(57)【要約】【課題】半導体ガスセンサの濃度特性の直線性を改善する。【解決手段】対象ガスに感応して電気抵抗値が変動する感ガス体１１１と、感ガス体１１１に対して直列に接続された分圧抵抗１１２と、感ガス体１１１に対しては並列に、分圧抵抗１１２に対しては直列に接続された並列抵抗１１３と、分圧抵抗１１２、感ガス体１１１または並列抵抗１１３の両端間の電圧を示す信号を外部へ出力する出力端子１１５とを備える半導体ガスセンサ１１０を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のガスに感応して電気抵抗値が変動する感ガス体と、
前記感ガス体に対して直列に接続された分圧抵抗と、
前記感ガス体に対しては並列に、前記分圧抵抗に対しては直列に接続された並列抵抗と、
前記分圧抵抗、前記感ガス体または前記並列抵抗の両端間の電圧を示す信号を外部へ出力する出力端子と
を備える半導体ガスセンサ。
【請求項２】
前記信号を増幅して前記出力端子へ供給する増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体ガスセンサ。
【請求項３】
一端および他端を有し、特定のガスに感応して両端間の電気抵抗値が変動する感ガス体と、
前記感ガス体の他端に、前記感ガス体に対して直列に接続された分圧抵抗と、
前記感ガス体の両端間に、前記感ガス体に対して並列に接続された並列抵抗と、
前記感ガス体の他端に接続された出力端子と
を備える半導体ガスセンサ。
【請求項４】
前記感ガス体の他端に生起した信号を増幅して前記出力端子へ供給する増幅器を備え、
前記出力端子は、前記増幅器を介して前記感ガス体の他端に接続されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体ガスセンサ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体ガスセンサと、
前記半導体ガスセンサの前記出力端子から出力された信号を用いて、前記感ガス体の曝露雰囲気の組成を推定する組成推定部と
を備えるガス組成測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ガスセンサの濃度特性の直線性の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ガスセンサは、特定のガスに感応して電気抵抗値が変動する半導体で形成された感ガス体を有し、電圧を示す信号を出力する（特許文献１参照）。半導体ガスセンサは、例えば、呼気等の被測定ガスの組成を測定するガス組成測定器に組み込まれて用いられる。ガス組成測定器は、半導体ガスセンサの出力電圧に基づいて、感ガス体の曝露雰囲気中の特定のガスの濃度を推定し、推定した濃度に基づいて被測定ガスの組成を推定する。
【特許文献１】特開２００２−４８７４５号公報（特願２０００−２３０６８９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガス組成測定器は、曝露雰囲気中の特定のガスの濃度の推定において、半導体ガスセンサの出力電圧の、曝露雰囲気中の特定のガスの濃度に対する変動特性、すなわち半導体ガスセンサの濃度特性が線形であるとみなす。しかし、従来の半導体ガスセンサの濃度特性は非線形であり、その直線性は低く、特に高濃度側で飽和する傾向にある。これは、ガス組成測定器の測定精度の向上を阻害する一因となっている。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体ガスセンサの濃度特性の直線性を改善することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、特定のガスに感応して電気抵抗値が変動する感ガス体と、前記感ガス体に対して直列に接続された分圧抵抗と、前記感ガス体に対しては並列に、前記分圧抵抗に対しては直列に接続された並列抵抗と、前記分圧抵抗、前記感ガス体または前記並列抵抗の両端間の電圧を示す信号を外部へ出力する出力端子とを備える半導体ガスセンサ（第１の半導体ガスセンサ）を提供する。第１の半導体ガスセンサでは、従来と同様に、感ガス体の曝露雰囲気中の特定のガスの濃度に対する感ガス体の電気抵抗値の変動特性、すなわち感ガス体の濃度特性の直線性は低くなる。しかし、並列抵抗が存在するため、感ガス体の両端間の電気抵抗値（合成抵抗値）の、曝露雰囲気中の特定のガスの濃度に対する変動特性の直線性は、高くなる。したがって、出力信号が示す電圧の、曝露雰囲気中の特定のガスの濃度に対する変動特性の直線性、すなわち第１の半導体ガスセンサの濃度特性の直線性は、従来の半導体ガスセンサに比較して高くなる。よって、本発明によれば、半導体ガスセンサの濃度特性の直線性を改善し、高濃度側での飽和を抑制することができる。
【０００６】
第１の半導体ガスセンサにおいて、前記信号を増幅して前記出力端子へ供給する増幅器を備えるようにしてもよい。この形態の半導体ガスセンサ（第２の半導体ガスセンサ）によれば、出力端子から出力される信号で示される電圧の変動範囲を広げることができる。したがって、例えば、半導体ガスセンサの後段にＡ／Ｄ変換器が配される場合、このＡ／Ｄ変換器に要求される分解能を低くすることができる。
【０００７】
本発明は、一端および他端を有し、特定のガスに感応して両端間の電気抵抗値が変動する感ガス体と、前記感ガス体の他端に、前記感ガス体に対して直列に接続された分圧抵抗と、前記感ガス体の両端間に、前記感ガス体に対して並列に接続された並列抵抗と、前記感ガス体の他端に接続された出力端子とを備える半導体ガスセンサ（第３の半導体ガスセンサ）を提供する。第３の半導体ガスセンサによれば、第１の半導体ガスセンサと同様の効果を得ることができる。
【０００８】
第３の半導体ガスセンサにおいて、前記感ガス体の他端に生起した信号を増幅して前記出力端子へ供給する増幅器を備え、前記出力端子は、前記増幅器を介して前記感ガス体の他端に接続されている、ようにしてもよい。この形態の半導体ガスセンサ（第４の半導体ガスセンサ）によれば、第２の半導体ガスセンサと同様の効果を得ることができる。
【０００９】
本発明は、第１〜第４の半導体ガスセンサのいずれか一つと、前記半導体ガスセンサの前記出力端子から出力された信号を用いて、前記感ガス体の曝露雰囲気の組成を推定する組成推定部とを備えるガス組成測定器を提供する。このガス組成測定器によれば、曝露雰囲気の組成を高い精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
＜１．全体＞
図１は、本発明の一実施形態に係るガス組成測定器１００の外観を示す斜視図である。ガス組成測定器１００は、呼気を被測定ガスとし、その使用者の片手に把持される中空の筐体１０１と、筐体１０１に設けられた各部とを有する。筐体１０１の表面には、使用者の呼気が吹き込まれる吹込口１０３が設けられている。吹込口１０３は、筐体１０１内の空洞に繋がっている。
【００１１】
図２は、ガス組成測定器１００の電気的な構成を示すブロック図である。筐体１０１内には、使用者の指示を入力するための入力部１０２、各種の情報を表示する表示部１０４、各種の処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０５、半導体ガスセンサ１１０、Ａ／Ｄ変換器１０６、半導体ガスセンサ１１０のヒートクリーニングを行うヒーター１０７および書き込まれた情報を電子データの形態で記憶（保持）する記憶部１０８が設けられている。
【００１２】
入力部１０２は、具体的には、筐体１０１の表面に露出している操作ボタンを備え、その操作内容に応じた信号を出力する操作部である。ＣＰＵ１０５は、入力部１０２の出力信号を受けることにより、入力部１０２を用いて入力された指示を受け取る。表示部１０４は、具体的には、筐体１０１の表面に露出している表示面を有する液晶ディスプレイである。ＣＰＵ１０５は、表示部１０４に対して、情報に応じた信号を供給することにより、この情報を表示させる。
【００１３】
半導体ガスセンサ１１０は、特定のガスである対象ガスに感応するものであり、呼気に曝露される位置に設けられ、対象ガスに感応して電気抵抗値が変動する半導体（例えば、酸化第二錫（ＳｎＯ２）等の金属酸化物を成分とした半導体）で形成された感ガス体１１１を有し、電圧を示す出力信号ｓ１を出力する。出力信号ｓ１が示す電圧が、半導体ガスセンサ１１０の出力電圧Ｖｓである。
【００１４】
Ａ／Ｄ変換器１０６は、半導体ガスセンサ１１０の出力信号ｓ１をＡ／Ｄ変換して出力する。ＣＰＵ１０５は、Ａ／Ｄ変換器１０６の出力信号を受けることにより、半導体ガスセンサ１１０の出力電圧Ｖｓを把握する。ヒーター１０７は、感ガス体１１１に近接して配置され、ＣＰＵ１０５から発熱を指示する制御信号ｓ２を受けると発熱し、これによって感ガス体１１１を加熱して還元する。すなわち、ヒーター１０７は、ＣＰＵ１０５の制御に従って半導体ガスセンサ１１０のヒートクリーニングを行う。
【００１５】
記憶部１０８は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の書き換え可能な不揮発性メモリを有する。記憶部１０８に記憶される情報には、ＣＰＵ１０５に実行されるプログラムや、半導体ガスセンサ１１０を校正するための校正係数（例えばスパン係数）等の各種の値が含まれる。ＣＰＵ１０５は、記憶部１０８に値を書き込み、記憶部１０８から値を読み出し、記憶部１０８に記憶されている値を更新する。入力部１０２が操作されてガス組成測定器１００の電源が投入されると、ＣＰＵ１０５は、記憶部１０８に記憶されているプログラムを読み出して実行する。この処理を除くと、ＣＰＵ１０５が行う全ての処理は、このプログラムを用いて行われる。
【００１６】
ＣＰＵ１０５は、ガス組成測定器１００の電源が投入されると、ゼロ点調整を行い、半導体ガスセンサ１１０の出力電圧Ｖｓと、記憶部１０８に記憶されている校正係数とに基づいて、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度を推定し、この濃度に基づいて曝露雰囲気の組成を推定する。つまり、ＣＰＵ１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６および記憶部１０８は、協働して、半導体ガスセンサ１１０の出力信号ｓ１を用いて曝露雰囲気の組成を推定する組成推定部として機能する。
【００１７】
＜２．半導体ガスセンサ＞
図３は、半導体ガスセンサ１１０付近の構成例を示す電気回路図である。この図に示す例では、電源電圧Ｖｄｄがヒーター１０７と半導体ガスセンサ１１０に共通であるが、これを変形し、両者の電源電圧を異ならせてもよい。半導体ガスセンサ１１０は、感ガス体１１１、分圧抵抗１１２、並列抵抗１１３および出力端子１１５を備える。感ガス体１１１は一端１ａおよび他端１ｂを有し、分圧抵抗１１２は一端２ａおよび他端２ｂを有し、並列抵抗１１３は一端３ａおよび他端３ｂを有する。電源電圧Ｖｄｄは、感ガス体１１１の一端１ａと分圧抵抗１１２の他端２ｂ間に印加されている。
【００１８】
感ガス体１１１の他端１ｂは、分圧抵抗１１２の一端１ａに電気的に接続されている。分圧抵抗１１２の他端１ｂは接地されている。つまり、分圧抵抗１１２は、他端１ｂに、感ガス体１１１に対して直列に接続されている。なお、感ガス体１１１について「電気抵抗値」とは、一端１ａと他端１ｂ間の電気抵抗値を意味する。
【００１９】
感ガス体１１１の一端１ａは、並列抵抗１１３の一端３ａに電気的に接続されている。また、感ガス体１１１の他端１ｂは、並列抵抗１１３の他端３ｂに電気的に接続されている。つまり、並列抵抗１１３は、一端１ａと他端１ｂ間に、感ガス体１１１に対しては並列に、分圧抵抗１１２に対しては直列に接続されている。なお、他端１ｂ、一端２ａおよび他端３ｂは、出力端子１１５に電気的に接続されている。
【００２０】
感ガス体１１１の電気抵抗値は、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に応じて変動する。したがって、他端１ｂ、一端２ａ、他端３ｂには、電位が計時変動する信号が生起する。この信号は、出力信号ｓ１として、出力端子１１５から外部（Ａ／Ｄ変換器１０６）へ出力される。出力信号ｓ１の電位、すなわち出力電圧Ｖｓは、分圧抵抗１１２の一端２ａと他端２ｂ間の電圧Ｖｄに一致する。つまり、出力信号ｓ１は、その電位でＶｄ＝Ｖｓを示す信号となり、出力端子１１５は、Ｖｄ＝Ｖｓを示す出力信号ｓ１を外部へ出力することになる。
【００２１】
ところで、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に対する感ガス体１１１の電気抵抗値の変動特性、すなわち感ガス体１１１の濃度特性の直線性は、従来と同様に低くなる。しかし、並列抵抗１１３が存在するため、一端１ａと他端１ｂ間の電気抵抗値（合成抵抗値）の、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に対する変動特性の直線性は、高くなる。したがって、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に対する出力電圧Ｖｓの変動特性の直線性、すなわち半導体ガスセンサ１１０の濃度特性の直線性が高くなり、高濃度側での飽和が抑制される。よって、ガス組成測定器１００によれば、呼気の組成を高い精度で測定することができる。
【００２２】
＜３．実験結果＞
図４は、本実施形態における実験結果を示す表である。この表は、感ガス体１１１を対象ガスの濃度が０、２．５、５の被測定ガスに曝露し、各被測定ガスへの曝露時に、感ガス体１１１の電気抵抗値Ｒｓ、分圧抵抗１１２の電気抵抗値Ｒｄ、並列抵抗１１３の電気抵抗値Ｒｐ、感ガス体１１１と並列抵抗１１３との合成抵抗値ＲｓＲｐ／（Ｒｓ＋Ｒｐ）および出力電圧Ｖｓを測定する実験で得られたものである。なお、ＲｄおよびＲｐは共通の固定値（０．５）である。
【００２３】
図５は、濃度特性例を示すグラフである。この図に示す特性線Ｌ１〜Ｌ３のうち、上記の実験で得られたものは、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に対する感ガス体１１１の電気抵抗値Ｒｓの変動特性、すなわち感ガス体１１１の濃度特性を示す特性線Ｌ１と、曝露雰囲気中の対象ガスの濃度に対する出力電圧Ｖｓの変動特性、すなわち半導体ガスセンサ１１０の濃度特性を示す特性線Ｌ２である。特性線Ｌ１から明らかなように、感ガス体１１１の濃度特性の直線性は低い。
【００２４】
図６は、本実施形態と比較する比較例に係る半導体ガスセンサ２１０の構成を示す電気回路図である。半導体ガスセンサ２１０は、半導体ガスセンサ１１０から並列抵抗１１３を除いた構成を有する。図７は、比較例における実験結果を示す表である。この表は、半導体ガスセンサ２１０の感ガス体１１１を対象ガスの濃度が０、２．５、５の被測定ガスに曝露し、各被測定ガスへの曝露時に、感ガス体１１１の電気抵抗値Ｒｓ、分圧抵抗１１２の電気抵抗値Ｒｄおよび出力電圧Ｖｓを測定する実験で得られたものである。なお、Ｒｄは固定値（１）である。
【００２５】
この実験でも、感ガス体１１１の濃度特性は、図５の特性線Ｌ１で示される通りとなる。しかし、半導体ガスセンサ２１０の濃度特性は、図５の特性線Ｌ３で示される通りとなる。特性線Ｌ２と特性線Ｌ３とを比較すれば明らかなように、感ガス体１１１の濃度特性の直線性が共通であるにも関わらず、半導体ガスセンサ１１０の濃度特性の直線性（具体的には−１．９％）は、半導体ガスセンサ１１０の濃度特性の直線性（具体的には−１４．２９％）よりも高くなっている。
【００２６】
なお、図４および図７から明らかなように、半導体ガスセンサ１１０の出力電圧Ｖｓの変動範囲（０．７７８−０．６００＝０．１７８）は、半導体ガスセンサ２１０の出力電圧Ｖｓの変動範囲（０．５００−０．１６７＝０．３３３）よりも狭くなる。このため、半導体ガスセンサ１１０の後段のＡ／Ｄ変換器１０６に要求される分解能は、半導体ガスセンサ２１０の後段のＡ／Ｄ変換器に要求される分解能よりも高い。
【００２７】
＜４．変形＞
本発明は、上述した実施形態のみならず、以下に列挙する変形例をもその範囲に含む。
図８は、上述した実施形態の変形例に係る半導体ガスセンサ３１０の構成を示す電気回路図である。半導体ガスセンサ３１０は、増幅器１１４を有する点で、半導体ガスセンサ１１０と異なる。増幅器１１４は、入力端４ａおよび出力端４ｂを有し、入力端４ａから入力した信号を増幅して出力端４ｂから出力する。入力端４ａは感ガス体１１１の他端１ｂ、分圧抵抗１１２の一端２ａおよび並列抵抗１１３の他端３ｂに、出力端４ｂは出力端子１１５に電気的に接続されている。つまり、他端１ｂ、一端２ａおよび他端３ｂは、増幅器１１４を介して出力端子１１５に接続されている。
【００２８】
半導体ガスセンサ３１０では、増幅器１１４が、他端１ｂ、一端２ａおよび他端３ｂに生起した信号、すなわち電圧Ｖｄを示す信号を増幅して出力端子１１５へ供給する。したがって、半導体ガスセンサ３１０の出力電圧Ｖｓの変動範囲（レンジ）は、半導体ガスセンサ１１０の出力信号ｓ１の変動範囲よりも広くなる。よって、半導体ガスセンサ３１０の後段のＡ／Ｄ変換器に要求される分解能は、半導体ガスセンサ１１０の後段のＡ／Ｄ変換器１０６に要求される分解能よりも低くてよく、半導体ガスセンサ２１０の後段のＡ／Ｄ変換器に要求される分解能と同程度で足りる。
【００２９】
図９は、上述した実施形態の他の変形例に係る半導体ガスセンサ４１０の構成を示す電気回路図である。前述の半導体ガスセンサ１１０では、感ガス体１１１の一端１ａに電源電位Ｖｄｄが供給され、分圧抵抗１１２の他端２ｂが接地されているのに対し、半導体ガスセンサ４１０では、他端２ｂに電源電位Ｖｄｄが供給され、一端１ａが接地されている。つまり、半導体ガスセンサ４１０の出力電圧Ｖｓは、感ガス体１１１の他端１ｂと一端１ａ間の電圧であって並列抵抗１１３の他端３ｂと一端３ａ間の電圧でもある電圧Ｖｇと一致する。なお、このような変形は、半導体ガスセンサ３１０に対しても可能である。
【００３０】
また、上述した実施形態では、ガス組成測定器として呼気の組成を測定するものを例示したが、これを変形し、呼気以外のガスの組成を測定する形態としてもよい。また、上述した実施形態では、半導体ガスセンサの用途としてガス組成測定器への組み込み用途を例示したが、半導体ガスセンサの用途はこれに限るものではない。なお、これらのことは、上述した各変形例にもあてはまる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス組成測定器１００の外観を示す斜視図である。
【図２】ガス組成測定器１００の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】ガス組成測定器１００の半導体ガスセンサ１１０付近の構成例を示す電気回路図である。
【図４】本実施形態における実験結果を示す表である。
【図５】濃度特性例を示すグラフである。
【図６】本実施形態と比較する比較例に係る半導体ガスセンサ２１０の構成を示す電気回路図である。
【図７】比較例における実験結果を示す表である。
【図８】本実施形態の変形例に係る半導体ガスセンサ３１０の構成を示す電気回路図である。
【図９】本実施形態の他の変形例に係る半導体ガスセンサ４１０の構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ａ，２ａ，３ａ…一端、１ｂ，２ｂ，３ｂ…他端、４ａ…入力端、４ｂ…出力端、１００…ガス組成測定器、１０１…筐体、１０２…入力部、１０３…吹込口、１０４…表示部、１０５…ＣＰＵ、１０６…Ａ／Ｄ変換器、１０７…ヒーター、１０８…記憶部、１１０，２１０，３１０，４１０…半導体ガスセンサ、１１１…感ガス体、１１２…分圧抵抗、１１３…並列抵抗、１１４…増幅器、１１５…出力端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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