(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を、高温域と低温域とに繰り返し周期的に温度変化させながらＣＯを検出する方法において、
金属酸化物半導体の抵抗値からガスを検出するためのタイミングを、低温域の第１のタイミングと、第１のタイミングよりも低温域の初期の第２のタイミングの少なくとも２種設け、第１のタイミングでの前記抵抗値を主としてＣＯを検出し、
第１のタイミングを主として求めたＣＯ濃度が所定値以上の場合に、第２のタイミングを主としてＣＯを検出することを特徴とする、ガス検出方法。
【請求項２】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を、ヒータで加熱するようにしたガスセンサの、ヒータへの印加電力を周期的に変化させて、金属酸化物半導体の温度を、高温域と低温域とに変化させるようにしたガス検出装置において、
低温域の第１のタイミングで、ガスセンサの出力をサンプリングしてＣＯを検出するための手段と、
第１のタイミングで求めたＣＯ濃度が所定値以上で、第１のタイミングよりも低温域初期の第２のタイミングで、ガスセンサの出力をサンプリングしてＣＯを検出するための手段とを設けたことを特徴とする、ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明は、高濃度域でガスセンサのガス濃度依存性が低下することへの補正に関する。
【０００２】
【従来技術】
ＳｎＯ２等の金属酸化物半導体をヒータで加熱し、金属酸化物半導体の温度を周期的に変化させて、ガスを検出することが知られている。この手法は当初ＣＯの検出に用いられ、現在ではＣＯとメタンや、ＣＯとＬＰＧ等の複数のガスの検出にも用いられ、またオゾンや塩素、アンモニア等の検出にも用いられている。ガスセンサの温度変化のパターンは、当初は高温域でも低温域でも共に加熱してガスセンサを室温以上の温度にするものであったが、現在では高温域が短時間のパルス加熱からなり、低温域が室温へのガスセンサの放置からなるものも実用化されている。ガスセンサの温度変化を用いたガスの検出では、高濃度域でガスセンサ出力の濃度依存性が減少するため、高濃度域でのガスの検出に信頼性がない。
【０００３】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、高濃度域でのガスセンサの濃度依存性の低下を補い、検出精度を増すことにある（請求項１，２）。
この発明での追加の課題は、高濃度域でのガスセンサのＣＯ濃度依存性の低下を補うための具体的な手法を提供することにある。
【０００４】
【発明の構成】
この発明は、ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を、高温域と低温域とに繰り返し周期的に温度変化させながらＣＯを検出する方法において、金属酸化物半導体の抵抗値からガスを検出するためのタイミングを、低温域の第１のタイミングと、第１のタイミングよりも低温域の初期の第２のタイミングの少なくとも２種設け、第１のタイミングでの前記抵抗値を主としてＣＯを検出し、第１のタイミングを主として求めたＣＯ濃度が所定値以上の場合に、第２のタイミングを主としてＣＯを検出することを特徴とする。
【０００５】
第１のタイミングの抵抗値を主として、第２のタイミングの抵抗値を主としてなどの意味は、第１のタイミングでの抵抗値と第２のタイミングでの抵抗値の間で、第１のタイミングの抵抗値の比重を大きくする、第２のタイミングの抵抗値を大きくするなどのことである。
【０００６】
この発明のＣＯの条件では、第１のタイミングは一般に相対湿度依存性が小さく、水素などの雑ガスへの感度が低いが、高濃度のＣＯで濃度依存性が小さくなる。第２のタイミングでは、湿度依存性も大きく、水素への感度も高いが、高濃度域でもＣＯ濃度依存性が大きい。そこで第１のタイミングを主として求めたＣＯ濃度が所定値以上の場合に、第２のタイミングを主としてＣＯを検出する。
【０００７】
この発明はまた、ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を、ヒータで加熱すようにしたガスセンサの、ヒータへの印加電力を周期的に変化させて、金属酸化物半導体の温度を、高温域と低温域とに変化させるようにしたガス検出装置において、低温域の第１のタイミングで、ガスセンサの出力をサンプリングしてＣＯを検出するための手段と、第１のタイミングで求めたＣＯ濃度が所定値以上で、第１のタイミングよりも低温域初期の第２のタイミングで、ガスセンサの出力をサンプリングしてＣＯを検出するための手段、とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の作用と効果】
この発明では、検出対象ガスをＣＯとし、金属酸化物半導体の温度変化パターンが高温域とその後の低温域との繰り返しから成り、第１のタイミングも第２のタイミングも共に低温域にあり、第１のタイミングで所定濃度以上のＣＯが存在することを検出した場合、第１のタイミングよりも低温域初期にある第２のタイミングの金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯを検出する。このようにすれば、高濃度のＣＯに対して、金属酸化物半導体のＣＯ濃度依存性が低下することを解決できる。
【００１０】
請求項２の発明では、金属酸化物半導体の温度を高温域と低温域とに周期的に変化させ、低温域の第１のタイミングでガスセンサの出力をサンプリングしてＣＯを検出し、この際のＣＯ濃度が所定値以上の場合、第１のタイミングよりも低温域初期にある第２のタイミングで、ＣＯを検出する。このようにすれば高濃度域で、金属酸化物半導体のＣＯ濃度依存性が低下するという問題を補うことができる。
【００１１】
【実施例】
図１〜図７に実施例を示す。図１に実施例の回路構成を示すと、２はガスセンサで、ＲHはそのヒータ抵抗を表し、ＲSはガスセンサ２の金属酸化物半導体の抵抗値を示す。また金属酸化物半導体には負荷抵抗ＲLを直列に接続し、４は電池等の電源で、６，８は一対のスイッチで、スイッチ６はヒータをオンさせるためのもので、スイッチ８はガスセンサに検出電圧を加えるためのものである。
【００１２】
１０はマイクロコンピュータで、１２はＡＤコンバータ、１４はヒータ制御部で、スイッチ６をオン／オフさせて、ヒータを制御する。１６はサンプリング制御部で、スイッチ８をオン／オフさせて、ガスセンサに加える検出電圧を制御し、スイッチ８のオン時にＡＤコンバータ１２を駆動する。
【００１３】
１８は低濃度検出部で、ここでは４００ppm以下のＣＯを検出し、２０は高濃度検出部で、４００ppm以上のＣＯを検出し、２２は警報部で、外部にＣＯ濃度等を出力する。低濃度検出部１８は、第１のタイミングでの金属酸化物半導体の抵抗値をＣＯ濃度に換算するための換算表や関数等を有しており、高濃度検出部２０は第２のタイミングでの金属酸化物半導体の抵抗値をＣＯ濃度に換算するための換算表や関数等を有している。
【００１４】
図２に用いたガスセンサ２の例を示すと、３０は絶縁基板で、３２は断熱ガラス膜で、３４はヒータで、３６は層間の絶縁膜で、３８は金属酸化物半導体膜で、ここではＳｎＯ2膜（例えば２０μｍ厚でＰｄ等の触媒を添加）を用いた。なおガスセンサの種類自体は任意で、例えばビーズ状の金属酸化物半導体の内部に、コイル状のヒータ兼用電極と中心電極とを埋設したものでも良い。
【００１５】
ガスセンサの温度変化のパターンは任意で、実施例ではヒータをパルス的に発熱させて、金属酸化物半導体をパルス的に加熱し、その他の期間は金属酸化物半導体を室温付近に放置するものを用いた。この場合、パルス加熱期間とその直後が高温域で、それ以外の期間が低温域に相当する。これ以外に例えば高温域を３００℃程度、低温域を１００℃程度とし、低温域の第１のタイミングと第２のタイミングとを用いてＣＯを検出するもの等でも良い。高温域や低温域の発生には、ヒータを方形波で駆動する（実施例の場合）の他に、三角波やサイン波などをヒータに加えても良い。
【００１６】
図３にガスセンサ２の動作パターンを示す。ガスセンサ２は１秒周期で動作し、最初の１４ｍ秒の間、ヒータをオンして金属酸化物半導体を３００℃強まで加熱し、その後９８６ｍ秒の間ヒータをオフし、金属酸化物半導体の温度は時刻１００ｍ秒よりも前に室温付近まで低下する。検出対象ガスはＣＯで、第１のタイミングは９９８ｍ秒目で、第２のタイミングは２５５ｍ秒目である。なおパルス加熱の周期は１秒に限らず、例えば１秒〜３分間程度とし、パルス加熱の幅は例えば５ｍ秒〜１０秒程度とする。
【００１７】
図４，図５に、３０〜１０００ppmのＣＯ中でのセンサの抵抗値の波形の例を示す。これは１個のセンサの抵抗値で、図４，図５において、各線は上からＣＯ３０ppm，７０ppm，１５０ppm，４００ppm，１０００ppmを表す。
【００１８】
図４から明らかなように、８００ｍ秒目以降の部分では、ＣＯ４００ppmとＣＯ１０００ppmとの抵抗値は近接し、４００ppm以上でのＣＯ濃度依存性がほとんど失われている。しかしながら、１秒周期の駆動では、パルス加熱後の時間が経過するほど、センサ抵抗の湿度依存性が減少し、かつ水素への感度が小さくなるので、実施例では第１のタイミングを９９８ｍ秒目とする。
【００１９】
第２のタイミングは２５５ｍ秒目で、これはセンサ抵抗のＣＯ濃度依存性が大きなタイミングである。そして図４から明らかなように、１５０ｍ秒目〜３５０ｍ秒目の範囲でＣＯ濃度依存性が大きく、第２のタイミングはこの範囲が好ましい。ただしこのタイミングでは湿度依存性も大きく、水素への感度も高い。図５の０秒目〜１４ｍ秒目がヒータがオンしている区間で、時刻４０ｍ秒目付近にセンサ抵抗のピークがあり、ピークを経過した後にＣＯ濃度依存性が発現し、ＣＯ濃度依存性は、前記のように、時刻１５０ｍ秒〜３５０ｍ秒程度で最大となる。
【００２０】
図６に実施例の測定アルゴリズムを示す。１秒周期でガスセンサ２を駆動し、最初の１４ｍ秒間パルス的にヒータをオンし、前回の第１のタイミングでのＣＯの検出で、高濃度フラグがセットされている場合、２５５ｍ秒目でのセンサ抵抗のサンプリング（第２のタイミング）を追加し、２５５ｍ秒目で求めたセンサ抵抗とＣＯ濃度との関係からＣＯ濃度を算出する。高濃度フラグがセットされていない場合、２５５ｍ秒目のサンプリングを省略する。
【００２１】
９９８ｍ秒目が第１のタイミングで、センサ抵抗をサンプリングし、ＣＯ濃度を求める。求めたＣＯ濃度が所定の値Ｋ（例えば４００ppm）以上の場合、高濃度フラグをセットする。そして４００ppm以上の場合、２５５ｍ秒目で求めたＣＯ濃度を使用し、それ以外の場合は９９８ｍ秒目で求めたＣＯ濃度を用いる。
【００２２】
図７に、ガスセンサ２の５つのロットに対して求めた、ＣＯ濃度の真値と表示値との関係を示す。図７の各線は５つのロットを表し、各ロットのセンサ数はそれぞれ５個で、図７にはその平均値を示す。図７の破線は９９８ｍ秒目のセンサ抵抗から求めたＣＯ濃度の表示値を示し、実線は、図６のアルゴリズムで、４００ppm以上を２５５ｍ秒目のセンサ抵抗で求めた際の表示値である。
【００２３】
図７のデータの測定では、各ガスセンサに対して、２５５ｍ秒目と９９８ｍ秒目とでのセンサ抵抗とＣＯ濃度との関係を求め、１ヶ月エージングした後に再度測定して図７の結果を得た。４００ppm以上の濃度でも第１のタイミング（９９８ｍ秒目）で処理する場合、１０００ppmのＣＯ濃度に対して、４００〜５００ppm程度の表示値しか得られない。これに対して４００ppm以上を、第２のタイミング（２５５ｍ秒目）のセンサ抵抗で処理すると、３０〜１０００ppmの広い範囲に対して正確にＣＯ濃度を求めることができる。
【００２４】
図６のアルゴリズムでは、表示値が４００ppm以上で第２のタイミングの信号を１００％用いてＣＯ濃度を求めたが、４００ppm以上のＣＯを第１のタイミングの信号と第２のタイミングの信号の加重平均等で求めても良く、高濃度域での検出には第２のタイミングの信号の比重を増し、低濃度域では第２のタイミングの信号の比重を小さくすれば良い。またサンプリング自体は、常時第１のタイミングと第２のタイミングの双方で行い、高濃度のＣＯを検出する場合に第２のタイミングの信号を用いても良い。
【００２５】
実施例では特定の例を示したが、高濃度のＣＯ中でガスセンサのＣＯ濃度依存性が低下することは、図２のガスセンサに限らず、金属酸化物半導体のビーズ中にヒータ兼用電極と中心電極とを埋設したセンサを、温度変化させて用いる場合にも生じる。またこれ以外のガスセンサを、高温域と低温域とに温度変化させて低温域でＣＯを検出する際にも生じる。そしてこれらの場合のいずれにおいても、低濃度側を第１のタイミングのセンサ抵抗を主として処理し、高濃度側を第２のタイミングよりも低温側の初期の第２のタイミングのセンサ抵抗を主として処理すると、より正確にＣＯ濃度を求めることができる。実施例では高濃度域でのＣＯ濃度依存性の低下を補うことを例にしたが、このような現象はメタン中やＬＰＧ中あるいはアンモニア中、オゾン中、塩素中等でも生じ、検出対象とするガスの種類はＣＯには限らない。
【図面の簡単な説明】
【図１】    実施例のブロック図
【図２】    実施例に用いたガスセンサの断面図
【図３】    実施例の動作パターンを示す図
【図４】    ガスセンサの１周期分の出力波形を示す特性図
【図５】    図４の部分拡大図
【図６】    実施例の動作アルゴリズムを示すフローチャート
【図７】    実施例と従来例とでのＣＯ濃度の表示値を示す特性図
【符号の説明】
２    ガスセンサ
４    電源
６，８  スイッチ
１０    マイクロコンピュータ
１２    ＡＤコンバータ
１４    ヒータ制御部
１６    サンプリング制御部
１８    低濃度検出部
２０    高濃度検出部
２２    警報部
３０    絶縁基板
３２    断熱ガラス膜
３４    ヒータ
３６    絶縁膜
３８    金属酸化物半導体膜
【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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