてもよい。第１の感熱素子構造１３０のホットエンド１３２は、発熱体１２０に対向する第１の断絶領域１６０の側の膜１１０上に配置されていてもよい。第２の感熱素子構造１４０は、さらに、ホットエンド１４２およびコールドエンド１４４を含んでいてもよい。ホットエンド１４２は、発熱体１２０に対向する第２の断絶領域１７０の側で膜１１０上に配置されてもよい。

【0066】

【0067】

一実施形態によれば、発熱体１２０（以下では、発熱体１２０をヒータと呼ぶこともある）は、自立ブリッジ構造を形成してもよく、および／またはワイヤを含んでもよい。一実施形態によれば、発熱体１２０は、フレーム１５０の一方の側からフレーム１５０の反対側に広がっていてもよい。例えば、電圧が感熱素子１２０に印加されてもよく、その結果、感熱素子１２０は、例えば、第１の断絶領域１６２および／または第２の断絶領域１７２内に位置する、分析されるべきガスに加熱電力を送信してもよい。例えば、発熱体１２０に印加される電圧は、正弦波信号または周期的な方形波信号のような周期的な電圧信号であってもよい。このように、例えば、発熱体１２０は、周期的なヒータ信号（例えば、加熱電力）を供給してもよい。例えば、ヒータ信号は、膜１１０を介して、および／または、例えば、第１の断絶１６２または第２の断絶１７２に配置されたガスを介して、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０に伝達されてもよい。

【0068】

例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、蛇行状に構成されており、例えば、直列に接続されてサーモパイルを形成する感熱素子に対応してもよい。このように、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、検出器として機能してもよく、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、例えば、ヒータ信号を検出してもよい。

【0069】

一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、膜１１０上に全体的に配置されてもよく、または膜１１０上に少なくとも部分的に配置され、かつフレーム１５０上に少なくとも部分的に配置されてもよい。したがって、例えば、フレーム１５０の温度を比較温度としてもよく（例えば、第１の感熱素子構造体１３０のコールドエンド１３４がここに配置されてもよく、および／または第２の感熱素子構造体１４０のコールドエンド１４４がここに配置されてもよい）、膜１１０上に配置された感熱素子構造体の一部（例えば、ホットエンド１３２，１４２）が測定温度（例えば、ヒータ信号）を検出してもよい。例えば、ホットエンド１３２，１４２とコールドエンド１３４，１４４とは、導体を介して接続されている。したがって、例えば、第１の材料を含む導体は、第１のコールドエンドと第１のホットエンドとを接続してもよく、第
２の材料を含む第２の導体は、第１のホットエンドと第２のコールドエンドとを接続してもよい。第１の導体と第２の導体とのこの接続は、感熱素子、例えば、直列に接続されてサーモパイルを形成してもよく、したがって、例えば、第１の感熱素子構造１３０または第２の感熱素子構造１４０を構成してもよい。したがって、例えば、これらの導体に沿って温度差（例えば、比較温度と測定温度との間の温度差）が生じてもよく、その結果、例えば、金属導体の端部（例えば、ホットエンドおよび／またはコールドエンド）に電圧が誘導されてもよい。したがって、例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、熱を電気エネルギーに変換するように構成されてもよい。一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、ワイヤまたは自己支持ブリッジ構造であってもよい。

【0070】

一実施形態によれば、膜１１０は、膜材料の温度膨張係数および／または熱伝導率がキャリア材料の熱膨張係数および／または熱伝導率から逸脱するように実施されるキャリア材料からなるフレーム１５０によって広げられてもよい。フレーム１５０は、例えば、膜１１０が担持されてもよいキャリア材料または基板材料で構成されてもよい。したがって、例えば、フレーム１５０に比較温度が設定されてもよい。一実施形態によれば、フレーム１５０および膜１１０はまた、同じ熱膨張係数を有していてもよい。

【0071】

一実施形態によれば、膜１１０は、フレーム１５０よりも低い熱伝導率を有していてもよい。この場合、例えば、膜１１０は、膜１１０を介してではなく、主に分析対象ガス（例えば、第１の断絶１６２および／または第２の断絶１７２に配置されている）を介して、発熱体１２０から第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０にヒータ信号が伝達されるように、特に非常に低い熱伝導率を有することが好ましい。したがって、例えば、膜１１０を介した熱輸送は、抑制されてもよいし、低減されてもよいし、または減速されてもよい。

【0072】

したがって、膜１１０は、発熱体１２０から第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０への寄生熱伝導を抑制するように構成されてもよい。したがって、例えば、膜１１０の熱伝導率は、発熱体１２０から膜１１０を介して第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０に熱がほとんど伝導されず、熱の大部分または全熱が分析対象ガスを介して伝導されるように選択されてもよい。

【0073】

【0074】

このように、一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０のコールドエンドおよび第２の感熱素子構造１４０のコールドエンドは、フレーム１５０のキャリア材料上に配置されてもよい。例えば、それらは、膜１１０がキャリア材料によって運ばれる場所に配置される。

【0075】

一実施形態によれば、膜１１０の第１の断絶領域１６０は、その長手方向の拡がり１６４が第１の感熱素子構造１３０と発熱体１２０との間の領域を完全に覆うのに十分な大き
さを有する連続的断絶領域１６２を含んでいてもよい。膜１１０の第２の断絶領域１７０は、その長手方向の拡がり１７４が、第２の感熱素子構造１４０と発熱体１２０との間の領域を完全に覆うのに十分に大きい連続的断絶領域１７２を構成してもよい。したがって、例えば、長手方向の拡がり１６４，１７４は、発熱体１２０の全長と同じくらいの大きさ、および／または少なくとも第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０の全長と同じくらいの大きさである。したがって、これにより、発熱体１２０から膜１１０を介して第１の感熱素子構造１３０または第２の感熱素子構造１４０に可能な限り少ない熱を伝達することが可能になるが、大部分は、第１の断絶領域１６０の第１の断絶１６２および／または第２の断絶領域１７０の第２の断絶１７２の中のガスを介して伝達される。

【0076】

一実施形態によれば、第１の断絶領域１６０の少なくとも１つの断絶１６２の横方向の拡がり１６６は、第２の断絶領域１７０の少なくとも１つの断絶１７２の横方向の拡がり１７６とは異なっていてもよい。例えば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２のそれぞれの横方向の拡がり１６６，１７６は、発熱体１２０の最大拡がりの方向に垂直な方向に、または発熱体１２０からそれぞれの感熱素子構造（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０）に向かう方向に向けられてもよい。例えば、図１Ａによれば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２は、同じ横方向の拡がり１６６，１７６を構成する。

【0077】

一実施形態によれば、第１の断絶１６２は、第１の断絶１６２が第１の断絶領域１６０の拡張に対応するように、縦方向の拡がり１６４および横方向の拡がり１６６を構成してもよい。同様に、例えば、第２の断絶１７２は、第２の断絶１７２が第２の断絶領域１７０の拡がりに対応するように、縦方向の拡がり１７４および横方向の拡がり１７６を構成してもよい。したがって、例えば、第１の断絶領域１６０の全体が第１の断絶１６２を構成してもよく、第２の断絶領域１７０の全体が第２の断絶１７２を構成してもよい。

【0078】

任意で、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０のコールドエンド１３４、１４４の側では、膜１１０は、第３および／または第４の断絶領域を構成してもよい。したがって、例えば、第１の感熱素子構造１３０は、第１の断絶領域１６０と第３の断絶領域との間に、ワイヤの形態で、または自己支持ブリッジ構造として配置されてもよく、および／または、第２の感熱素子構造１４０は、例えば、第２の断絶領域１７０と第４の断絶領域との間に、ワイヤの形態で、または自己支持ブリッジ構造として配置されてもよい。このように、例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０は、分析対象のガスによって２面から囲まれていてもよい。

【0079】

一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０は、第２の感熱素子構造１４０とは異なる発熱体１２０までの距離を有してもよい。例えば、図１Ａでは、第１の感熱素子構造１３０は、第２の感熱素子構造１４０と同様に、発熱体１２０までの距離を構成する。加熱要素１２０から第１の断絶１６２を介して第１の感熱素子構造体１３０へ、および／または感熱素子１２０から第２の断絶１７２を介して第２の感熱素子構造体１４０へ、感熱素子から第１の断絶１６２および／または第２の断絶１７２に配置された分析対象ガスへ、およびガスから第１の感熱素子構造体１３０および／または第２の感熱素子構造体１４０への未知の熱移動が発生する可能性がある。例えば、第１の感熱素子構造１３０によって検出される発熱体１２０からの発熱信号を第１のセンサ信号と称してもよく、第２の感熱素子構造１４０によって検出される発熱体１２０からの発熱信号を第２のセンサ信号と称してもよく、例えば、第２の感熱素子構造１４０によって検出される発熱体１２０からの発熱信号を第２のセンサ信号と称してもよい。

【0080】

例えば、第１のセンサ信号および／または第２のセンサ信号は、２つの未知の熱遷移（
例えば、発熱体→ガス、ガス→感熱素子構造）と、解析対象のガスを介した熱伝達とから構成されてもよい。第１の感熱素子構造１３０が第２の感熱素子構造１４０とは異なる間隔で発熱体１２０から離れている場合、例えば、未知の熱遷移（第１のセンサ信号および第２のセンサ信号は同じ熱遷移を含み得る）を差し引くことができ、したがって、差信号は、加熱要素１２０から加熱要素１２０への熱伝達のみを含むか、または大部分への熱伝達を含み、分析されるガスを介したそれぞれの感熱素子構造130、140は、未知の熱伝達を含まないか、または非常に小さな部分にのみ含む。

【0081】

一実施形態によれば、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０は、（例えば、膜材料１１０の残存によって）複数の断絶が感熱素子１２０に対して平行に列をなして配置されるグリッド構造が形成される（例えば、第１の断絶領域１６０または第２の断絶領域１７０において）ように配置できる、複数の断絶（例えば、断絶１６２および断絶１６２₁、または断絶１７２および断絶１７２₁）を構成してもよく、列は、互いにオフセットするように配置される。この場合、断絶領域１６０，１７０内の断絶は、縦方向の拡がり１６４，１７４および横方向の拡がり１６６，１７６に関して互いに異なっていてもよい。例えば、図１Ａによれば、第１の断絶領域１６０の断絶１６２₁は、断絶１６２の長手方向の拡がり１６４よりも短い長手方向の拡がりを構成する。同様に、第２の断絶領域１７０の断絶１７２₁は、断絶１７２の長手方向の拡がり１７４よりも短い長手方向の拡がりを構成してもよい。

【0082】

一実施形態によれば、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０は、膜１１０による熱伝導の経路が直接経路１２２ａ，１２２ｂよりも長いグリッド構造が形成されるように配置される複数の断絶を有してもよい。例えば、直接経路１２２ａ，１２２ｂは、発熱体１２０から感熱素子構造体１３０，１４０に至る、発熱体１２０に垂直な直線経路であってもよい。この場合、直接経路１２２ａ，１２２ｂは、断絶１６２，１６２₁および断絶１７２，１７２₁をそれぞれ通過してもよく、その結果、分析対象ガスによる熱伝導が第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０によって感知されてもよい。直接経路１２２ａ，１２２ｂが膜１１０を介してのみ行われ、分析されるべきガスを介して行われない場合、ガスセンサ１００は、ガスの意味のある分析を確実に行うことができない可能性がある。

【0083】

一実施形態によれば、少なくとも１つの断絶１６２，１７２は、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０において、任意に丸みを帯びた角を有する長方形の切り欠きを形成してもよい。この場合、それは、例えば、長手方向の穴である。また、例えば、楕円形の穴であってもよい。また、図１Ａでは、第１の断絶領域１６０の断絶１６２及び第２の断絶領域１７０の断絶１７２を長方形の断絶（穴）として図示しているが、断絶は、どのような形状（例えば、三角形、円形、正方形、多角形等）で構成されていてもよい。断絶１６２，１７２の形状は、発熱体から膜１１０を介して第１の感熱素子構造体１３０および／または第２の感熱素子構造体１４０に至る熱経路が可能な限り長く、分析対象ガスを介した経路が非常に長い経路を構成するように適合されてもよい。このように、これにより、膜１１０を介さずに、分析されるべきガスを介して可能な限り多くの熱を輸送することが可能となり、その結果、ガスセンサ１００は、ガスを非常に正確に分析することができる。

【0084】

一実施形態によれば、少なくとも１つの断絶１６２，１７２は、幅方向の長さの少なくとも３倍の長さを有していてもよい。したがって、例えば、断絶１６２の長手方向の拡がり１６４は、横方向の拡がり１６６よりも３倍長くてもよく、または、断絶１７２の長手方向の拡がり１７４は、横方向の拡がり１７６よりも３倍長くてもよい。このように、例えば、長さが長手方向の拡がり１６４，１７４を構成し、幅が横方向の拡がり１６６，１７６を構成する。例えば、長さは、発熱体１２０に平行な方向（または発熱体１２０の最
大拡がり方向）として定義されてもよく、幅は、発熱体１２０に垂直な方向（または発熱体１２０の最大拡がり方向）として定義されてもよい。

【0085】

一実施形態によれば、第１の断絶領域１６０内の複数の断絶１６２，１６２₁間の距離１６８と、第２の断絶領域１７０内の複数の断絶１７２，１７２₁間の距離１７８は、機械的に耐久性のあるグリッド構造をもたらす最小の実現可能な構造幅に対応してもよい。距離１６８，１７８は、２つの断絶の間のリッジの幅を規定してもよく、膜１１０の膜材料からなる。距離１６８，１７８が小さいほど、発熱体１２０から第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０に膜１１０を介して熱が伝達される量が少なくなり、分析対象のガスを介して熱が伝達される量が多くなる。

【0086】

一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０は、保護層で不動態化されてもよい。保護層は、分析対象のガスによる損傷から第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０を保護してもよく、したがって、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０の損傷に起因するガス分析におけるガスセンサの不正確さの可能性を回避してもよい。

【0087】

一実施形態によれば、第1の感熱素子構造のホットエンド１３２は、膜１１０の第１の断絶領域１６０の端部まで達してもよく、第２の感熱素子構造１４０のホットエンド１４２は、膜１１０の第２の断絶領域１７０の端部まで達してもよい。例えば、ホットエンド１３２と第１の断絶領域１６０との間の距離、またはホットエンド１４２と第２の断絶領域１７０との間の距離は０．５ｍｍ、１００ｎｍ、または１０μｍよりも大きくないことが好ましい。例えば、断絶１６２または断絶１４２がこの端部まで達している場合、膜１１０は、それぞれのホットエンドとそれぞれの断絶との間の距離が非常に小さいだけである。これにより、膜１１０の膜材料は、第１の感熱素子構造１３０または第２の感熱素子構造１４０によるヒータ信号の検出を妨げないか、またはわずかにしか妨げないことが可能となり、その結果、ガスセンサ１００は、ガスを非常に正確に分析することができる。

【0088】

図１Ｂは、少なくとも１つのヒータ１２０と、ヒータ１２０に対して異なる距離１８０₁および１８０₂で配置された２つの検出器（第１の検出器１３０および第２の検出器１４０）とを有する熱ガスセンサ１００の、本願発明では評価手段とも称される評価装置２００の概略図である。第１の検出器１３０は、距離１８０₁でヒータ１２０から離れて配置されてもよく、第２の検出器１４０は、距離１８０₂でヒータ１２０から離れて配置されてもよい。評価装置２００は、第１の検出器１３０の検出器信号の振幅についての情報２１０と、第２の検出器１４０の検出器信号の振幅についての情報２２０と、ヒータ信号と第１の検出器１３０の検出器信号との間の第１の位相差についての情報２１０と、ヒータ信号と第２の検出器１４０の検出器信号との間の第２の位相差についての情報２２０とを取得するように実施されてもよい。

【0089】

一実施形態によれば、情報２１０は、第１の検出器１３０の検出器信号の振幅に加えて、ヒータ信号と第１の検出器１３０の検出器信号との間の第１の位相差を含んでもよく、情報２２０は、第２の検出器１４０の検出器信号の振幅に加えて、ヒータ信号と第２の検出器１４０の検出器信号との間の第２の位相差を含んでもよい。しかしながら、それぞれの検出器（第１の検出器１３０および／または第２の検出器１４０）の検出器信号の振幅が、第１の位相差および第２の位相差とは別個に、熱ガスセンサから評価装置に送信されることも可能である。一実施形態によれば、情報２１０および情報２２０は、評価装置２００に別個の回線を介して送信されるのではなく、例えば相互回線または無線を介して送信されることも可能である。

【0090】

一実施形態によれば、評価装置２００は、検出器信号の振幅についての情報２１０、２２０に依存し、第１の位相差および第２の位相差についての情報２１０、２２０に依存する中間量としての合成信号２３０を形成するように実施されてもよい。合成信号２３０は、第１の検出器１３０の検出器信号及び第２の検出器１４０の検出器信号の振幅情報と位相情報とを組み合わせてもよい。評価装置２００は、合成信号２３０に基づいて、ガスの濃度またはガスまたはガス混合物としての流体の熱拡散率に関する情報２４０を決定するように実装されてもよい。例えば、評価装置２００は、計算のさらなるプロセスにおいて、合成信号２３０に組み込まれた個々の情報２１０，２２０を個別に再検討することなく、この決定を実行してもよい。

【0091】

例えば、検出器信号の振幅は、それぞれの検出器１３０，１４０によって情報２１０，２２０として直接提供されてもよい。ヒータ信号１２２と各検出器１３０，１４０の検出器信号との間の第１の位相差および第２の位相差に関する情報２１０，２２０は、熱ガスセンサ１００によって決定され、例えば、評価装置２００に送信されてもよい。

【0092】

あるいは、第１の検出器１３０の検出器信号および第２の検出器１４０の検出器信号は、それぞれ情報２１０および情報２２０を介して評価装置２００に送信されてもよく、ヒータ信号１２２は、評価装置２００に直接追加的に送信されてもよい。この場合、評価装置は、第１の検出器１３０の検出器信号と第２の検出器１４０の検出器信号とからそれぞれの振幅を決定し、このように決定された情報に依存して合成信号２３０を形成するために第１の位相差と第２の位相差とを決定するように構成されてもよい。

【0093】

評価装置２００が合成信号２３０を形成するという事実のために、評価装置２００は、評価装置２００が、第１の検出器１３０の検出器信号の振幅および第１の位相差に関する情報２１０と、第２の検出器１４０の検出器信号の振幅および第２の位相差に関する情報２２０とを別々に修正する場合と同様に、ガス濃度および熱拡散率に関する情報２４０を得るための熱ガスセンサ１００の可能なエラーを容易に、かつ、はるかに迅速に修正することができる。このように、合成信号２３０は、解析対象のガスの濃度や熱拡散率に関する情報２４０の決定を容易にすることができ、熱ガスセンサ１００で発生する誤差を抑制または低減することが可能となる。

【0094】

一実施形態によれば、評価装置２００は、ヒータ信号１２２からヒータ振幅に関する情報、例えば加熱電力に関する情報を取得し、合成信号２３０を得るために、ヒータ振幅に関する情報、情報２１０および情報２２０の線形結合を形成するように構成されてもよい。

【0095】

代替的に、評価装置２００は、ヒータ信号１２２からヒータ振幅に関する情報を取得するだけでなく、上述したように、例えば、情報２１０が第１の検出器１３０の検出器信号を含み、情報２２０が第２の検出器１４０の検出器信号を含む場合、第１の位相差および第２の位相差に関する情報を計算してもよい。

【0096】

このように、第１の位相差および第２の位相差の形で合成信号２３０に組み込まれるのは、ヒータ信号の位相だけではなく、ヒータの振幅でもあり、これにより、評価装置２００は、ヒータ１２０からの２つの検出器の第１の距離１８０₁および第２の距離１８０₂に依存して、分析されるべきガスの濃度および熱拡散率に関する情報２４０を決定することが可能である。したがって、例えば、第１の検出器１３０の検出信号は、ヒータ１２０に対する第２の検出器１４０の距離１８０₂が、ヒータ１２０に対する第１の検出器１３０の距離１８０₁よりも大きいので、第２の検出器１４０の検出信号よりも大きな振幅を構成する。ヒータ１２０までの距離が増加すると、それぞれの検出器１３０，１４０によって検出されるヒータの振幅が減少する可能性がある。ヒータ振幅に関する追加の情報のために、評価装置２００は、したがって、ヒータ信号１２２のヒータ振幅を基準とみなしてもよく、合成信号２３０は相対振幅信号を構成してもよいので、ガス濃度および熱拡散率
に関する情報２４０をさらに正確に決定してもよい。例えば、相対振幅信号は、絶対振幅信号よりも誤差が少ない。

【0097】

【0098】

【0099】

【0100】

一実施形態によれば、評価装置２００は、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を得るために、合成信号２３０の多項式に補正項を乗算するように実装されてもよい。合成信号２３０の補正項は、圧力に関する情報に依存してもよく、温度に関する情報に依存してもよく、例えば、圧力依存性および温度依存性を補正してもよい。換言すれば、補正項は、合成信号２３０からの圧力ドリフトおよび／または温度ドリフトを補償し
てもよい。したがって、熱ガスセンサ１００によって検出された信号の評価装置２００による誤った解釈の可能性が低減されるかもしれない。

【0101】

【0102】

【0103】

一実施形態によれば、評価装置２００は、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を決定する際に、熱ガスセンサ１００の周辺領域の圧力および／または温度を考慮するように実装されてもよい。この目的のために、例えば、熱ガスセンサ１００は、圧力センサおよび温度センサで構成されていてもよく、これらのセンサは、圧力および／または周辺領域の温度を検出し、評価装置２００に送信してもよい。したがって、例えば、評価装置２００は、熱ガスセンサ１００の周辺領域における異なる圧力条件および／または温度条件に起因するガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０の不正確な計算の可能性を考慮し、修正してもよい。このように、評価装置２００は、熱ガスセンサ１００の周辺領域の圧力および／または温度に反応して、それに応じて、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を非常に正確に決定してもよい。

【0104】

本願発明の一実施形態によれば、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を決定する際に、評価装置２００は、ドリフト補正の結果としてのガス濃度および／または熱拡散率に関する情報を得るために、合成信号２３０、熱ガスセンサ１００の周辺領域の温度に関する情報、および熱ガスセンサ１００の周辺領域の圧力に関する情報をドリフト補正の入力量として使用するように実装されてもよい。このように、例えば、ガス濃度及び／又は熱拡散率に関する情報２４０を得るために、温度及び圧力に関する情報に依存した合成信号に対してドリフト補正を行ってもよい。例えば、記載された３つの入力変数（合成信号、温度に関する情報、および圧力に関する情報）とは別に、ドリフト補正は、それ以上の変数を取得せず、以前に取得された定数、例えば、較正との関連で決定された定数のみを使用してもよい。この場合、定数は、使用される熱ガスセンサ１００に固有のものであってもよい。このように、評価装置２００は、非常に正確な結果（情報２４０）を得るために、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を計算する際に、熱ガスセンサ１００間の小さな違いを考慮するように実装されてもよい。例えば、ドリフト補正は、温度ドリフトおよび／または圧力ドリフトを補正してもよい。

【0105】

図１Ｃは、少なくとも１つのヒータ１２０と２つの検出器（第１の検出器１３０および第２の検出器１４０）とを有する熱ガスセンサ１００の評価装置２００の概略図である。第１の検出器１３０は、ヒータ１２０に対する第１の距離１８０₁を有してもよく、第２の検出器１４０は、ヒータ１２０に対する第２の距離１８０₂を有してもよい。図１Ｃによれば、第１の検出器１３０および第２の検出器１４０は、ヒータ１２０に対する距離１８０₁，１８０₂が同じであるように構成されている。しかしながら、第１の距離１８０₁が第２の距離１８０₂と異なることもあり得る。したがって、例えば、第１の検出器１３０は、第２の検出器１４０とは異なる距離でヒータ１２０に配置されてもよい。評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０を所定値の範囲に収めるために、少なくとも１つの検出器（例えば、第１の検出器１３０および／または第２の検出器１４０）からの少なくとも１つのセンサ信号（例えば、第１のセンサ信号２１０および／または第２のセンサ信号２２０）に依存して、ヒータ１２０に印加され得る加熱電力を制御するように（例えば、加熱電力を制御するための制御ユニット２５０を使用して）構成されていてもよい。

【0106】

例えば、評価装置によって少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０を分析および／またはさらに進行させるために、評価装置２００によって少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０を所定値の範囲に収めると有利である。例えば、加熱電力が増加する場合、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の振幅または周波数もまた、例えば増加してもよい。例えば、これは、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０が小さすぎて、所定値範囲が大きすぎる場合に、評価装置２００によって実行されてもよい。このように、新しいセンサ信号２１０，２２０は、制御装置２５０による加熱電力の制御の後に、所定値範囲を埋めてもよいし、所定値範囲内に位置してもよい。例えば、所定値範囲は、使用される評価装置２００の構成要素、例えばアナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）に依存してもよい。したがって、例えば、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０がＡＤＣに適合された所定値範囲（例えば、ＡＤＣ動作範囲）に適合されている場合、ＡＤＣは、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０を非常に効率的に処理することがさらに可能である。

【0107】

評価装置２００は、ヒータ１２０の加熱電力が低減されるように制御ユニット２５０でヒータ１２０の加熱電力を制御するように実施されてもよい。これにより、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０も低減されてもよい。例えば、これは、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０が所定の値範囲を超える場合、すなわち大きすぎる場合に有利であり得る。評価装置２００が、制御ユニット２５０によってヒータ１２０の加熱電力を制御するように実装されているという事実のために、評価装置２００の例示的な構成要素、例えばＡＤＣによって少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０をさらに処理するときに、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の情報が失われないか、または少ししか失われないことがあり得る。

【0108】

一実施形態によれば、評価装置２００の制御ユニット２５０は、ヒータ１２０の加熱電力を制御するための制御信号２５２をヒータ１２０に送信してもよい。さらに、制御ユニット２５０は、ヒータ１２０の制御された加熱電力についての情報１２２を評価装置２００に提供してもよい。

【0109】

評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０からガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を導出する際に、加熱力に関する情報１２２を考慮するように構成されていてもよい。このように、制御装置２５０は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０が加熱電力に依存するので、センサ信号２１０，２２０を所定の値範囲に収め、分析において加熱電力に関する情報１２２を追加的に考慮するように構成されていてもよい。さらに、この評価装置２００は、１つのセンサ信号、例えば第１のセンサ信号２１０または第２のセンサ信号２２０が、ガス濃度および／またはガスまたは流体（例えばガスまたはガス混合物）の熱拡散率に関する情報２４０を一定の精度で導出するのに十分であってもよいことを可能にする。第１のセンサ信号２１０および第２のセンサ信号２２０、ならびに加熱電力１２２が情報２４０を導出するために使用される場合、情報２４０の決定は過剰に決定され、その結果、情報２４０は評価装置２００によって非常に正確に決定されてもよい。例えば、ヒータ１２０に対する第１の検出器１３０の第１の距離１８０₁が第２の検出器１４０の第２の距離１８０₂と異なる場合、ガス濃度および／またはガスの熱拡散率に関する情報２４０は、ヒータ１２０の加熱電力に関する情報１２２を使用せずに、第１のセンサ信号２１０および第２のセンサ信号２２０から導出されるだけであってもよい。

【0110】

一実施形態によれば、評価装置２００はまた、制御ユニット２５０からではなく、熱ガスセンサ１００から加熱電力に関する情報１２２を取得してもよい。

【0111】

一実施形態によれば、評価装置２００は、周期的な信号（例えば、制御信号２５２）をヒータ１２０に適用するように実装されてもよい。例えば、周期的な信号は、周期的な方形波信号または正弦波信号であってもよい。制御信号２５２、したがってヒータ１２０によって分析されるべきガスに放散される熱が周期的な信号である場合、第１の検出器１３０によって検出される第１のセンサ信号２１０および第２の検出器１４０によって検出される第２のセンサ信号２２０もまた、周期的な信号であってもよい。しかしながら、第１の距離１８０₁および第２の距離１８０₂により、第１のセンサ信号２１０および／または第２のセンサ信号２２０は、ヒータ１２０の周期的な信号に関して位相が異なっていてもよく、ヒータ１２０の周期的な信号に関して振幅が異なっていてもよい。例えば、評価装置２００は、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を非常に正確に決定するために、これらの相違点を使用してもよい。

【0112】

一実施形態によれば、評価装置２００は、（例えば、制御信号２５２によって）ヒータ１２０に印加される加熱電力を２つの値の間で切り替えるように構成されてもよい。このように、例えば、周期的な方形波信号がヒータ１２０に適用されてもよい。このように、例えば、ヒータ１２０は、第１の加熱電力と第２の加熱電力とを交互に分析対象ガスに伝達してもよい。

【0113】

一実施形態によれば、評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最小値および少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最大値が所定値の範囲内にあるように、加熱電力の振幅を制御するように（例えば、制御ユニット２５０で）実施されてもよい。例えば、制御信号２５２によってヒータ１２０の加熱電力の振幅が増加した場合、例えば、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最小値が減少し、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最大値が増加するようにしてもよい。例えば、制御信号２５２によって加熱電力の振幅が減少した場合、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最小値が増加してもよく、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最大値が減少してもよい。

【0114】

一実施形態によれば、所定の値範囲は、評価装置２００のＡＤＣなどのコンポーネントの値範囲に依存してもよい。したがって、例えば、所定値範囲は、コンポーネントの値範
囲（例えば、評価装置２００のコンポーネントの値範囲）に依存して決定されてもよい。したがって、例えば、所定値範囲は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最小値が、例えば、成分値範囲の０％～３０％、１％～２５％、または２％～２０％の範囲にあること、および少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の最大値が、成分値範囲の７０％～１００％、７５％～９９％、または８０％～９８％の範囲にあることを規定してもよい。このように、例えば、所定値範囲は、最小値が位置する下位値範囲と、最大値が位置する上位値範囲とから構成されていてもよい。

【0115】

一実施形態によれば、評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０の振幅が所定の振幅範囲内にあるような加熱電力の振幅を（例えば、制御装置２５０で）設定または調整するように実装されてもよい。例えば、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０が周期的な正弦波信号からなる場合、その振幅は、センサ信号の各時点で所定の振幅範囲内にあることが好ましい。ここで、少なくとも１つのセンサ信号の振幅は、完全に指定された振幅範囲を利用すべきである。例えば、指定された振幅範囲は、上振幅範囲、中央振幅範囲、および下振幅範囲に圧縮／分割されてもよい。少なくとも１つのセンサ信号の振幅が利用する指定振幅範囲は、例えば、少なくとも１つのセンサ信号の最大振幅が上側の範囲にあり、最小振幅が下側の範囲にあることが望ましい。また、所定の振幅範囲は、例えば、成分範囲に依存してもよい。このように、例えば、所定の振幅範囲は、少なくとも１つのセンサ信号の振幅が、例えば、アナログ-デジタル変換器の成分値範囲の少なくとも５０％、または少なくとも６５％、または少なくとも７５％を利用するように決定されてもよい。

【0116】

一実施形態によれば、評価装置２００は、センサ信号２１０、２２０がサンプリングされるサンプリング時間を設定または調整するように構成されてもよい。例えば、センサ信号２１０，２２０は、任意で、評価装置２００または熱ガスセンサ１００によって前処理されてもよく、および／またはＤＣオフセットで適用されてもよい。一実施形態によれば、センサ信号２１０，２２０が、最大振幅のある時点でサンプリングされ、最小振幅のある時点でサンプリングされると有利であり得る。例えば、これら２つのサンプリング時間は、評価装置２００が、サンプリング時間が誤って選択されていると評価装置２００が判断した場合に、評価装置２００によって設定または再調整されてもよい。サンプリング時間を正確に設定することによって、例えば、評価装置は、第１のセンサ信号２１０とヒータ信号（例えば、ヒータ１２０によって放出され、制御信号２５２によって制御される）との間、または第２のセンサ２２０とヒータ信号との間の位相差または振幅差を非常に簡単に決定することが可能であってもよい。非常に正確な位相差および／または振幅差によって、評価装置２００は、分析されるべきガスのガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を非常に正確に決定するか、または導出することができる。

【0117】

一実施形態によれば、評価装置２００は、センサ信号２１０，２２０が最大値に達する時点で、サンプリングが、例えば、±２°までの位相差で行われ、センサ信号２１０，２２０が最小値に達する時点で、サンプリングが、例えば、±２°までの位相差で行われるように、サンプリング時間を設定するように実装されてもよい。例えば、最大値は、センサ信号２１０，２２０の最大振幅を定義してもよく、最小値は、上述したように、センサ信号２１０，２２０の最小振幅を定義してもよい。

【0118】

一実施形態によれば、評価手段２００は、アナログ・デジタル変換器の入力信号を得るために、検出器１３０，１４０の少なくとも１つからのセンサ信号２１０，２２０を、デジタル・アナログ変換器によって生成されたオフセット信号と結合するように実装されてもよい。評価手段２００は、アナログ・デジタル変換器の入力信号がセンサ信号２１０，２２０の合計期間中に所定の範囲内に留まることを達成するために、オフセット信号を調整するために実装されてもよい。したがって、例えば、オフセット信号は、アナログ・デ
ジタル変換器の成分値範囲内にある入力信号が生成されるように、センサ信号２１０，２２０を適応させるように実装されてもよい。このように、例えば、オフセット信号は、分析されるべき異なるガスからの異なるセンサ信号２１０，２２０に反応できるように調整／適応されてもよい。したがって、例えば、オフセット信号は、結果として得られる入力信号が所定の範囲内にあるように、大きすぎるセンサ信号２１０，２２０を減少させるように構成されてもよい。さらに、センサ信号２１０，２２０が小さすぎる場合、オフセット信号は、所定の範囲内にある入力信号が生成されるようにセンサ信号２１０，２２０を増加させるように構成されてもよい。

【0119】

このように、一方では、評価装置２００は、加熱電力を制御することによってセンサ信号２１０，２２０の振幅を所定の値の範囲に収まるように実施されてもよく、センサ信号２１０，２２０が所定の値の範囲内にあるように、センサ信号２１０，２２０とオフセット信号とを結合することによってセンサ信号２１０，２２０のオフセットを変更するように実施されてもよい。これにより、センサ信号２１０，２２０が非常に正確に分析されてもよく、したがって、分析されるべきガスの濃度および／または熱拡散率に関する非常に正確な情報２４０が、評価装置２００によって決定されてもよい。

【0120】

一実施形態によれば、評価手段２００は、サンプリング時間の設定または調整が定常状態にあるとき、および、オフセット信号の調整が定常状態にあるときにのみ加熱電力を制御するように実装されてもよい。定常状態は、センサ信号２１０，２２０が予め定義されたイベント（例えば、最大振幅（最大値）、ゼロクロス、または最小振幅（最小値）など）でサンプリングされてもよいように、サンプリング時間が評価手段２００によって決定されているように理解されてもよい。同様に、定常状態は、センサ信号２１０、２２０が、オフセット信号をセンサ信号２１０、２２０と結合する際に、所定の範囲内にある入力信号を生成するように、オフセット信号が調整されたことを意味してもよく、したがって、評価装置によってセンサ信号２１０、２２０を非常に正確に分析するために、情報の損失なしに、または情報の損失がほとんどないことを意味してもよい。したがって、例えば、事前設定（定常状態におけるサンプリング時間、または定常状態におけるオフセット信号など）は、制御装置２５０によって加熱電力を制御するときに、新しいセンサ信号２１０、２２０を事前設定で非常に正確に分析し、特定の状況下では、センサ信号２１０、２２０からガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を導出するために、サンプリング時間、またはオフセット信号の新たな制御をもはや必要としないように、評価手段２００によって決定されてもよい。

【0121】

一実施形態によれば、評価装置２００は、サンプリング時間が設定または調整されている間、および／またはオフセット信号が調整されている間、（例えば、制御装置２５０によって）加熱電力の制御を停止するように実装されてもよい。したがって、例えば、サンプリング時間およびオフセット信号がまだ定常状態にない間に、センサ信号２１０，２２０に変更が加えられないことを確実にしてもよい。このように、これは、サンプリング時間およびオフセット信号が、誤差に対する感受性が非常に小さいか、または全くないだけで非常に正確に決定されてもよいので、センサ信号２１０，２２０が非常に正確に分析されてもよいことを確実にしてもよい。

【0122】

一実施形態によれば、評価装置２００は、平均加熱電力または最大加熱電力を制御し、さらに加熱電力の振幅を制御するように実装されてもよい。したがって、例えば、制御装置２５０は、制御信号２５２として、ヒータ１２０のための新しいヒータ信号を熱ガスセンサ１００に送信してもよく、ここで、制御信号は、例えば、変更された平均加熱電力、最大加熱電力、または加熱電力の振幅からなる。しかしながら、制御信号１５２には、ヒータ１２０用の熱ガスセンサによって平均加熱電力、最大加熱電力、または加熱電力の振幅がどのように変更されるかを示す情報が含まれていてもよい。

【0123】

図１Ｄは、少なくとも１つのヒータ１２０と、ヒータ１２０に対して異なる距離（例えば、第１の距離１８０₁および第２の距離１８０₂）で配置された２つの検出器（例えば、第１の検出器１３０および第２の検出器１４０）とを有する熱ガスセンサ１００の評価装置２００の概略図である。例えば、第１の検出器１３０は、ヒータ１２０に対する第１の距離１８０₁を有してもよく、第２の検出器１４０は、ヒータ１２０に対する第２の距離１８０₂を有してもよい。評価装置２００は、ヒータ１２０に所定の周期継続時間を有する周期信号２６０を適用するように実装されてもよい。この場合、例えば、周期信号は、方形波信号、既知のパワーを有するインパルス信号、または正弦波信号であってもよい。任意で、高調波を有する正弦波信号であってもよいし、三角信号であってもよい。周期信号はまた、ヒータ信号と呼ばれてもよく、ヒータ１２０から分析対象ガスを介して第１の検出器１３０および／または第２の検出器１４０に熱の形で伝達されてもよい。伝達された熱は、第１の検出器１３０によって第１のセンサ信号２１０として検出され、第２の検出器１４０によって第２のセンサ信号２２０として検出されてもよい。第１のセンサ信号２１０および第２のセンサ信号２２０は、それぞれ所定の周期的な期間を構成する第１の周期信号および第２の周期信号から構成されていてもよい。これにより、分析されるべきガスが、熱ガスセンサ１００、または評価装置２００によって、そのガス濃度および／または熱拡散率に関して非常に正確に分析されてもよい。評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号（例えば、第１のセンサ信号２１０および／または第２のセンサ信号２２０）を検出器１３０，１４０のうちの１つから３つの時点で（例えば、サンプリング手段２７０によって）サンプリングするように実装されてもよい。例えば、第２のサンプリング時間は、第１のサンプリング時間と比較して、期間継続時間に対して（例えば、±２°で）９０°だけタイムシフトされてもよい。したがって、例えば、第２のサンプリング時間は、第１のサンプリング時間と比較して、１／４の期間持続時間、５／４の期間持続時間、または９／４の期間持続時間によってタイムシフトされてもよい。第３のサンプリング時間は、第１のサンプリング時間と比較して期間持続時間に対して１８０°、または第２のサンプリング時間と比較して９０°だけ時間シフトされてもよい。第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間は、±２％の公差を構成してもよい。すなわち、例えば、第３のサンプリング時間は、第１のサンプリング時間と比較して、１／２の期間の持続時間、３／２の期間の持続時間、または５／２の期間の持続時間によってタイムシフトされてもよい。このように、センサ信号２１０、２２０は、正確に定義された位置でサンプリングされてもよく、センサ信号２１０、２２０からガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を非常に正確に決定することを可能にする。評価装置２００は、第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および第３のサンプリング時間（例えば、サンプリング装置２７０によって実行される）でセンサ信号をサンプリングすることに基づく３つのサンプリング値に基づいて、第１のサンプリング値および第３のサンプリング値がセンサ信号２１０，２２０の最大値および最小値を構成するかどうかを検出するように実施されてもよい。例えば、これは、検査装置２８０によって実行されてもよい。例えば、検査装置２８０は、ＤＣオフセットを無視してもよく、したがって、ＤＣオフセットとは別に、例えば、第１のサンプリング値が最大値を構成し、第３のサンプリング値がセンサ信号２１０，２２０の最小値を構成するかどうかを検査してもよい。したがって、例えば、第２のサンプリング時間は、センサ信号２１０，２２０の「ゼロクロス」であってもよく、また、検査手段２８０によって検討されてもよい。

【0124】

第１のサンプリング時間、第２のサンプリング時間、および／または第３のサンプリング時間、ならびに第１のセンサ信号２１０および第２のセンサ信号２２０は、熱ガスセンサ１００によって検出されたガスのガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を決定するために使用されてもよい。任意で、ヒータ信号１２２は、情報２４０の決定に追加的に使用されてもよい。したがって、例えば、第１のセンサ信号２１０と第２のセン
サ信号２２０との間の位相差および／または第１のセンサ信号２１０と第２のセンサ信号２２０との間の振幅差が、サンプリング時間／サンプル値に基づいて決定されてもよい。任意で、第１のセンサ信号２１０とヒータ信号１２２との間の位相差および／または振幅差、ならびに／または第２のセンサ信号２２０とヒータ信号１２２との間の振幅差が決定されてもよい。このようにして決定された位相差および振幅差から、ガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０が決定されてもよい。

【0125】

一実施形態によれば、評価装置２００は、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号２１０，２２０の最大値および／または最小値を構成するかどうかを識別することに依存してサンプリング時間を変更するように実装されてもよい。例えば、これは、サンプリング制御手段２９０によって行われてもよい。したがって、例えば、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号２１０，２２０の最大値および／または最小値に対応しない場合、新たなサンプリング時間が決定されてもよい。サンプリング時間を制御することにより、サンプル値が所定の値に対応することを確実にすることができる。例えば、検査手段２８０が、許容範囲外の偏差（例えば、±２°）があると判定した場合、サンプリング時間は、サンプリング制御手段２９０によって変更／再調整されてもよい。

【0126】

一実施形態によれば、評価装置２００は、第１のサンプル値がセンサ信号２１０，２２０の第１の極値、例えば最大値または最小値を構成し、第３のサンプル値が第２の極値、例えばセンサ信号２１０，２２０の最小値または最大値を構成するように、サンプリング時間を設定または調整するように実装されてもよい。例えば、第２のサンプル値は、センサ信号２１０，２２０の平均値またはＤＣ成分、例えば「ゼロクロス」を構成してもよい。

【0127】

一実施形態によれば、評価装置２００は、サンプリング時間を設定または調整する際に、センサ信号２１０，２２０が所定の閾値を通過する時点の情報を考慮するように構成されてもよい。例えば、この時点は、例えば、センサ信号２１０，２２０の直流成分または平均値を構成する第２の時点であってもよい。したがって、例えば、検査手段２８０は、第１のサンプリング時間および／または第２のサンプリング時間を検査するために、第２のサンプリング時間を使用してもよい。このように、検査手段２８０が、第２のサンプリング時間に基づいて、第１のサンプリング値がセンサ信号２１０，２２０の最大値または最小値に対応しておらず、第３のサンプリング値がセンサ信号２１０，２２０の最小値または最大値に対応していないと判定した場合、サンプリング制御装置２９０は、サンプリング時間を新たに設定してもよいし、再調整してもよい。例えば、指定された閾値は、（例えば、ＤＣオフセットとは別に）「ゼロクロス」を定義してもよい。

【0128】

一実施形態によれば、評価装置２００は、第２のサンプリング時間における第２のサンプル値が、第１のサンプリング時間におけるサンプル値の平均値と同一であるかどうか、および第３のサンプリング時間における第３のサンプル値と同一であるかどうかを検査し、検査に依存して、第１のサンプル値および第３のサンプル値がセンサ信号の最大値および最小値を表すかどうかを検出するように実装されてもよい。例えば、第２のサンプル値は、第１のサンプル値と第３のサンプル値との間の差、またはサンプル値の平均値と第２のサンプル値との間の差に対して、最大±１％の公差で同一であることが好ましい。そうでない場合、検査装置２８０は、サンプリング時間が誤って選択されたことを検出してもよい。第１のサンプル値は第１の極値を構成し、周期継続時間に関して１８０°時間シフトされた第３のサンプル値は、センサ信号２１０，２２０の第２の極値を構成するので、第２のサンプル値は、第１のサンプリング時間と第２のサンプリング時間との間のちょうど半分の時間に位置していてもよい。したがって、第２のサンプリング値は、他の２つのサンプリング値の平均値に対応していてもよい。したがって、これは、検査装置２８０の
助けを借りてサンプル値を検査するための効率的かつ正確な方法を構成できる。

【0129】

一実施形態によれば、評価装置２００は、好ましくは５０％のデューティ比を有する周期的な方形波信号２６０をヒータ１２０に適用するように実装されてもよい。しかしながら、周期的な方形波信号が、５％～５０％、８％～４８％、または１０％～４５％の範囲のデューティ比を構成することも可能である。ヒータ１２０に適用される周期的な方形波信号２６０は、＋／２％の公差を有してもよい。一実施形態によれば、デューティ比は、インパルスの周期的なシーケンスについて、インパルスの持続時間と周期の持続時間との比を示す。

【0130】

一実施形態によれば、評価装置２００は、アナログ・デジタル変換器への入力信号を得るために、センサ信号２１０，２２０をデジタル・アナログ変換器によって生成されたオフセット信号と結合するように実装されてもよい。例えば、アナログ・デジタル変換器は、サンプリング時間に存在する信号値（例えば、第１のサンプル値、第２のサンプル値、および／または第３のサンプル値）をデジタル化し、これをセンサ信号２１０、２２０をサンプリングするために使用してもよい。例えば、サンプリング装置２７０は、アナログ・デジタル変換器を構成してもよい。

【0131】

一実施形態によれば、評価装置２００は、センサ信号２１０，２２０の全期間中にアナログ・デジタル変換器の入力信号が所定の範囲内に収まることを達成するために、オフセット信号を調整するように構成されてもよい。したがって、例えば、オフセット信号は、デジタル化においてセンサ信号２１０，２２０の情報が失われないように、または情報損失が低減されるように、アナログ・デジタル変換器の動作範囲（例えば、所定の範囲）にある入力信号が生成されるように、センサ信号２１０，２２０のオフセットを変更してもよい。したがって、例えば、サンプリング装置２７０は、アナログ・デジタル変換器の入力値が、所定の上限閾値（例えば、所定の範囲）を超えるか、または所定の下限閾値（例えば、所定の範囲）を下回るかを調べてもよい。したがって、サンプリング装置２７０は、入力値、例えば入力信号の値が所定の範囲内に収まるように、センサ信号２１０，２２０と結合されてもよいオフセット信号を生成してもよい。評価装置２００は、オフセット信号を調整した後にサンプリング時間を調整し、サンプリング時間の変更後に、変更されたサンプリング時間の設定で得られたサンプル値が依然として所定の範囲内にあるかどうかの検査を再び実行するように実装されてもよい。したがって、例えば、オフセット信号は、評価装置２００によってセンサ信号２１０，２２０に対して最初に生成されてもよく、サンプリング時間は、その後、サンプリング装置２７０によって決定され、検査され、場合によっては再調整されてもよい（例えば、これは、サンプリング時間のトラッキングを構成してもよい）。このトラッキングの後、評価装置２００によるオフセット信号の繰り返し調整を伴う可能性のある新しいサンプル値が作成されてもよい。このように、例えば、アナログ・デジタル変換器がセンサ信号２１０、２２０を処理してもよくなるまで、オフセット信号とサンプリング時間は交互に調整されてもよいし、追跡されてもよい。このように、この時点で、オフセット信号およびサンプリング時間は、定常状態であってもよい。

【0132】

例えば、サンプリング制御手段２９０によって変更されたサンプリング時間の設定により、アナログ・デジタル変換器の入力値とみなされる新たなサンプル値が生成される。アナログ・デジタル変換器の入力信号が所定の範囲内に留まるように、オフセット信号とヒータ１２０の加熱電力を再調整してもよい。例えば、オフセット信号はセンサ信号２１０，２２０のオフセットを適応させてもよく、加熱電力の変更はセンサ信号２１０，２２０の振幅を適応させて、所定の範囲にある入力信号が生成されるようにしてもよい。

【0133】

一実施形態によれば、評価装置２００は、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０
を所定の値の範囲にもたらすために、検出器１３０，１４０のうちの少なくとも１つからの少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０に依存して、ヒータ１２０に印加される加熱電力を制御するように実装されてもよい。評価装置２００は、センサ信号２１０，２２０からガス濃度および／または熱拡散率に関する情報２４０を導出する際に、加熱電力に関する情報（例えば、ヒータ信号１２２）を考慮するように実装されてもよい。したがって、例えば、ヒータ１２０の加熱パワーの増加時に、センサ信号２１０，２２０は、センサ信号２１０，２２０の振幅の増加を経験してもよく、または、加熱パワーの減少時に、少なくとも１つのセンサ信号２１０，２２０は、センサ信号２１０，２２０の振幅の減少を経験してもよい。このように、例えば、センサ信号２１０，２２０は、ヒータ１２０の加熱電力を制御することによって、所定の値の範囲に収められてもよい。

【0134】

以下では、熱ガスセンサおよび評価装置の実施形態を、さらなる図面に基づいて説明する。

【0135】

1.1 熱ガスセンサの技術的バリエーション

【0136】

図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ、物理ガス特性を測定するためのガスセンサ１００の概略図である。熱ガスセンサ１００は、薄層膜１１０と発熱体１２０とを有してもよく、例えば、膜１１０の第１の断絶領域１６０と膜１１０の第２の断絶領域１７０との間に膜１１０上の自己支持ブリッジ構造として配置されていてもよい。ワイヤセンサ（温度センサ構造体１３０、１４０の例；図２および図３参照）の場合、薄膜１１０（例えば、複数のベース層、センサ層、およびパッシベーション層からなる）の厚さは、例えば、１～１０μｍの間であってもよい。また、発熱体１２０をヒータと称してもよい。図２Ａおよび図２Ｂによれば、第１の断絶領域１６０の全体が膜１１０の断絶１６２を構成してもよく、第２の断絶領域１７０の全体が膜の断絶１７２を構成してもよい。このように、発熱体１２０は、第１の断絶１６２と第２の断絶１７２との間に自立するように配置されてもよい。第１の断絶１６２は、感熱素子１２０と第１の温度センサ構造１３０との間で、自己支持型のブリッジ構造の形態で制限されてもよい。第２の断絶１７２は、感熱素子１２０および第２の温度センサ構造１４０、例えば、自己支持型ブリッジ構造の形態で制限されてもよい。第１の温度センサ構造１３０および／または第２の温度センサ構造は、ワイヤセンサ、サーモパイル、温度可変抵抗器またはサーミスタであってもよい。

【0137】

任意で、ガスセンサ１００は、第１の外側断絶１９２と第２の外側断絶１９４とから構成されてもよい。したがって、例えば、第１の感熱素子構造１３０は、第１の断絶１６０と第２の外側断絶１９４との間の自己支持型ブリッジ構造であってもよく、第２の感熱素子構造１４０は、第２の断絶１７２と第１の外側断絶１９２との間の自己支持型ブリッジ構造であってもよい。第１の感熱素子構造１３０は、第１の検出器または第１のセンサと呼ばれてもよく、第２の感熱素子構造１４０は、第２のセンサまたは第２の検出器と呼ばれてもよい。

【0138】

ガスセンサ１００の断面は、図２Ａの上部領域で見ることができる。例えば、ガスセンサ１００は、キャリア材料からなるフレーム１５０を含む。例えば、キャリア材料で作られたフレーム１５０は、膜１１０を広げてもよい。一実施形態によれば、膜１１０は、１μｍ～５０μｍ、２μｍ～２５μｍ、または３μｍ～１０μｍ、例えば８μｍの範囲の厚さ１１１（例えば、第１の感熱素子構造１３０、第２の感熱素子構造１４０、および発熱体１２０が配置されている膜１１０の表面に垂直な拡がり）で構成されていてもよい。一実施形態によれば、膜１１０は、フレーム１５０からの凹部１９０によって実現されてもよい。したがって、例えば、凹部１９０は、膜１１０が所望の厚さ１１１で実現されてもよいように選択されてもよい。

【0139】

図２Ａおよび図２Ｂの実施形態によれば、凹部１９０は、発熱体１２０、第１の感熱素子構造１３０、および第２の感熱素子構造１４０のみが、例えばフレーム１５０の間に広がったままであるように実施されてもよい。一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０、第２の感熱素子構造１４０、および発熱体１２０が配置される膜１１０の表面は、２００×２００μｍ²～５×５ｍｍ²、５００×５００μｍ²～２０００×２０００μｍ²、または８００×８００μｍ²～１２００×１２００μｍ²の範囲の拡がりを含んでもよく、ここで拡がりは、正方形または長方形の拡がりであってもよい。ガスセンサ１００は、５００ｎｍ～５ｍｍ、１μｍ～１ｍｍ、または２００μｍ～６００μｍ、例えば４００μｍの範囲の厚さ１０１（例えば、膜１１０の厚さ１１１と平行）で構成されていてもよい。発熱体１２０が配置された膜１１０の表面に平行なガスセンサ１００の拡がりは、１x１ｍｍ²から１x１ｃｍ²、１．５ｘ１．５ｍｍ²から９ｘ９ｍｍ²、または２ｘ２ｍｍ²から８ｘ８ｍｍ²、例えば６．５ｘ２．５ｍｍ²の範囲であってもよい。

【0140】

一実施形態によれば、第１の感熱素子構造１３０、第２の感熱素子構造１４０、および／または発熱体１２０は、膜１１０の一部であってもよい。

【0141】

ガスの種類および／またはガス混合物に依存する熱輸送を測定するために、フレームの間に自己支持的に広がっており、分析されるべきガスによってマイクロワイヤとして囲まれていてもよい３つの微細なブリッジ構造（例えば、発熱体１２０、第１の感熱素子構造１３０、および第２の感熱素子構造１４０）を有するマイクロチップ（熱ガスセンサ１００の一例）が使用されてもよい。例えば、分析対象ガスは、第１の断絶１６２、第２の断絶１７２、第１の外側断絶１９２、および／または第２の外側断絶１９４に配置されてもよい。中央ブリッジ構造がヒータ１２０として実装されてもよく、ヒータ１２０に対して異なる距離で両側に配置された２つの検出器構造（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）が、ガス混合物からの伝達応答を測定するための温度センサとして使用されてもよい。

【0142】

例えば、周期的な熱信号が中心線（発熱体１２０）に印加され、その結果、例えば、発熱体によって熱が放射される。熱伝導は、発熱体１２０から分析対象のガスへの未知の熱遷移、およびガスからセンサワイヤへの（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０への）未知の熱遷移を介して行われてもよい。第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０によってそのように検出される熱伝達は、伝達応答として、またはセンサ信号（例えば、第１の感熱素子構造１３０によって検出される第１のセンサ信号および第２の感熱素子構造１４０によって検出される第２のセンサ信号）として理解されてもよい。 ヒータ１２０までの距離が異なる２つの同一のセンサ（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０）を用いて温度応答（例えば、伝達応答）を測定することによって、測定配置における未知の熱遷移は、例えば、排除されてもよい。２つのセンサ信号の位相および振幅は、本質的にガスによる熱伝達に依存してもよい。

【0143】

1.1.1 実施例 ＭＥＭＳワイヤセンサとしてのガスセンサ１００（検出器抵抗（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０の抵抗）におけるＴＣＲ（抵抗の温度係数）の評価）（代替的な実施形態、任意で、セクション１.２による信号生成および評価、およびセクション１.３による評価アルゴリズムと組み合わせて使用可能）

【0144】

温度ガスセンサ１００の第１の変形例は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ基板に基づいて構築されてもよい。例えば、分析すべきガス空間内に広がるシリコンマイクロワイヤ（例えば、第１の温度センサ構造１３０および第２の温度センサ構造１４０）からなる自己支持型の微細ブリッジ構造を有するマイクロチップで構成される。センタ
ーワイヤをヒータ１２０として実装してもよく、２本の検出器ワイヤ（例えば、第１の温度センサ構造１３０および第２の温度センサ構造１４０）を、ヒータの両側の温度センサとして、同一の距離を隔てて使用してもよい（図２Ａ、図２Ｂ参照）。。

【0145】

例えば、図２Ａは、ＭＥＭＳワイヤセンサチップ（ガスセンサ１００）を光学顕微鏡で観察した画像（左側）、図２Ｂは、ＭＥＭＳワイヤセンサチップ（ガスセンサ１００）を光顕微鏡で観察した画像（右側）である。

【0146】

図３は、例えばガスセンサの発熱体、第１の感熱素子構造、および／または第２の感熱素子構造に使用され得るシリコンブリッジ１２０／１３０／１４０の概略図である。換言すれば、図３は、熱ＭＥＭＳワイヤセンサ（例えばガスセンサ）のマイクロブリッジ（ＳＥＭ、走査型電子顕微鏡）の詳細を示す。例えば、図示されたシリコンブリッジ１２０／１３０／１４０は、ＳＯＩ技術で製造されてもよい。したがって、例えば、フレーム１５０の基板またはキャリア材料は、酸化物材料１５２、シリコン材料１５４、およびアルミニウム材料１５６から構成されてもよい。例えば、シリコンブリッジを実現するために、シリコン材料１５４は、フレーム１５０のキャリア材料に切り欠き１５８（例えば、トレンチ）を実現するために、部分的に除去されてもよく、したがって、シリコンブリッジ１２０／１３０／１４０を実現するために、シリコン材料１５４が除去されてもよい。シリコンブリッジ１２０／１３０／１４０は、（例えば、酸化物材料１５２からなる）膜１１０上に配置されてもよい。

【0147】

例えば、膜１１０は、第１の断絶領域１６０／１６２および第２の断絶領域１７０／１７２を構成してもよい。第１の断絶領域１６０／１６２および第２の断絶領域１７０／１７２は、例えば空洞であってもよい断絶を構成する。このように、膜１１０は、分析対象のガスが配置されてもよく、シリコンブリッジが発熱体１２０を構成する場合にはシリコンブリッジ１２０／１３０／１４０から同じものに熱が伝達され、シリコンブリッジ１２０／１３０／１４０が第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０を構成する場合にはシリコンブリッジ１２０／１３０／１４０に熱が伝達されてもよい第１の断絶領域１６２および第２の断絶領域１７２を構成していてもよい。シリコンブリッジ１２０／１３０／１４０は、アルミニウム材料１５６と接触してもよく、その結果、アルミニウム材料１５６は、例えば、ボンドパッドとして使用されてもよい。例えば、ボンドパッドによって、発熱体１２０に励起性ヒータ信号が印加されてもよいし、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０が読み出されてもよい（例えば、第１のセンサ信号または第２のセンサ信号）。

【0148】

ＳＯＩ技術のメリット

【0149】

・ 結晶抵抗パス、検出器（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）の抵抗の温度係数（ＴＣＲ）は、もっぱらウェハ材料（活性層内）のベースドーピングに依存していてもよい。
・ 温度検出器（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）の抵抗器の高いベース抵抗における白金と同様の大きさのＴＣＲは、ブリッジ構造１２０、１３０、１４０（１ｍｍよりも短い）の短い抵抗経路（例えば、フレーム１５０のフレーム側からフレーム１５０の対向するフレーム側へ）のために、センサの寸法（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０の寸法）を小型化することを可能にし、かつ、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）の領域（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）については、例えば、以下のように、自己発熱による温度測定誤差が比較的小さいので、8 kOhmよりも大きいベース抵抗値が使用されてもよく、これは、測定動作中に３６０μＷ未満の電力入力を必要とする可能性がある。
・ ヒータ抵抗（例えばヒータ１２０の）は、移植により低動作電圧（好ましくは３．３
Ｖ）に適用可能
・ オーミックセンサ抵抗の非常に均質な分布、例えば第１の感熱素子構造１３０および/または第２の感熱素子構造１４０の抵抗を、非常に狭いプロセス分野でウェハ(例えばフレーム１５０)の上に、特に、検出器抵抗(例えばセンサ抵抗)の公差は、例えば活性層(活性層、ベースドーピング、および材料厚さ)のＳＯＩ材料の公差によって決定されるとともに、ディープエッチング(Deep RIE)の横方向構造精度によって決定される。

【0150】

ＳＯＩ技術のデメリット。

【0151】

・ ウェハを購入する場合、比較的高価なＳＯＩ基板材料。
・ 希望する仕様（ウェハ径、ハンドルと活性層の材料厚、活性層のドーピング）で入手できないことが多い。
・ 現在、構造体のパッシベーションは行われていないが、特定の状況下では、パッシベーションは、入熱時の層の異なる材料の拡がり、ＴＣＲの特性曲線の変化に起因するバイメタル効果につながる。

【0152】

1.1.2項の実施例。薄層膜上のＭＥＭＳサーモパイルセンサとしてのガスセンサ１００（形態１による実施形態、任意に、セクション1.2による信号生成および評価とセクション1.3による評価アルゴリズムとの組合せで使用可能）

【0153】

図４は、左側がガスセンサ１００の概略説明図であり、右側がガスセンサ１００の詳細図である。

【0154】

一実施形態によれば、ガスセンサ１００は、膜１１０と、膜１１０の第１の断絶領域１６０と膜１１０の第２の断絶領域１７０との間の膜１１０上に配置されてもよい発熱体１２０とから構成されてもよい。第１の断絶領域１６０は、断絶１６２を含んでもよく、第２の断絶領域１７０は、断絶１７２を含んでもよい。

【0155】

第１の断絶１６２および／または第２の断絶１７２は、発熱体１２０（これは、例えば、ヒータと呼ばれてもよい）の最大拡がり方向に平行な長手方向の拡がりを構成してもよく、横方向の拡がりを構成してもよく、例えば、発熱体１２０の最大拡がり方向に垂直な方向の拡がりを構成してもよい。したがって、図４によれば、第１の断絶１６２は、第２の断絶１７２よりも大きな横方向の拡がりを有してもよい。さらに、図４によれば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２は、同じ縦方向の拡がりを構成してもよい。例えば、第１の断絶１６２及び第２の断絶１７２は、第１の断絶１６２及び第２の断絶１７２が、それぞれ第１の発熱体構造体１３０と第２の発熱体構造体１４０との間の領域と発熱体１２０との間の領域とを完全に覆うほどの大きさの縦方向の拡がりを構成する。したがって、例えば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２の長手方向の拡がりは、発熱体１２０の全長に沿って延びる。これにより、発熱体１２０によって放射された熱の大部分が膜１１０を介して輸送されることが回避される。したがって、熱の大部分は、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２に配置されたガスを介して、それぞれの感熱素子構造１３０，１４０に伝達されることが達成され得る。

【0156】

例えば、第１の感熱素子構造１３０は、第２の感熱素子構造１４０とは異なる発熱体１２０までの距離を有してもよい。したがって、例えば、図４によれば、第１の感熱素子構造１３０は、第２の感熱素子構造１４０よりも発熱体１２０まで長い距離を有している。例えば、第１の感熱素子構造１３０は、発熱体１２０から第１の断絶１６２内のガスへの第１の熱伝達２１０、及びガスから第１の感熱素子構造１３０への第１の熱伝達２１０を検出し、第１のセンサ信号と同様に感知してもよい。例えば、第２の感熱素子構造１４０は、発熱体１２０から第２の断絶１７２内のガスへの第２の熱伝達２２０、及びガスから
第２の感熱素子構造１４０への第２の熱伝達２２０を検出し、第２のセンサ信号と同様のものを提供してもよい。第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０の発熱体１２０までの距離が異なるため、第１のセンサ信号および第２のセンサ信号から差分信号が形成されてもよく、その結果、未知の遷移（例えば、発熱体からガスへの遷移および／またはガスからそれぞれの感熱素子構造への遷移）が計算されてもよく、したがって、ガスセンサ１００は、第１の断絶１６２または第２の断絶１７２におけるガスを介した熱伝達を主に、または唯一に考慮することになる。

【0157】

一実施形態によれば、熱センサ１００は、膜１１０を広げるフレーム１５０をさらに含んでもよい。第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０は、膜１１０上に少なくとも部分的に配置され、フレーム１５０上に少なくとも部分的に配置されてもよい。この場合、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０は、発熱体１２０に対向するように配置されたホットエンド１３２，１４２を含んでもよい。さらに、第１の感熱素子構造体１３０および第２の感熱素子構造体１４０は、それぞれ、感熱素子構造体１３０および第２の感熱素子構造体１４０のホットエンド１３２、１４２がある側とは反対側に配置されてもよく、したがって、発熱体１２０から離れて対向するように配置されてもよいコールドエンド１３４、１４４を含んでもよい。したがって、例えば、ホットエンド１３２、１４２は、膜１１０上に配置されてもよく、コールドエンド１３４、１４４は、フレーム１５０上に配置されてもよい。この場合、例えば、フレーム１５０は、膜１１０とは異なる材料で構成されてもよい。これにより、例えば、フレーム１５０のフレーム材料によって、ホットエンド１３０、１４２によって測定され、発熱体１２０から伝達された温度に関して、基準温度がコールドエンド１３４、１４４に適用されてもよい。

【0158】

すなわち、図４の左側の図は、ガスセンサ１００のレイアウトを構成するものであってもよく、図４の右側の図は、例えば、ガスの種類に依存する熱輸送を測定するためのガスセンサ１００（例えば、ＭＥＭＳ膜センサ）の画像を構成するものであってもよい（形態１による実施形態）。例えば、図４は、膜１１０の一定の断絶（例えば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２）を有するガスセンサ１００の変形例を示している。例えば、一定の断絶１６２，１７２は、ヒータ１２０と検出器（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）との間の熱輸送の主要部分を生じて、例えば、２つの要素の間に囲まれた測定ガス体積を介して、例えば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２に配置された測定ガスを介して、強制的に発生するようにする。

【0159】

例えば、ガスセンサ１００の技術的製作における工程工数を削減し、ガスの種類に依存する熱輸送２１０、２２０の測定中に感度を高めるために、マイクロチップは、ヒータ構造１２０およびサーモパイル構造１３０、１４０（検出器）を有する薄層膜１１０に基づいて実現されてもよく、ここで、薄層膜１１０は、ヒータ１２０と検出器１３０、１４０との間の横方向の領域でエッチングされてもよい。

【0160】

（例えばセクション１．１．１に記載されているような）ワイヤセンサと比較して、膜センサ（例えば、ガスセンサ１００）は、二元混合物のガス濃度に対して同一の感度で、熱エネルギーの１／３しか必要としない。ワイヤセンサと同様に、ヒータ構造体（例えば発熱体１２０）は、例えば検出対象のガスの測定空間内に中央に広がった自己支持型のファインブリッジ構造体として配置されている。ヒータ１２０までの距離が異なる両側（例えば）に配置された２つの検出器ワイヤは、例えば、横方向に広がった膜表面（膜１１０の）上に配置され、トレンチエッジ（例えば、第１の断絶１６２または第２の断絶１７２のエッジ）まで達してもよい「サーモパイル」構造（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０の）に置き換えられてもよい。

【0161】

【0162】

膜１１０の膜材料における熱伝導に起因するヒータ１２０と検出器構造体１３０，１４０との間の熱輸送２１０，２２０の寄生効果を低減するために、膜１１０は、結果的に、ヒータ１２０から検出器１３０，１４０への熱輸送２１０，２２０が、主に最短の横方向距離を介して行われ、したがって、例えば、間に位置する（例えば、第１の断絶１６２および第２の断絶１７２内に配置された）測定ガスの体積を横切る経路を通過するように中断されてもよい。その結果、ヒータ１２０の周期的な熱パルスに対するセンサ１３０／１４０のガスタイプに依存した伝達応答（例えば、第１のセンサ信号および第２のセンサ信号）が大幅に増加してもよい。

【0163】

一実施形態によれば、図５は、その左側にガスセンサ１００の概略図を示し、その右側にガスセンサ１００の拡大詳細図を示す。図５のガスセンサ１００は、図４のガスセンサ１００と同じ特徴および機能を有してもよく、ここで、図５のガスセンサ１００は、第１の断絶領域１６０および／または第２の断絶領域１７０の設計において、図４のガスセンサ１００とは異なっていてもよい。したがって、例えば、図５のガスセンサ１００の第１の断絶領域１６０は、多数の断絶１６２_iを構成してもよく、第２の断絶領域１７０もまた、多数の断絶１７２_iを構成してもよい。このように、例えば、図５の実施形態によれば、第１の断絶領域１６０は２３個の断絶を有してもよいので、ガスセンサ１００の第１の断絶領域１６０の断絶１６２_iの指数ｉは、１から２３に達してもよい。例えば、図５の実施形態によれば、第２の断絶領域１７０は１４の断絶を有してもよいので、ガスセンサ１００の第２の断絶領域１７０の断絶１７２_iの指数ｉは、１から１４まで到達してもよい。任意で、断絶１６２_iおよび断絶１７２_iのインデックスｉは、例えば、自然数を定義してもよく、ここで、インデックスｉは、断絶１６２_i，１７２_iが１つの断絶領域１６０，１７０内に何個存在するかを示す。

【0164】

断絶１６２_i，１７２_iは、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０において、それぞれ、発熱体１２０の最大拡がり方向と平行な方向に列をなして配置されてもよく、列は、追加的に、互いにオフセットして配置されてもよい。例えば、これは、－膜材料によって形成された－連続する列の横方向のリッジ１１２（例えば、発熱体１２０の最大拡がり方向に垂直な方向に、発熱体１２０からそれぞれの感熱素子構造１３０、１４０まで延びる）が、互いにオフセットして配置されることを意味する。例えば、これにより、膜１１０の寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂは、できるだけ長い経路を通過するようになる。

【0165】

例えば、断絶１６２_i，１７２_iは、膜１１０内に格子構造が形成されるように配置され、ここで、膜１１０を通る寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂの経路は、直接経路２１０，２
２０よりも長い。例えば、直接経路２１０，２２０は、発熱体１２０からそれぞれの感熱素子構造１３０，１４０に至る、発熱体１２０に垂直な直線経路であってもよく、ここで、直接経路２１０，２２０は、断絶１６２_i，１７２_i内に配置された分析対象ガスを通過してもよい。例えば、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂの経路は、図５に図示されているように、膜１１０を通って直線状に延びるのではなく、巻線状の経路を形成するべきである。例えば、膜１１０を横切る直接的な熱経路は存在しないはずである。これにより、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０が、直接経路２１０および／または２２０を介して発熱体１２０からの熱伝達を検出してもよく、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂの影響が検出において最小化されてもよく、その結果、ガスが非常に正確に分析できる。

【0166】

例えば、断絶１６２_i，１７２_iは、±２０°の公差で、熱伝導の主方向（例えば、発熱体１２０から感熱素子構造体１３０，１４０への直接経路２１０，２２０）に対して垂直であってもよい長手方向の断絶であってもよい。

【0167】

一実施形態によれば、断絶１６２_i，１７２_iは、角が丸みを帯びた長方形の切り欠きであってもよい。例えば、それらは、長手方向の穴と呼ばれることもあり、また、例えば、楕円形の穴であってもよい。この場合、断絶１６２_i，１７２_iは、その幅の少なくとも３倍の長さを有していてもよい。例えば、長さは、発熱体１２０の最大拡がりに平行な方向として定義されてもよく、幅は、発熱体１２０の最大拡がりに垂直な方向として定義されてもよい。この特徴により、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂの経路が非常に長いことが実現され、その結果、ガスセンサ１００によるガス分析の品質が向上する可能性がある。

【0168】

一実施形態によれば、第１の断絶領域１６０および第２の断絶領域１７０における断絶１６２_i，１７２_iは、それぞれ、断絶１６２_i，１７２_i間の距離１１６ａ，１１６ｂが、機械的に耐久性のあるグリッド構造をもたらす最小の実現可能な構造幅に対応するように配置されてもよい。例えば、距離１１６ａ，１１６ｂは、膜１１０上の膜材料で作られたリッジの幅である。距離１１６ａ，１１６ｂが短く実現されるほど、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂが小さくなり、その結果、ガスセンサ１００によるガス分析の品質が向上する可能性がある。この場合、距離１１６ａ，１１６ｂは、ガスセンサ１００によるガス分析の品質を高くするために、断絶１６２_i，１７２_iによって形成される格子構造膜１１０が機械的に耐久性を有するように選択されることが好ましい。

【0169】

換言すれば、図５は、例えば、ガスの種類に依存する熱輸送（直接経路２１０、２２０を介して）を測定するためのＭＥＭＳ膜センサ（例えば、ガスセンサ１００）のレイアウトを例示してもよい（形態１による実施形態）。このように、図５のガスセンサ１００は、ガスセンサ１００の機械的安定性を高めるために、膜１１０の膜材料からなるグリッド構造を有する変形例を例示してもよい。グリッドの幾何学的形状は、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂが、膜材料の中で可能な限り長い経路を通過しなければならないように選択されてもよい。

【0170】

図５は、ガスセンサ１００のさらなる実施形態を示し、これは、長期的な動作におけるガスセンサ１００の機械的安定性を向上させるための、ヒータ素子１２０と検出素子（例えば、第１の感熱素子構造１３０および第２の感熱素子構造１４０）との間のグリッド構造を示す。このような配置は、熱伝導が膜材料の格子状リッジを介して寄生的な態様１１４ａ，１１４ｂでも起こる可能性があるので、熱ガスセンサ１００のガスタイプに依存した感度を低下させる可能性がある。したがって、ヒータ１２０に周期的に入力される熱エネルギーの一部は、最短横方向距離２１０，２２０を介して測定ガスを介して輸送される熱エネルギーの一部よりも早く検出器構造（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０）に輸送されてもよい。ローパスフィルタとして周期的
な励起に応答し得る検出器（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０）の熱質量のために、例えば、２つの熱波ランタイム（例えば、直接経路２１０を介した熱伝達を伴う寄生熱伝導１１４ａおよび／または直接経路２２０を介した熱伝達を伴う寄生熱伝導１１４ｂ）は、単一の正弦波検出器信号（例えば、第１のセンサ信号または第２のセンサ信号）とともにループされている。

【0171】

例えば、グリッドの幾何学的形状は、寄生熱伝導１１４ａ，１１４ｂが膜材料の中で可能な限り長い経路を通過しなければならないように選択される。例えば、楕円形の穴（例えば、断絶１６２_i、１７２_i）は、熱伝導の主方向に対して横方向に配置される。例えば、楕円孔のアスペクト比は、それらが幅の少なくとも３倍の長さを有するようなものであり、リッジ幅（例えば、距離１１６ａ、１１６ｂ）は、例えば、利用可能な層技術で機械的に耐久性のあるグリッド構造をもたらす最小の実現可能な構造幅に対応している。

【0172】

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、ガスセンサ１００のさらなる実施形態の概略図である。この場合、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃのガスセンサ１００は、図４および／または図５のガスセンサ１００と同じ特徴および機能を備えてもよい。ガスセンサ１００の第１の断絶領域１６０と第２の断絶領域１７０との間には、ガスセンサ１００の第１の断絶領域１６０と第２の断絶領域１７０との間には相違点があってもよい。

【0173】

したがって、例えば、図６Ａのガスセンサ１００は、第１の断絶領域１６０内の８つの断絶１６２_iと、第２の断絶領域１７０内の８つの断絶１７２_iとから構成されてもよい。この場合、例えば、断絶１６２_iは、断絶１７２_iよりも大きな横方向の拡がりを構成してもよい。さらに、断絶１６２_i，１７２_iは、それぞれ、それらの断絶領域１６０，１７０内で異なる縦方向の拡がりを構成してもよい。

【0174】

例えば、図６ｂのガスセンサ１００は、８つの断絶１６２_iを有する第１の断絶領域１６０と、連続する断絶１７２を有する第２の断絶領域１７０とからなる。したがって、例えば、図６ｂの変形例では、図６ａの変形例および／または図５と図４の変形例が、断絶領域１６０、１７０において互いに結合されている。

【0175】

例えば、図６ｃのガスセンサ１００は、複数の断絶１６２_i，１７２_iを有する第１の断絶領域１６０と第２の断絶領域１７０とからなり、第１の断絶領域１６０は、例えば２３個の断絶１６２_iを有し、第２の断絶領域１７０は、例えば１４個の断絶１７２_iを有していてもよい。この場合、例えば、第１の断絶領域１６０及び第２の断絶領域１７０のそれぞれの断絶１６２_i，１７２_iは、同一の横方向への拡がり及び／又は同一の縦方向への拡がりを有してもよい。任意で、断絶１６２_i，１７２_iは、列内でのみ同じ縦方向の拡がりおよび／または横方向の拡がりを構成することも可能である。

【0176】

したがって、別の言い方をすれば、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、膜の穿孔（例えば、断絶１６２_i、１７２_i）の数およびサイズが異なるＭＥＭＳ膜センサ（例えば、ガスセンサ１００）のさらなるレイアウトのバリエーションを例示してもよい（アスペクト１に従った実施形態）。

【0177】

膜技術におけるサーモパイル構造（例えば、第１の感熱素子構造１３０および／または第２の感熱素子構造１４０）の利点（例）。

【0178】

・ ウェハ材料の特性は、例えば、厚さ、表面品質、および、トレンチを構造化するために、適応されたベースドーピングに関してのみ指定されるべきであるので、コスト効率の高い基板上で処理された単純な５マスクＭＥＭＳが可能である。
・ トレンチのＳＯＩ構造（例えば、膜１１００のための）上のガスセンサとは対照的に
、適応されたベースドーピングに関して規定されなければならない。
・ 例えば、構造体（例えば、発熱体１２０、膜１１０、第１の感熱素子構造体１３０、第２の感熱素子構造体１４０）は、保護層で不動態化されており、測定ガス中に位置する可能性のあるフリーラジカルに対するより良い抵抗性を提供し、活性センサ構造体（例えば、第１の感熱素子構造体１３０および／または第２の感熱素子構造体１４０）をエッチングし、したがって、機械的に弱めるか、または熱的に変化させる。
・ 例えば、基板と比較して、薄層膜１１０上のガスセンサ１００は、同じガス感度を達成するために３分の１の加熱電力しか必要とせず、入力電力は、ＳＯＩ技術における３６ｍＷとは対照的に、約１２ｍＷである。
・ 温度可変抵抗構造（ＲＴＤ）の代わりに、サーモパイル１３０、１４０は、測定空間内の熱分布場の検出器として実現されてもよい：例えば、サーモパイル１３０、１４０の電子信号評価は、０，６μＷであり、したがって、ほとんど電力を必要としないのに対し、一方、ＳＯＩ技術の抵抗構造に基づく検出器（例えば、図２Ａ、図２Ｂ、または図３の第１の感熱素子構造１３０、第２の感熱素子構造１４０）は、安定した信号生成のために電流の流れを必要とし、その結果、約１４０μＷと、低い加熱電力が検出器に印加される結果、サーモパイル技術と比較して２００倍も大きく、ＲＴＤ検出器の自己加熱に寄与し、したがって寄生的にガス選択性を低下させる可能性がある。

【0179】

膜技術のデメリット

【0180】

・ 微細な穿孔膜１１０は、製造工程および長期の運転において破断する可能性があり、最適化された設計（例えば、図４、図５、図６Ａ、図６Ｂ、または図６Ｃ）が好ましい。

【0181】

1.1.3 センサ原理（詳細は任意）

【0182】

図７は、熱センサ１００（ここでは、ガスセンサを熱センサと呼ぶこともある）の基本原理を示す。明らかに見られるのは、分析されるべきガス混合物による熱結合を有するヒータ１２０とセンサ構造１３０，１４０（第１の温度センサ構造および第２の温度センサ構造は、ここでは、センサ構造、検出器構造、センサ、温度センサまたは検出器とも称されることがある）との間の空間的な分離；およびセンサ構造１３０，１４０による測定である。この場合、センサ構造１３０、１４０は、ヒータ１２０に対して異なる距離に配置されてもよいし、同じ距離に配置されてもよい。

【0183】

すなわち、図１は、被測定ガスを介してヒータ１２０と検出器１３０，１４０との間の熱輸送の経路１２２ａ，１２２ｂについてのセンサの基本原理を模式的に示した説明図である。

【0184】

・ ヒータ１２０とセンサ１３０，１４０とは、媒体によって分離されている。

【0185】

ヒータ１２０とセンサ１３０，１４０とは、媒体中に別々に配置され、分析対象のガスによって囲まれている。例えば、ヒータ１２０から温度センサ１３０，１４０への熱流１２２ａ，１２２ｂは、ガス自体を介してのみ行われる。

【0186】

・ 複数の距離での測定

【0187】

例えば、熱輸送１２２ａ，１２２ｂは、ヒータ１２０から分析対象ガスへの未知の熱遷移１２２ａ₁，１２２ｂ₁を介して、また、ガスからセンサ構造体１３０，１４０への未知の熱遷移１２２ａ₂，１２２ｂ₂を介して行われる。２つの距離１８０₁、１８０₂で測定する場合、熱遷移１２２ａ₁、１２２ｂ₁、１２２ａ₂、１２２ｂ₂はほぼ同じである。両方の
センサ信号の差は、本質的に媒体自体による熱伝達に依存する。

【0188】

・ 同一距離での測定

【0189】

複数の距離を有する測定と類似して、この場合には、未知の熱遷移１２２ａ₁、１２２ｂ₁、１２２ａ₂、１２２ｂ₂も存在する。非常に精密なガス分析もまた、２つのセンサ信号の和を評価することによって実行されてもよく、特定の状況下では、未知の熱遷移１２２ａ₁、１２２ｂ₁、１２２ａ₂、１２２ｂ₂もまた、分析において考慮されてもよい。

【0190】

複数の距離で測定する場合には、和信号が代替として評価される場合があることに留意されたい。

【0191】

差信号の信号雑音距離が和信号よりも小さいため、差信号よりも和信号を評価することが好ましいことにも注目すべきである。

【0192】

任意で、差信号と和信号の商（これは一般的に標準化されている）を評価に用いてもよい。例えば、和信号のみを評価する場合や、差信号のみを評価する場合と同様に、測定効果をより強く強調することができる。

【0193】

・ 電気的アナロジー

【0194】

熱流を特定して推定するために、電気的なアナロジーが作成されている（例えば、図８を参照）。熱損失を最適化することは、例えば発熱体１２０を介して大きすぎる加熱電力を投入することなく、センサ１３０，１４０の感度を向上させるために不可欠な要素である。

【0195】

一実施形態によれば、図８は、図７のガスセンサ１００の特徴および機能を備える。換言すれば、図８は、ガスセンサ１００における熱輸送の概略図である。ヒータ１２０（温度Ｔ_H）からセンサ１３０，１４０（温度Ｔ_S）への熱輸送は、本質的に、測定されるガスを介して行われる。

【0196】

1.2 動作中のガスセンサの実施形態：組込みシステムでの信号生成と信号評価

【0197】

1.2.1 機能原理（詳細は任意）

【0198】

正弦波加熱パワー１２２では、センサ構造体を取り囲むガスの熱特性に強く依存するセンサ信号２１０，２２０（例えば、図９）の正弦波数列が存在する。ヒータ１２０に対して異なる距離１８０₁，１８０₂で２つの同一のセンサ１３０，１４０を用いてヒータ１２０の温度を測定することにより、測定配置における未知の熱遷移を排除または低減できる。

【0199】

評価では、放出された周期的な温度波と受信された周期的な温度波とが比較される（図９参照）。ヒータとセンサとの間の位相シフト２１２、２２２を介した信号２１０、２２０の較正は、例えばガスセンサを用いて、空気中のＣＯ₂含有量が０．２vol%であることを解決するために使用されてもよい。ガスは圧縮され、圧力および温度を介してその密度を変化させてもよいので、対応するドリフトは補償されるべきである。

【0200】

図２は、ＣＯ₂とＮ₂について比較して、正弦波加熱電力１２２での励起時の信号２１０，２２０を示している。同じ加熱電力１２２では、受信されたセンサ信号２１０、２２０は、それらの振幅、オフセット、および位相位置に関して異なる。一実施形態によれば、
信号２１０、２２０は、ガスセンサの第１の感熱素子構造の信号と第２の感熱素子構造の信号との差分信号である。

【0201】

センサが提供する測定値をさらに評価することで、熱伝導率、熱拡散率、ガスの密度がわかっている場合は比熱容量が決定され、未知のガス混合物を分析することができる。

【0202】

薄層膜と比較して、自己支持型ブリッジ構造の構造的な違いにより、ヒータと検出器素子間の寄生熱デカップリングがほとんど達成され、信号品質が大幅に向上する。ヒータの熱質量が小さいため、熱を素早く供給して放熱することができるため、３００ヘルツまでの周波数での変調が可能である。

【0203】

・1.2.2 熱拡散率決定のための理論的考察（詳細は任意）

【0204】

正弦波加熱パワー１２２における熱拡散率を決定するために、伝搬する温度場を記述するために、［Ｂａｅｈｒ ２００８］に従ったモデルが使用されてもよい。

【0205】

次の式は、一端に正弦波状の温度が印加されたロッドの長手方向軸xに沿った温度伝播（平均値T_m、振幅T_A、角周波数ω）の時間依存性（時間t）を記述している。

【0206】

【0207】

ヒータから気体媒質中に入ると、温度場は位相シフトε₀と減衰η₀ を経験する。

【0208】

【0209】

媒体がカバーする経路xに依存して、温度場は位相シフトと減衰を経験する。パス依存値の変化の本質的な要因であるk₁は、[Baehr 2008]によると、熱拡散率a、角周波数ω、したがって励起周波数fに依存する。

【0210】

【0211】

固体と気体の間の熱伝達の影響を考慮するための係数は、係数k₁、熱伝達係数α、熱伝導率λから得られる。

【0212】

【0213】

上記のモデルに従って熱拡散率を決定するためには、位相シフトの評価を行えばよい。式（１）における位相シフトの総和は、次のようになる。

【0214】

【0215】

２つの異なる距離で2つの温度測定値を比較する場合、一定の熱遷移効果は互いに打ち消し合う。

【0216】

【0217】

【0218】

【0219】

【0220】

【0221】

温度波は、励起と同じ角周波数で調和的に振動し、媒体中への浸透深さの増加に伴って急速に減衰し、強く減衰するが、位相シフトは増加する。媒体への浸透深さと波長は、発振時間と媒体の熱拡散率の増加に伴って増加する。位相角が２πずつ異なる２つの測定点ｘ₁，ｘ₂間の距離から生じる温度振動の波長Λを考慮すると、媒体中への進入点ｘ＝０で温度振幅がｎ番目の値まで低下した温度波の浸透深さが導出されることがある。以下のようになる。

【0222】

【0223】

このように、振幅の減衰は媒体の熱拡散率を表す指標でもある。

【0224】

・1.2.3 熱伝導率を決定するための理論的考察（詳細は任意）

【0225】

媒体の熱伝導率λは、測定空間内の平均温度分布で表される。平均ヒータ温度と測定空間の体積内のガスの種類及び／又は混合物の濃度に依存して、平均温度が温度検出器で生じ、前記平均温度は、ヒータから検出器を介してガス状媒体を通って筐体の壁に流れる熱流に比例している。ヒータの温度と検出器の温度は、熱伝導率を決定するために知られていなければならず、例えば、適切な較正を用いて、必要な平均加熱エネルギーが熱伝導率の尺度として決定される場合には、検出器（好ましくは、ヒータに近い検出器）を一定の温度（オーバー）に制御することで十分である。

【0226】

[Simon 2002]および[Baar 2001]によると、気体の熱伝導率を測定するための基本的な原理は、気体中に自立したヒーターエレメント（例えば、ホットワイヤや「ホットプレート」）を用いて、流れのない測定空間に周囲温度を超える過温度を発生させることである。このオーバー温度ΔＴを維持するために必要な加熱電力は、熱伝導率λの直接の尺度であり、以下の関係で記述することができる。

【0227】

【0228】

ここで Ｇ は配置の幾何学的定数を表す。対流熱流は測定誤差をもたらすので、正しい測定のための条件は、測定空間内の静止したガス、例えばデッドボリューム内や拡散障壁の背後にあることである[Baar 2001]。これらの測定誤差は文献で議論されており、対流熱流の存在下で熱伝導率を測定する可能性のある方法も提案されている[IST AG 2011, 2013, 2015]。さらに、ヒータの周期的な励起を有する方法が知られており、これは、二元ガス混合物の濃度だけでなく、フーリエ分析によって複数の成分の混合物を決定してもよい［Grien ２０１２］。

【0229】

1.2.4 本願発明のガスセンサの組み込みマイコン、電子システムおよびソフトウェア（詳細は任意）

【0230】

本願発明の電子システムおよび信号評価の目的は、例えば、できるだけ安価な小型化されたシステムで、ガス濃度に直接依存する信頼性の高い測定結果を生成することである。さらに、本願発明のガスセンサは、空気混合物中の炭素濃度が非常に動的に変化する可能性がある呼吸ガスモニタにおいて使用可能であることが望ましい。したがって、本願発明のガスセンサは、１分間に６０ストロークの速度まで、吸気および呼気の呼吸サイクルにおけるガス組成の変化を解決することができるはずである。したがって、センサ信号の高速評価が望ましい。

【0231】

1.2.4.1 ハードウェア

【0232】

1.2.4.1.1 実施例。本願発明のガスセンサのヒータ制御（形態３に従った実施形態、詳細は任意）

【0233】

図１０は、本願発明の一実施形態による熱ガスセンサのヒータ制御の電気回路図である。例えば、ＣＰＵは、ヒータ電圧の下限値と上限値を指定し、この２つの値の間でタイマを制御的に往復させて切り替える。また、ＣＰＵは、加熱電力を算出するために、ある時点での現在の加熱電流を測定してもよい。すなわち、図１０は、電圧指定と電流測定を行うヒータ供給装置を例示したものである。

【0234】

正弦波ヒータ励起の例を用いた熱輸送現象への減衰振動のための原理の伝達における上記の理論的に考慮された類推とは対照的に、（例えば）開発されたマイクロコントローラ電子システム上に方形波信号が生成される。プロセッサ内のタイマ構造により、この信号は、そのデジタル／アナログ（ＤＡ）ポート上のプロセッサによって出力される合成正弦波信号よりもはるかに正確に生成される可能性がある。

【0235】

例えば、２個のヒータ電圧がＤＡコンバータを介して指定される。これは、ＤＡコンバータがＳＰＩを介して制御され、新しいＤＡ値が採用される時点が、選択されたプロセッサコンポーネント（ＣＰＵ）で正確に決定されない可能性があることに起因する。しかしながら、これは、センサ応答の位相位置を決定することができるようにするための前提条
件である。したがって、例えば、２つの電圧のうちの１つがアナログスイッチを介して交互にヒータアンプに印加される。急峻なスイッチングエッジがシステム内でより少なく伝播するように、例えば、下流のローパスフィルタによって平滑化される。オペアンプ(ＯＰ)回路は、電圧をヒータによって必要とされる電圧レベルに上昇する。例えば、電流測定抵抗器での電圧降下をさらにＯＰで補償する。電流が測定され、ヒータ電圧が分かっているので、ヒータ電力を計算することができる。ヒータ抵抗は温度によって変化することがあるので、これは重要である。

【0236】

例えば、ヒータのデューティサイクルが５０％であってもよい（ここでは、例えば、デューティサイクルが５０％＋／２％の周期的な方形波信号がヒータに印加される）。

【0237】

代替的に、より短いデューティサイクルが、例えば、５～５０％の範囲で使用されてもよい。

【0238】

正弦波（Upp/2でオフセットされ、両方とも正の範囲の半波）と矩形波の間で同じ電力を得るためには、「等価な」矩形波信号または同じ電力の矩形波信号には、４２％のデューティサイクルが必要である。

【0239】

いくつかの実施形態では、デューティサイクルを制御することによってヒータの電力を適応させることは実現されていない。 - これはMSP430ではより困難であるが、より強力なマイクロコントローラを使用する場合には興味深いことである：固定の動作電圧を使用することができ、デューティサイクルを変更することができる（ＰＷＭ制御の一種）。

【0240】

すなわち、任意に、デューティサイクルを変更することにより、（平均）ヒータ電力を設定することができる。あるいは、（ヒータに印加される電圧の）電圧レベル、（ヒータまたは発熱体に流れる電流の）電流レベルを変化させることにより、ヒータ電力を設定してもよい。また、２つのオプションを組み合わせてもよい。

【0241】

1.2.4.1.2 例。ガスセンサの検出器信号評価（詳細は任意)

【0242】

図１１は、本願発明の一実施形態による熱ガスセンサの検出器信号評価の電気回路図である。この場合、ガスセンサの第１の感熱素子構造および第２の感熱素子構造は、それぞれの検出器信号（例えば、第１の感熱素子構造または第２の感熱素子構造によって検出され、ここではセンサ信号と呼ぶこともある）において、ガスセンサの発熱体から分析対象のガスを介して第１の感熱素子構造および第２の感熱素子構造に伝達された熱を評価するために、図１１に図示された検出器信号評価を構成してもよい。一実施形態によれば、図１１は、第１のセンサ（第１の感熱素子構造）の検出器信号評価を説明する図である。この場合、検出器信号評価は、例えば、ＣＰＵ（拡大鏡機能）からＤＡＣ信号ＣＯ２＿Ｓ１＿Ｗｉｎなどの第１の入力信号と、検出器信号ＣＯ２＿Ｓｅｎｓｏｒ１などの第２の入力信号とを受信し、増幅された検出器信号ＣＯ２＿Ｓ１＿ａｎなどの第１の出力信号と、位相評価ＣＯ２＿Ｓ１＿ｄｉｇなどのコンパレータ信号などの第２の出力信号とを提供するように構成されている。

【0243】

一実施形態によれば、ＣＰＵは、センサ信号の振幅がＡＤＣ範囲内に留まるようにヒータを制御する。例えば、センサ信号は、拡大鏡機能を介してＡＤＣ境界内に保持される。例えば、位相評価は、ＭＳＰ４３０のタイマ構造（時間構造）を使用してコンパレータを介して行われる。

【0244】

センサワイヤ（例えば、感熱素子構造のもの）の抵抗変化は非常に小さい。このため、高い増幅率を有する増幅器が好ましいか、または必要とされる。入力電圧（センサ信号な
ど）の絶対値は多くの要因に依存するため、この値を補償することが推奨される。

【0245】

一つの可能性としては、交流（AC）アンプを使用することが考えられる。欠点は、未知の位相シフトが発生することである。

【0246】

したがって、例えば、位相シフトのない直流（ＤＣ）増幅器が使用されている。信号の直流成分を補償するために、一実施形態では、オペアンプ（ＯＰ）の差動入力において、負の入力端子が検出器信号の平均値まで上昇し、ソフトウェアコントローラによって能動的に追跡され、プロセッサのデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）がこの電圧を直接出力する。ＯＰにおける差動入力の差動動作により、入力電圧のＤＣ成分は互いに減算され、信号のＡＣ成分のみが増幅される。このため、ある形態では、アナログからデジタルに変換された（ＡＤＣ）信号が測定され、それがＡＤＣによって検出される可能性のある合理的な境界内にあるかどうかの検査が行われる。信号がＯＰの上限または下限電圧限界に該当する場合、ＤＡＣ値はそれに応じて適応される。これにより、増幅された信号が最適な動作範囲または動作窓に連続的に保持される増幅器が得られ、ここでＯＰでの増幅率は、一種の「拡大鏡機能」であるＤＣ成分を除去することによって増大されてもよい。補償のために必要なＤＡＣ値は、評価のためのさらなるパラメータとして使用されてもよく、これにより、絶対平均温度が決定されてもよく、ガス混合物の熱伝導率は、式（５）からの関係を介して決定されてもよい。

【0247】

センサ信号の位相位置を決定するために、例えばシュミットトリガを使用した。これは、センサ信号のゼロクロスのすぐ上または下で切り替わるように設定されている。ここでは、信号が最も急峻であるため、最小の位相ノイズが発生する。例えば、DC成分はコンデンサを介して除去される。これにより、センサ応答の位相決定が可能になる。

【0248】

プロセッサ（MSP430、テキサス・インスツルメンツ）の内部タイマ構造を利用することで、0.009°の理論的な位相分解能が可能となる。しかしながら、これは回路のノイズのために達成されない。

【0249】

1.2.4.2 実施例。ガスセンサのためのソフトウェア（詳細は任意、形態３と４の機能は一緒に記載されているが、別々に使用することがきる）

【0250】

例えば、ソフトウェアには異なるタスクがある。

【0251】

【0252】

1.2.4.3 例。ガスセンサ用ソフトウェアコントローラ（詳細はオプション）

【0253】

図１２は、本願発明の実施形態による熱ガスセンサ用ソフトウェアのインターリーブコントローラの概略説明図である。

【0254】

複数のインターリーブされたコントローラがソフトウェアで動作する。一番内側のものはＤＣ動作点コントローラである。例えば、定常状態にある場合にのみ（ＤＣオフセットを適応させる必要はなかった）、サンプリング時間のトラッキングが行われる。振幅制御ループでは、例えば、Ｓ１の振幅は一定に保たれる-が、例えば、ＤＣオフセットおよびサンプリング時間を適応させる必要がなかった場合にのみである。外部制御ループでは、Ｓ１の振幅を調整するために必要な加熱エネルギーは、熱システムが特定のガス混合物の大きな帯域幅に動的に適応するように（任意に）調整されてもよい。

【0255】

振幅を決定するためには、例えば、センサワイヤ１本あたり３個のＡ／Ｄサンプルが必要である：下側のピークで最小、ゼロクロス、上側のピークで最大。例えば、次のような処理を行う。

【0256】

・ 例えば、全てのＡＤ値が現在の設定で初期測定される。

・ ここで、例えば、Ｓ１ と Ｓ２ の最小/最大 Ａ/Ｄ 値が有効範囲内にあるかどうかの検査が行われる。もしそうでない場合は、アンプの ＤＣ 動作点が再調整され（ＤＡＣ を介して）、それ以降の全てのコントローラは一時的にオフになる。両方のセンサーチャンネルが許容動作範囲内（A/Dmax < 3900、またはA/Dmin > 200、すなわち4096桁のA/Dレンジの5～95%の範囲）にある場合にのみ、それ以上のコントローラが再びアクティブになる。

・ 振幅の正確な測定を確実にするために、Ａ/Ｄ変換は正しい時間（上/下のピーク、検証のためのゼロクロス）で行われなければならない。現在、例えば、これを行うには２つの方法がある。

o Ａ/Ｄ変換自体を介して：ゼロクロスの時間は，Ａ/Ｄ値の最小ピークと最大ピークの２つの測定時間の間の半分の時間で予想され，すなわち，(min+max)/2は，ゼロクロスでのＡ/Ｄ値に対応していることが望ましい。偏差の場合、次の測定のためのサンプリング時間が適応される。例えば、約 0.625°（度）または 14.47μs の偏差が許容される。

o コンパレータ信号を介して：コンパレータはセンサ信号のゼロクロス時に切り替わるので、例えば、Ａ/Ｄ測定を実施する時間を決定することができる：正エッジの切り替わり時間の測定値で、90°（または上側のピークは2.0833ms）、180°（負エッジのゼロクロスは4.1666ms）、270°（下側のピークは6.2499ms）が加算される。ここでは、0.625°の偏差も許容される。

・ 例えば、両方のコントローラ(DC動作点と位相)が制御値の変更を必要とせず、したがって定常状態にあった場合にのみ、振幅コントローラが効果を発揮する。それは、所望の振幅Ｓ１が達成されるようにヒータの値を再調整する。

【0257】

図３Ａは、本願発明の実施形態による２つの検出器増幅器の直流動作点の制御およびトラッキングを説明するブロック図である。

【0258】

図４は、検出器信号と振幅コントローラＳ１の振幅測定のためのサンプリング時間のトラッキングを説明するブロック図である。全てのコントローラがチューニングされている場合、例えば、ガス混合物は、検出器の振幅および位相の測定値を用いて評価される。

【0259】

一実施形態によれば、図１３Ａおよび図１３Ｂは、図１３Ｂが「サンプリング時間を追跡する」というブロックを介して図１３Ａに接続された１つのブロック図とみなすことができる。

【0260】

1.2.4.4 例。ガスセンサのタイミング表（詳細は任意）

【0261】

例えば、マイクロコントローラのアナログ・デジタル変換器がヒータの消費電流と検出器電圧（センサ信号の例）を測定するＡＤＣ測定時間は、２つのヒータパルス期間にまたがって延びるソフトウェアのタイミングテーブルで定義される。一実施形態によれば、可変ＡＤＣ制御に使用されるプロセッサ上では１つのタイマしか利用できないので、例えば、これらの２つの期間が必要とされる。ヒータが１２０Ｈｚで運転される場合、ガス混合物の評価に関連するすべての測定値は、２期間後、すなわち６０Ｈｚの周波数で得られる。ヒータのパルス形状は期間にわたって安定しているので、入力ヒータ電流は固定時間で測定することができる。ピーク値の場合は４５°で、低熱電流値（一般的にはゼロ）の場合は１７０°で測定する。検出器あたりのそれぞれの３つのＡＤＣ測定値（上側と下側のピーク、およびゼロクロス）は、タイミングテーブルで定義された時間窓内の可変測定値として期待される。

【0262】

・ ADC＿SENSOR1.
o CO2-S1-min：33.6° .. 123.6° (778 μs .. 2861 μs)
o CO2-S1-Null. 123.6° .. 213.6° (2861 μs .. 4944 μs)
o CO2-S1-max: 213.6° .. 303.6° (4944 μs .. 7028 μs)

・ ADC＿SENSOR2.
o CO2-S2-min：68.6°-141.4° (1588 μs .. 3273 μs)
o CO2-S2-Null. 158.6°-231.4° (3671 μs .. 5356 μs)
o CO2-S2-max：248.6° .. 321.4° (5755 μs .. 7440 μs)

【0263】

1.3 実施例。ガスセンサのガス圧力およびガス温度のドリフト補正（例えば、形態２に準拠したもの；詳細は任意）を伴うガス混合物に関する較正のための評価アルゴリズム

【0264】

1.3.1 混合ガス中の測定

【0265】

1.3.1.1 二元混合

【0266】

図１４は、例示的に、一定温度、一定圧力での位相信号におけるセンサのＣＯ₂依存性を示している。ここでは、例えば、３つの位相シフトが図示されている；２００μｍの距離を有するヒータと検出器１との間の位相差Ｄ１-Ｈｚ.ｄＰｈｉ（赤）、３００μｍの距離を有するヒータと検出器２との間の位相差Ｄ２-Ｈｚ.ｄＰｈｉ（青）、および検出器２と検出器１との間の位相差Ｄ２-Ｄ１.ｄＰｈｉ（緑、右ｙ軸）が図示されている。一実施形態によれば、図１４は、圧力ｐ＝１０１０ｍｂａｒ、温度Ｔ_amp＝２４℃、周波数ｆ＝１２０Ｈｚでの加熱電力Ｐ＝（１５±１２.5）ｍＷでの空気中のＣＯ₂の（０...５）ｖｏｌ％に対する位相シフトヒータ検出器を示す。

【0267】

【0268】

1.3.1.2 圧力依存性

【0269】

センサ信号は圧力と温度に強く依存することがある。従って、ガス特性を正しく決定するためには、交差効果を知り、アルゴリズムによって補正する必要がある。例えば、図１６は、空気中のセンサ信号の絶対圧力に対する、および異なる温度に対する交差感度を例示している。例示的に図示されるのは、周波数ｆ＝１２０Ｈｚの加熱電力Ｐ＝（１５±１２，５）ｍＷでの空気中の異なる温度Ｔａｍｐ＝（１８...２８）℃における圧力ｐ＝（９１０...１１１０）ｍｂａｒに対する空気中の検出器Ｄ２-Ｄ１間（例えば、第１の感熱素子構造Ｄ１と第２の感熱素子構造Ｄ２との間）の位相シフトＤ２-Ｄ１の交差感度である。

【0270】

圧力の影響は直線的な関係を示し、温度の影響は理論的に計算されたように二乗関係を示す。いずれの交差感度もガス濃度の信号の大きさのオーダーである。

【0271】

1.3.1.3 加熱電力と周波数依存性

【0272】

図１７Ａは、ＣＯ₂の測定における周波数を横切る位相についてのセンサ信号の説明図である。換言すれば、図１７Ａは、１００％ＣＯ₂における周波数の関数としての位相シフトを示す図である。位相は飽和状態に入る。

【0273】

図１７Ｂは、ＣＯ₂における測定における周波数を横切る振幅のセンサ信号の説明図である。換言すれば、図１７Ｂは、周波数の関数としての１００％ＣＯ₂における振幅をしめす図である。振幅はゼロに向かって減少する。

【0274】

空気と比較して、システムがその A/D レンジを超えないように、燃料ガスの測定では加熱電力を低減する必要がある。加熱電力の変動は、サンプルガスが熱的影響を受けにくい加熱電力を最小に設定する場合と比較して、可能な限り最大のセンサ振幅でシステムを動作させ、より安定した信号を得ることが実際には理にかなっていることを示すが、信号対雑音距離も減少する。センサに周期的に導入される加熱エネルギーは、例えば、連続的に加熱されないように、この期間内に試料体積から離れることができるものでなければならない。例えば、３つの測定系において、１２０Ｈｚで約２６ｍＷのピーク加熱電力が規定されている。

【0275】

センサの動作は1次の理想的なローパスフィルタを構成しており、センサ信号には倍音のスペクトル成分は存在しない。この理由から、周波数スペクトルを積極的に掃引しても付加的な情報は得られない。このため、センサを固定周波数で動作させることにした。このシステムのための電子機器に関する労力を削減することができ、確保された値が得られるまでの必要な測定時間を大幅に短縮することができる（すべて任意）。

【0276】

ヒータでの励起周波数が高いほど、センサ自体の熱質量が固体とガスとの間の伝達速度を制限するので、ガスを介してヒータと検出器との間で伝達されるエネルギーが少なくなる可能性がある。振幅は、ゼロに向かって消えていく信号までの周波数の増加とともに減少し（図１７Ｂ参照）、位相シフトは、それ自体が最大に飽和する（図１７Ａ参照）。

【0277】

異なるガス混合物に対する位相分解能、位相差、及び振幅を最適化することで、例えば、マイクロセンサワイヤでは ２６ｍＷ の加熱電力で １２０Ｈｚ、薄層膜上の ＭＥＭＳサーモパイルセンサでは約８ｍＷで １６０Ｈｚの周波数で最適な位相応答を得ることができた（詳細は任意）。

【0278】

1.3.1.4 燃料ガス混合物

【0279】

測定ステーションで異なるガス組成を調べた。図１８は、窒素添加量の増加に伴うメタン用センサの位相信号の変化をほぼ直線的な挙動として示したものである。例えば、図示されているのは、２００μｍの距離を有するヒータと検出器１との間の位相差Ｄ１-Ｈｚ.ｄＰｈｉ（赤）、３００μｍの距離を有するヒータと検出器２との間の位相差Ｄ２-Ｈｚ.ｄＰｈｉ（青）、および検出器２と検出器１との間の位相シフトＤ２+Ｄ１.ｄＰｈｉ（緑、右ｙ軸）としての、メタン中の窒素濃度の関数としての位相信号である。ここで、実施形態によれば、図１８において、圧力ｐ＝９９０ｍｂａｒ、温度Ｔamp＝２１℃、周波数ｆ＝１２０Ｈｚでの加熱電力Ｐ＝（１３±１２，５）ｍＷでのメタン中のＮ2の（０...３０）ｖｏｌ％について、ヒータ-検出器間の位相シフトが図示されている。

【0280】

【0281】

図２０は、異なる燃料ガスの混合ガスについて、位相と振幅から算出されたセンサ信号ｓｉｇＸ（ガスセンサの合成信号の一例）を示す図である。このように、図２０は、異なる燃料ガスとその混合物であるメタン、エタン、プロパン、およびその混合物であるメタン９５-エタン０５、メタン９３-エタン０５-ＣＯ２０２、メタン９１-エタン０５-ＣＯ２０４、メタン９１-エタン０５-ＣＯ２０２-プロパン０２、メタン９０-エタン１０および天然ガス-Ｌ（２桁の数字は、ガス成分の体積％での割合を示す）のセンサ信号（ガスセンサの合成信号の一例）を示している。メタン、エタンおよびプロパンは、互いに大きく異なるが、メタン混合物もまた、２ｖｏｌ％～１０ｖｏｌ％の異なるガスの成分で互いに異なる。一実施形態によれば、図２０は、圧力ｐ＝１００１ｍｂａｒ、温度Ｔ_amp＝２６℃、周波数ｆ＝１２０Ｈｚでの加熱電力Ｐ＝（１３±１２．５）ｍＷでの異なる燃料ガスについてのセンサ信号を示す。

【0282】

1.3.1.5 混合ガス中の測定結果から得られた知見

【0283】

センサ信号は、強い圧力と温度の依存性を示す。標準条件へのトレーサビリティと表からの比較で既知の混合物のガス特性を正しく決定するためには、そのために交差影響が既知であり、例えば補正されていなければならない。圧力の影響は線形関係を示し、温度の影響は二乗関係を示す。両方の交差感度は、ガス濃度の信号の大きさのオーダーである。

【0284】

1.3.2 実施例。ガスセンサのガス圧力とガス温度に対するドリフト補正を伴う混合ガスの較正方法（例：形態２による、詳細は任意）。

【0285】

1.3.2.1 位相と振幅の和信号（例）

【0286】

位相／振幅測定の組み合わせは、特に安定したセンサ信号（合成信号）であることが示されている。例えば、両方の信号は、別々の定数の助けを借りて重み付けされ、加算され、したがって、例えば、単一のセンサ信号を形成するために結合される。

【0287】

【0288】

ここで、ｓｉｇＸは計算された和信号を表し、ｓｉｇＵｓｓは相対振幅信号を表し、ｓｉｇＰｈｉは両検出器の加算された位相信号を表す。係数ＫａおよびＫｐは、両方の部分信号が乗算される定数である。例えば、振幅信号をｍＶに換算すると、Ｋａ＝１／３５００、位相信号を度数に換算すると、例えば、ＣＯ₂の３０ｖｏｌ％までのＣＯ₂空気混合物では、Ｋｐ＝１／２７６となる。

【0289】

例えば、加算位相信号ｓｉｇＰｈｉは、ヒータインパルスの増加エッジと検出器における増加エッジとの間のランタイムに対する２つの位相差の和から形成される。例えば、以下のようになる。

【0290】

【0291】

ここで、（Ｄ１－Ｈｚ）.ｐｈｉおよび（Ｄ２－Ｈｚ）.ｐｈｉは、ヒータと検出器との間の位相差を構成するためのものである。

【0292】

図１４に示すように、ＣＯ₂濃度が高くなるほど、すなわち熱拡散率が高くなるほど、ヒータと検出器の位相差は大きくなるが、検出器での２つの振幅は熱拡散率が高くなるほど小さくなる（図１５）。

【0293】

例えば、ヒータの振幅と検出器の振幅の和との差が形成されることにより、ガス混合物中のＣＯ₂含有量が増加すると、相対振幅信号が増加する。

【0294】

【0295】

例えば、位相と振幅から計算される信号sigXは、例えばＣＯ₂の(0..6)vol%に対して(1.7..2.0)の間の範囲にある。装置（例えばガスセンサ）は、（１６..２８）℃の間の温度範囲で、（９００..１２００）ｍｂａｒの間の気圧場で測定された。

【0296】

1.3.2.2 多項式補正によるドリフト補正（詳細は任意）

【0297】

既知のガス混合物にセンサを校正する場合、測定値からガス濃度を推測できるように、センサ信号の圧力と温度の強い依存性を補償する必要がある。

【0298】

例えば、ガス濃度（CO2[vol%]）、センサ信号sigX（位相と振幅の和信号）、圧力ドリフト、温度ドリフトからなる４次元のベクトル場（行列）となる。図２１の図において、ガス濃度と温度信号の依存性を示す個々のグラフは、それぞれ一定の周囲圧力または一定の温度を表すものであり、互いに平行にずれていることがわかる。平行にシフトされたすべての特性曲線から平均グラフを形成すると、平均温度と平均圧力についての信号の正規化された関係が得られる（図２１の赤線２３０ａ参照）。

【0299】

図２１は、圧力範囲が(900..1200)mbar、温度範囲が(16..28)℃の場合の、窒素中のＣＯ₂のガス濃度を(0..5)vol%変化させた場合の測定データのマトリクスを示す。圧力依存性多項式関数の助けを借りて、較正曲線の緑の線２３０ｂは、現在の動作圧力に向かってシフトさせることができる。赤線２３０ａは、すべての青線２３０₁から２３０₁₆の平均に対応し、平均温度と平均圧力に正規化されたガス濃度のセンサ信号の特性曲線である。

【0300】

測定された変動からのセンサ信号ｓｉｇＸの特性曲線を、各温度と圧力を横切る平均ガス濃度（図２２参照）に適用してプロットすると、同様に、互いに平行にシフトした直線の曲線の集合が得られる。圧力が高く、冷たいガス、すなわちガス分子が互いに接近している場合には、センサ信号は高くなり、圧力が低く、暖かいガスの場合には、センサ信号sigXは低くなる。

【0301】

このように、図２２は、平均固定ガス濃度に対するセンサ信号ｓｉｇＸの圧力依存性を
、異なる温度の曲線の集合で示している。最も低い線２３０₁は、変動の中で最も高い温度２８℃での関係を記述し、最も高い線２３０₇は、１６℃での信号の圧力依存性を示す。

【0302】

固定平均センサ信号に対して、図２２の平行な一組の線に、当該水平線が一組の曲線の全ての線と交差するような水平線を入れると、図２３のガス圧とガス温度との関係が得られる。

【0303】

図２３は、ガス圧力とガス温度との関係（平均ガス濃度と平均センサ信号ｓｉｇＸの場合）を示している。

【0304】

1.3.2.3 回帰定数の決定（詳細は任意）

【0305】

【0306】

【0307】

【0308】

【0309】

1.3.2.4 ＣＯ２値への信号変換（例：詳細は任意）

【0310】

例えば、回帰面Ａの多項式から算出したガス濃度の値を圧力と温度のドリフトで補正する。

【0311】

【0312】

ここで、A.y(sigX)、B.y(p)、およびC.y(T)は、測定信号、ガス圧力、およびガス温度のそれぞれの全多項式に対応する。

【0313】

この式に変動範囲の幾何学的中心を構成する固定参照を挿入し、それに応じて多項式を分解すると、次のような式が得られる。B.ref = B.y( c.ref) とすると、次のようになる。

【0314】

【0315】

C.ref=1050mbarを挿入した場合、以下のようになる。

【0316】

【0317】

図２４は、形成されたセンサ信号ｓｉｇＸから圧力と温度の影響を考慮してガス濃度を決定する処理の一例を示す概略ブロック図である。すなわち、図２４は、圧力及び温度の影響を考慮して、振幅及び位相からセンサ信号ｓｉｇＸを形成するとともに、形成されたセンサ信号ｓｉｇＸからガス濃度を決定する処理（一例）を模式的に示す説明図である。

【0318】

既知の混合ガスの濃度に対するセンサ信号の較正の他に、混合ガスの熱拡散率ａを直接決定することも可能である。図２５では、理論的に計算された熱拡散率がセンサ信号ｓｉｇＸに対してプロットされている。すなわち、図２５は、窒素Ｎ₂中の二酸化炭素ＣＯ₂の
混合ガス中で、一定圧力、一定温度でのセンサ信号ｓｉｇＸに対する熱拡散率を示している。熱拡散率２４０₁（赤線）は、二酸化炭素濃度２４０₂（緑線）の増加に伴って低下する。

【0319】

このように、物理ガス特性を測定するための熱ガスセンサの設計および評価が本明細書に記載されている。本願発明では、以下のことが提案されている（形態は互いに独立しており、組み合わせて使用することができる）。

【0320】

・ ＳＯＩ基板上のＭＥＭＳワイヤセンサと薄層膜上のサーモパイルセンサの２つの技術バリエーションに基づくセンサ設計
・ ガスセンサの動作：組み込みシステムでの信号生成と信号評価
・ ガス圧力とガス温度に対するドリフト補正を伴う混合ガスの較正のための評価アルゴリズム

【0321】

1.4 市場-可能な応用分野（任意で）

【0322】

呼吸の医療技術における

【0323】

天然ガス分析における-熱量の決定

【0324】

今日の市場には、患者の換気のための様々なシステムがある。これらは臨床および在宅ケア部門での使用方法によって区別される（例：Heinen+Lowenstein社、Drager社、Stephan Medizintechnik社のシステム）。これらの供給者のシステムには、圧力、呼吸流量、呼吸ガス分析に必要なすべての測定装置が上位バージョンにのみ含まれている。このためには、複数の装置を組み合わせて、主に患者から遠隔で測定する必要がある。このことから、患者の近くでの呼吸流量とＣＯ₂含有量のコスト効率の良い測定はまだ実施されておらず、プロジェクトの革新的な内容は、ハイブリッドフィルタを備えたマルチセンサシステムの開発によって確認されていることがわかる。

【0325】

新しいＭＥＭＳベースのガス測定システムの開発に成功したことは、センサ技術と呼吸器ケアにとって大きな進歩であると考えている。１つのセンサシステムに両方のセンサー（ＣＯ₂と流量）を統合することで、設置スペースとシステムの重量を大幅に削減することができる（挿管患者のための必須基準）。患者に近い測定ポイントをマスクやチューブ上に直接設置することで、気道に限りなく近く、チューブや動き、干渉源からの影響を避けるため、十分に正確な測定が可能になる。さらに、熱測定原理により、より正確な流量測定と迅速なガス分析が可能になると期待されている。

【0326】

図２６、図２７および図２８は、ガスセンサのヒータに印加される加熱電圧３００、加熱期間３０２の間の電流フロー３１０、発明の評価装置の任意のＡＤＣ（アナログ-デジタル変換器）の測定時間３２０、および検出器（例えば、第１の検出器または第２の検出器）のコンパレータ信号を例示する図である。例えば、発明的評価装置は、所定の加熱電圧３００におけるヒータを通る電流フロー３１０の測定に基づいて、加熱期間３０２の間にヒータによってどれだけの熱が放散されているかという情報を得るように構成されている。一実施形態によれば、評価装置は、指定された加熱電圧３００をオンにした直後と、指定された加熱電圧をオフにした直後に、電流フロー３１０を取得するように構成されている。例えば、これは、加熱電流３１０の開始ピーク３１２および電流フロー３１０の加熱電流終了値３１４が評価装置によって処理されてもよいことを意味する。

【0327】

実施形態によれば、開始ピーク312は、常に同じガスセンサに対して同じ値を有する(1%未満、0.5%未満、または0.1%未満の小さな変動がある可能性がある)。図26から図28に示された実施形態によれば、開始ピーク312は常に2.93Vであり、スイッチオン後約400μsである。この開始ピーク312の値は、図26から図28のガスセンサについて例示されている。別のガスセンサについては、開始ピーク312の値は、図２６～図２８に例示した値から逸脱していてもよい。ここで、開始ピーク３１２の値は、異なるガスセンサ間だけでなく、構造が同一のガスセンサ間でも逸脱してもよいことに留意されたい。

【0328】

加熱期間３０２の間にヒータが加熱され、その結果、正のＴＣＲ（温度係数）に従ってヒータ抵抗が増加し、スイッチオフの瞬間（Ｉｚｚ＝Ｕ／ＲＨｚ→Ｉｚｚ≒１／ＲＨｚ）にヒータが終了温度に達する。加熱電流終了値３１４が小さいほど、ヒータが高温になり、ヒータを取り囲む分析対象のガスへの放熱量が小さくなり、ガスまたはガス混合物の熱伝導率が小さくなる。

【0329】

【0330】

図26の実施形態によれば、加熱電流端値314は2.7Vに達し、その結果、スイッチオン電流(開始ピーク312)とスイッチオフ電流加熱電流端値314との間に220mVの差(deltaU=220mV)に達する。図２７の実施形態によれば、加熱電流終了値３１４は、スイッチオン電流（開始ピーク３１２）とスイッチオフ電流（加熱電流終了値３１４）との間に２１４ｍＶ（ｄｅｌｔａＵ＝２２０ｍＶ）の差が到達する結果、2.71Ｖに達する。図２８の実施形態によれば、加熱電流終了値３１４は2.72Vに達し、その結果、スイッチオン電流（開始ピーク３１２）とスイッチオフ電流（加熱電流終了値３１４）との間に２１０ｍＶ（deltaU＝２２０ｍＶ）の差が生じる。すなわち、評価装置は、スイッチオン瞬間とスイッチオフ瞬間との間、すなわち、コールドヒータとホットヒータとの間の加熱電流（電流流３１０）の差を処理（検査）する。

【0331】

【0332】

本願発明の実施形態によれば、本願発明のヒータは、例えば３Ｖで加熱できるように高ドープされているので、測定効果は最小である。また、ヒータのＴＣＲ（温度係数）が低い（例えば、≦６＊１０-３ １／Ｋ、≦４.１＊１０-３ １／Ｋ、≦３.９＊１０-３ １／Ｋ）場合がある。

【0333】

このように、本願発明のガスセンサおよび/または本願発明の評価装置では、例えばセンサ信号(例えば電流フロー３１０)を用いて、第3のガスの濃度を識別することができる。緊急換気では、酸素濃度を上昇させるのに用いられる。N 2に50 vol%のO 2を混合したものを使用するのが一般的である。較正時に新鮮ガスに対し高い酸素濃度でセンサ信号を補正しないと、例えばN 2 O 2混合ガス中50 vol%のO 2でガスセンサ(例えば、本発明のガスセンサなどのCO 2センサ)のCO 2濃度は-5%を示す。すなわち、混合物中の第3のガス成分の変化、すなわち酸素濃度の変化は、特定の状況下では、CO 2センサ内の誤差信号につながる。同様に、窒素N 2中の酸素の約56%およびCO 2の約5%の濃度混合物は、センサでは、例えば、21体積%のO 2および約78体積%のN 2による新鮮ガス較正の場合のように、0体積%のCO 2濃度を示す。

【0334】

本願発明のガスセンサの濃度表示をそれに応じて補正することができるような吸入ガスの酸素濃度をセンサに示す技術的可能性がない場合、センサは、例えば、誤った値を表示することになる。

【0335】

図２６から図２８を参照すると分かるように、熱伝導率に関する情報は、ヒータがそのスイッチオフまで到達する終了温度に位置する。加熱開始時の現在のピーク３１２とスイッチオフ直前の終了値３１４との間の温度差（ΔＵ）を比較すると、ガス混合物中の異なる熱伝導率が異なるΔＵで導出され得る。

【0336】

一実施形態によれば、ヒータは定電圧（図２６から図２８によれば、Ｄ／Ａ出力で３００００桁の値に対応するが、これは例示に過ぎず、自由に選択することができる）で動作する。例えば、図１０の場合と同様に、シャント抵抗と電流シャントモニタ、例えばＩＮＡ１９９Ａ、コンポーネントＵ４０２を介した電流測定では、例えば、加熱電流に比例して作用する電圧信号が得られる。図２６～図２８は、オシロスコープで記録された信号のうち、加熱電流の経路（電流の流れ３１０）が大きく拡大された状態（測定ラインを遮蔽することでノイズを低減してもよい）のスクリーンショットを示す図である。例えば、加熱電圧３００と測定された加熱電流３１０との積により、加熱電力に関する記述が可能となる。加熱電流３１０は、ヒータが加熱され、抵抗の温度勾配（ＴＣＲ）により内部抵抗が増加するため、時間の経過とともに減少する。内部抵抗が高いため、同じ加熱電圧（ＩＨｚ≒１／ＲＨｚ）では、より少ない電流が流れる可能性がある。

【0337】

ヒータが周囲のガスに放散することができるエネルギーの量は、特に、ガスの熱伝導率に依存する。例えば、N2中のCO2の10%では、CO2はλ=0.0168 W/(m*K)の熱伝導率を持っているので、ヒータは大量の熱を放散することができず、したがって、ヒータは100%のN2ガスとは対照的に、スイッチオフ前に高い最終温度に達する。測定では、deltaU=220mVの差が出ている。窒素N2はλ=0.0260W/(m*K)の熱伝導率を持っているため、100%CO2ガスに比べて2倍の熱量を放熱することができる。測定では、214mVのΔUが決定されています。窒素と酸素O2の熱伝導率の差はあまり大きくない。しかし、ガスセンサおよび／または本明細書に記載された評価装置では、Ｎ２の測定での測定よりもわずかに小さいΔＵ＝２１０ｍＶが決定されてもよい。

【0338】

図２９は、一実施形態に従った評価装置のための位相情報ｓｉｇＰｈｉを表す可能性のある４つの異なる位相信号を示す。図示されているのは、第１の位相差に関する情報２１０、第２の位相差に関する情報２２０、位相和４００（情報２１０＋情報２２０）、および位相差４１０（情報２２０-情報２１０）である。一実施形態によれば、位相情報２１０、情報２２０、４００、４１０の測定において、温度Ｔ＝２４℃、圧力ｐ＝１０１３mbarが存在する。しかしながら、これは例示に過ぎず、位相情報２１０、２２０、４００、４１０はまた、異なる周囲パラメータ設定（異なる温度、異なる圧力）で捕捉されてもよい。

【0339】

図２９に示される実施形態によれば、(例えば測定点４５２０から４６２０)の第１の部分は、N 2ガス混合物中の10 vol.%CO 2についてのそれぞれの位相情報２１０,２２０,４００および４１０を構成し、(例えば測定点４６７０から４７８０)の第２の部分は、100 vol.%N 2のガスについてのそれぞれの位相情報２１０,２２０,４００および４１０を構成し、(例えば測定点４９６０から５０７０)の第３の部分は、100 vol.%O 2のガスについてのそれぞれの位相情報２１０,２２０,４００および４１０を構成する。例えば、個々の部分の間の持続時間は、それぞれの混合物が設定されるときの待機時間である。

【0340】

例えば、位相和４００は、位相位置の安定した和信号D 1+D 2 (D 1は検出器1に対応し、D 2は検出器2に対応する。)を構成する。例えば、100体積%のO 2と100体積%のN 2との識別性は、全ての位相情報について利用可能である。本実施形態によれば、N 2中のCO 2の10体積%とCO 2の0体積%との間に最大の信号差が生じるが、位相差信号４１０は現在非常にノイズが多いため、位相情報としては位相和４００が好ましい。

【0341】

図３０は、第１の検出器の検出信号の振幅に関する情報２１０と、第２の検出器の検出信号の振幅に関する情報２２０とを示す図である。一実施形態によれば、振幅情報２１０、２２０を測定する際には、温度Ｔ＝２４℃、圧力ｐ＝１０１３ｍｂａｒが存在する。しかし、これは例示に過ぎず、振幅情報２１０、２２０はまた、異なる周囲パラメータ設定（異なる温度、異なる圧力）で捕捉されてもよい。

【0342】

図３０に示される実施形態によれば、第１の部分(例えば測定点４５２０から４６５０)は、N 2ガス混合物中の10体積%のCO 2についてのそれぞれの振幅情報２１０,２２０を構成し、第２の部分(例えば測定点４６７０から４８１０)は、N 2の100体積%のガスについてのそれぞれの振幅情報２１０,２２０を構成し、第３の部分(例えば測定点４９６０から５１２０)は、O 2の100体積%のガスについてのそれぞれの振幅情報２１０,２２０を構成する。個々の部分の間の持続時間は、例えば、それぞれの混合物が設定されるまで待機時間である。

【0343】

第１の検出器の検出器信号の振幅に関する情報２１０と、第２の検出器の検出器信号の振幅に関する情報２２０とは、例えば、D 2 (第２の検出器)の振幅はD 1 (第１の検出器)の振幅よりも小さいため、本実施形態では、D 2 (空気中1.8 mVに対し約5 mV)の方がノイズが大きいなど、安定した振幅信号を構成する。２つの振幅情報２１０,２２０は、位相信号(図２９の２１０,２２０,４００および４１０参照)に比べて、100 vol.%O 2と100 vol.%N 2とを明確に区別することができる。このように、位相と振幅との比の比較は、評価装置(例えば、システムが新鮮空気の較正からあまりにも遠くにドリフトした場合)によって第３のガスO 2の濃度を推測するために意味がある。

【0344】

図３１は、組合せ信号ｓｉｇＸ２３０（右ｙ軸）とＣＯ２基準信号５００（左ｙ軸）を示す。一実施形態によれば、組合せ信号ｓｉｇＸ２３０の測定時には、温度Ｔ＝２４℃、圧力ｐ＝１０１３ｍｂａｒが存在する。しかし、これは例示に過ぎず、合成信号ｓｉｇＸ２３０はまた、異なる周囲パラメータ設定（異なる温度、異なる圧力）で捕捉されてもよい。

【0345】

図３１に示される実施形態によれば、第１の部分(例えば測定点４６１０から４６５０)は、N 2ガス混合物中の10 vol.%のCO 2についての組合せ信号sigX ２３０を構成し、第２の部分(例えば測定点４７００から４８１０)は、N 2の100 vol.%のガスについての組合せ信号sigX ２３０を構成し、そして(例えば測定点４９６０から５１００)の第３の部分は、O 2の100 vol.%のガスについての組合せ信号sigX ２３０を構成する。個々の部分の間の持続時間は、例えば、それぞれの混合物が設定されるまで待機時間である。例えば、 NDIR参照検出器(基準信号５００参照)はCO 2濃度を検出するだけで、 N 2とO 2を区別できない。

【0346】

3つのガスの混合物はすべて、組合せ信号230で明確に区別される。このように、第３のガスＯ２の濃度を推論するために、位相と振幅との間の比を比較することが提案されている。

【0347】

N2の100%とO2の100%の差は位相信号にわずかに影響を与えるだけであるが（図29）、CO2の10%-N2の90%の混合物とN2の100%の混合物の振幅信号の差は、N2の100%とO2の100%の差とほぼ同じくらい大きい（図30）。合成信号sigX（図31）は、この挙動をわずかに曖昧にしている。

【0348】

以下では、本願発明のガスセンサの特徴および機能性を他の言葉で説明するさらなる実施形態が例示される。これらの実施形態は、上述の実施形態と組み合わせてもよいし、代替案を表してもよい。

【0349】

一実施形態によれば、ガスセンサは膜センサである。膜および穿孔膜を有するサーモパイル技術に基づく熱ガスセンサは、より高いガス感度の信号を得るために、膜または構造物の支持を介した寄生熱輸送を最小化するために実施されてもよい。

【0350】

一実施形態によれば、本願発明のガスセンサは、電子システムを構成してもよく、ここで、電子システムは、以下の形態のうちの１つまたはいくつかを個別にまたは組み合わせて構成してもよい。電子システムは、ソフトウェアを介して追跡される動作点を有するＤＣセンサ増幅器を備えてもよい。さらに、電子システムは、マイクロコントローラ（ＭＳＰ４３０）の内部タイマ構造を介して位相位置の測定を実行するように実装されてもよく
、ここで、例えば、アナログスイッチおよびマイクロコントローラ（ＭＳＰ４３０）の内部タイマ構造を介したヒータ励起信号の正確な生成が、本明細書で使用される。さらに、電子システムは、信号がそこで最も急峻であり、したがって位相ノイズが最小化されるので、ゼロ点交差におけるＤＣオフセットから解放されたセンサ信号を測定するシュミットトリガを介してセンサ信号の位相位置の測定を実行するように実装されてもよい。オプションとして、電子システムは、Ｓ１振幅コントローラを介した加熱電力の制御、および/またはサンプリングのタイミングの制御を含む。
。

【0351】

一実施形態によれば、ガスセンサは較正を有してもよい。較正は、位相と振幅からなる疑似信号を形成するように構成されていてもよく、ここで、信号の形成において強調されていることと、式は疑似信号に配置されていてもよい。

【0352】

特許請求の範囲による実施形態は、本明細書に記載されたすべての特徴、機能性、および詳細を補足してもよいことに留意されたい（これが矛盾をもたらさない場合）。

【0353】

特許請求の範囲の特徴、機能性、および詳細は、追加の実施形態を得るために、本明細書に記載された実施形態と組み合わせてもよい。

【0354】

個々の実施形態またはいくつかの実施形態に示された特徴および機能は、これに反する重大な技術的理由がない場合には、他の実施形態においても採用され得ることに留意されたい。

【0355】

さらに、本明細書に記載された実施形態の部分的な機能性は、これに対して重要な技術的理由がない場合に採用されてもよいことに留意されたい。

【0356】

いくつかの形態が装置の文脈の中で記述されているにもかかわらず、装置のブロックまたは構造部品が対応する方法ステップまたは方法ステップの特徴としても理解されるように、前述の形態は対応する方法の記述も表していることが理解される。それに類推して、方法ステップの文脈の中で、または方法ステップとして記述されてきた形態もまた、対応する装置の対応するブロックまたは詳細または特徴の記述を表している。方法ステップの一部または全部は、マイクロプロセッサ、プログラマブルコンピュータ、または電子回路などのハードウェア装置を使用しながら（またはハードウェア装置を使用しながら）実行されてもよい。いくつかの実施形態では、最も重要な方法ステップの一部かまたはいくつかは、そのような装置によって実行されてもよい。

【0357】

特定の実施要件に応じて、本願発明の実施形態は、ハードウェアまたはソフトウェアで実施することができる。実施形態は、デジタル記憶媒体、例えばフロッピーディスク（フロッピーは登録商標）、ＤＶＤ、ブルーレイディスク、ＣＤ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＥＰＲＯＭまたはＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリ、ハードディスク、またはそれぞれの方法が実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと協働して、または協働して、その上に格納された電子的に読み取り可能な制御信号を有する他の任意の磁気または光学メモリを使用している間に実施されてもよい。このため、デジタル記憶媒体は、コンピュータ読み取り可能であってもよい。

【0358】

したがって、本願発明によるいくつかの実施形態は、本明細書に記載された方法のいずれかが実行されるように、プログラマブル・コンピュータ・システムと協働することができる電子的に読み取り可能な制御信号を含むデータ担体を備える。

【0359】

一般に、本願発明の実施形態は、プログラムコードを有するコンピュータプログラム製
品として実施されてもよく、プログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されるときに、いずれかの方法を実行するために有効である。

【0360】

また、プログラムコードは、例えば機械読み取り可能な担体に格納されていてもよい。

【0361】

他の実施形態では、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するためのコンピュータプログラムを含み、前記コンピュータプログラムは、機械読み取り可能な担体に格納されている。

【0362】

換言すれば、本願発明の方法の一実施形態は、このように、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行される場合に、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。

【0363】

したがって、本願発明の方法のさらなる実施形態は、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するためのコンピュータプログラムが記録されたデータ担体（またはデジタル記憶媒体またはコンピュータ読み取り可能な媒体）である。データ担体、デジタル記憶媒体、または記録された媒体は、典型的には有形または不揮発性である。

【0364】

したがって、本願発明の方法のさらなる実施形態は、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するためのコンピュータプログラムを表すデータストリームまたは信号のシーケンスである。データストリームまたは信号のシーケンスは、例えば、データ通信リンクを介して、例えばインターネットを介して送信されるように構成されてもよい。

【0365】

さらなる実施形態は、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するように構成または適合された処理ユニット、例えばコンピュータまたはプログラマブル論理装置を含む。

【0366】

さらなる実施形態は、本明細書に記載の方法のいずれかを実行するためのコンピュータプログラムがインストールされたコンピュータを含む。

【0367】

本願発明によるさらなる実施形態は、本明細書に記載された方法の少なくとも１つを実行するためのコンピュータプログラムをレシーバに送信するように構成された装置またはシステムを含む。送信は、例えば、電子的または光学的であってもよい。レシーバは、例えば、コンピュータ、モバイル装置、メモリ装置、または類似の装置であってもよい。装置またはシステムは、例えば、コンピュータプログラムをレシーバに送信するためのファイルサーバを含んでもよい。

【0368】

いくつかの実施形態では、プログラマブル論理装置（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、ＦＰＧＡ）が、本明細書に記載された方法の機能の一部または全部を実行するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイは、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するためにマイクロプロセッサと協働してもよい。一般に、いくつかの実施形態では、方法は、任意のハードウェアデバイスによって実行される。前記ハードウェアデバイスは、コンピュータプロセッサ（ＣＰＵ）のような任意の普遍的に適用可能なハードウェアであってもよく、またはＡＳＩＣのような方法に特有のハードウェアであってもよい。

【0369】

例えば、本明細書に記載された装置は、ハードウェア装置を用いて実施してもよいし、コンピュータを用いて実施してもよいし、ハードウェア装置とコンピュータとの組み合わせを用いて実施してもよい。

【0370】

本明細書に記載された装置、または本明細書に記載された装置の任意の構成要素は、少
なくとも部分的にハードウェアおよび／またはソフトウェア（コンピュータプログラム）で実施されてもよい。

【0371】

例えば、本明細書に記載された方法は、ハードウェア装置を使用して実施してもよいし、コンピュータを使用して実施してもよいし、ハードウェア装置とコンピュータとの組み合わせを使用して実施してもよい。

【0372】

本明細書に記載された方法、または本明細書に記載された方法の任意の構成要素は、少なくとも部分的に実施および／またはソフトウェア（コンピュータプログラム）によって実施されてもよい。

【0373】

上述の実施形態は、単に本願発明の原理を例示しているに過ぎない。他の当業者は、本明細書に記載された配置および詳細の修正および変形を理解するであろうことが理解されるであろう。このため、本願発明は、本明細書の説明および実施形態の考察によって本明細書に提示された特定の詳細によってではなく、以下の請求項の範囲によってのみ限定されることが意図されている。
1.5 参考文献

【0374】

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】