(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元性ガス中で抵抗値が減少する金属酸化物半導体ガスセンサの出力を、デジタル情報処理装置により処理し、ガス検出用の比較値と比較することにより、ガスを検出するガス検出装置であって、
前記デジタル情報処理装置は、
前記ガスセンサの出力から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出すると共に、
空気中でのガスセンサの抵抗値が高いほど、空気中の抵抗値と前記比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、前記比較値を発生させるように構成されていることを特徴とする、ガス検出装置。
【請求項２】
前記デジタル情報処理装置は、前記ガスセンサの出力の分布から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出することを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
【請求項３】
前記デジタル情報処理装置は、
空気中でのガスセンサの抵抗値の初期値に対応するデータを記憶すると共に、
空気中でのガスセンサの抵抗値と空気中でのガスセンサの抵抗値の初期値との比に対応する値が大きいほど、空気中の抵抗値と比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、ガス検出用の比較値を発生させるための補正因子を記憶していることを特徴とする、請求項１または２のガス検出装置。
【請求項４】
前記デジタル情報処理装置は、
相対的に低い濃度から高い濃度までの複数の濃度での、ガス中でのガスセンサの抵抗値の初期値を記憶し、
ガス中でのガスセンサの抵抗値の初期値に補正因子を乗算することにより、ガス検出用の比較値を発生させ、
かつ空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に低い濃度に対応する補正因子が高い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子を記憶していることを特徴とする、請求項３のガス検出装置。
【請求項５】
前記デジタル情報処理装置は、
空気中でのガスセンサの抵抗値に補正因子を乗算することにより、ガス検出用の比較値を発生させ、
かつ空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に高い濃度に対応する補正因子が低い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子を記憶していることを特徴とする、請求項３のガス検出装置。
【請求項６】
前記デジタル情報処理装置は、
空気中でのガスセンサの抵抗値の初期値に補正因子を乗算することにより、ガス検出用の比較値を発生させ、
かつ空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に低い濃度に対応する補正因子が高い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子を記憶していることを特徴とする、請求項３のガス検出装置。
【請求項７】
還元性ガス中で抵抗値が減少する金属酸化物半導体ガスセンサの出力を、デジタル情報処理装置により処理し、ガス検出用の比較値と比較することにより、ガスを検出するガス検出方法であって、
前記デジタル情報処理装置により、前記ガスセンサの出力から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出し、
前記デジタル情報処理装置により、空気中でのガスセンサの抵抗値が高いほど、空気中の抵抗値と前記比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、前記比較値を発生させることを特徴とする、ガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属酸化物半導体ガスセンサによるガス検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物半導体ガスセンサの抵抗値は種々の要素により変動するため、低濃度のガスを正確に検出することは難しい。この点に関し、特許文献１（JP2741381B）では、金属酸化物半導体ガスセンサの抵抗値がほぼ一定である時に、ガスセンサの抵抗値を基準値として記憶する。そして記憶した抵抗値からの変化によりガスを検出する。特許文献２（JP2911928B）は、SnO2膜を450℃以上の温度から室温へ急冷すると、空気中での抵抗値が激増し、しかもガス中での抵抗値は増加しないことを開示している。このため室温で高感度にガスを検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】JP2741381B
【特許文献２】JP2911928B
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１ではガスセンサの抵抗値の定常値を用いるが、この定常値は種々の要素により変動する。従って定常値に何らかの定数を乗算することにより、ガス中で示すはずの抵抗値に換算することは難しい。
この発明は、低濃度のガスを正確に検出することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明のガス検出装置は、還元性ガス中で抵抗値が減少する金属酸化物半導体ガスセンサの出力を、デジタル情報処理装置により処理し、ガス検出用の比較値と比較することにより、ガスを検出する。この発明では、デジタル情報処理装置により、ガスセンサの出力から、好ましくは出力の分布から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出し、空気中でのガスセンサの抵抗値が高いほど、空気中の抵抗値と比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、比較値を発生させる。【０００６】
この発明のガス検出方法では、還元性ガス中で抵抗値が減少する金属酸化物半導体ガスセンサの出力を、デジタル情報処理装置により処理し、ガス検出用の比較値と比較することにより、ガスを検出する。デジタル情報処理装置は、ガスセンサの出力から、好ましくは出力の分布から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出し、空気中でのガスセンサの抵抗値が高いほど、空気中の抵抗値と比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、比較値を発生させる。【０００７】
図６，図１５に示すように、ガス中と空気中との抵抗値の比と、空気中の抵抗値とには強い相関がある。そして空気中の抵抗値が高いほど、空気中とガス中との抵抗値の比が大きくなる。なおこの明細書で、空気中はガス中と対比する用語で、ガスセンサにより検出できる濃度のガスを含まず、湿度は任意である。この発明では、デジタル情報処理装置により、ガスセンサの出力から、例えばガスセンサの出力の分布から、空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータを抽出する。例えば所定の期間毎の、ガスセンサの抵抗値分布での最大値に対応する出力を抽出する。あるいは、ガスセンサの抵抗値の分布での、高抵抗側の所定位置（上位5%の位置、上位10%の位置など）にある抵抗値等を抽出する。これらは空気中に対応するガスセンサの抵抗値である。空気中の抵抗値が高いほど、空気中とガス中との抵抗値の比が大きくなるので、抽出した空気中の抵抗値を用いてガス中で示すはずの抵抗値を発生させ、ガス検出用の比較値とする。【０００８】
なお空気中でのガスセンサの抵抗値を表すデータは、ガスセンサの出力分布を用いないでも抽出できる。例えば呼気中のガスを検出する場合、電源をオンしガスセンサの加熱を開始した後、ガスセンサがガスを検出可能になると、測定を開始する。そこでガスセンサがガスを検出可能になると、その時点でのガスセンサの抵抗値を空気中の抵抗値としても良い。また便器等にガスセンサを設置し、人の排泄物の匂い等を検出する場合、人が着座したことを検出した時点でのガスセンサの抵抗値を、空気中の抵抗値としても良い。【０００９】
ガス検出用の比較値とは、所定濃度のガスが存在する場合に、ガスセンサが持つはずの抵抗値あるいは抵抗値に対応する値である。そしてガスセンサの抵抗値が比較値以下であれば所定濃度以上のガスが存在し、ガスセンサの抵抗値が比較値あるいは比較値から定まる抵抗値よりも大きければ、ガス濃度は所定値未満であるとする。またガスセンサの出力は、抵抗値として扱っても、その逆数の電気伝導度として扱っても、あるいはガスセンサの負荷抵抗への出力電圧として扱っても良い。空気中の抵抗値とその初期値の比の代わりに、その逆数を用いても良い。また空気中とガス中の抵抗値の比の代わりに、その逆数であるガス中と空気中との抵抗値の比を用いても良い。これらは定義は異なるが、データの意味は同じである。【００１０】
好ましくはデジタル情報処理装置は、空気中でのガスセンサの抵抗値の初期値に対応するデータを記憶する。デジタル情報処理装置はさらに、空気中でのガスセンサの抵抗値と空気中でのガスセンサの抵抗値の初期値との比に対応する値が大きいほど、空気中の抵抗値と比較値に対応する抵抗値との比が大きくなるように、ガス検出用の比較値を発生させるための補正因子を記憶している。さらに好ましくは、デジタル情報処理装置はガス中でのガスセンサの抵抗値の初期値Rgas0に対応するデータを記憶し、Rair/Rair0により補正因子Cを定めてRgas0を補正し、ガス検出用の比較値、例えばC・Rgas0とする。あるいはまた、情報処理装置は、比Rair/Rair0によりRairをガス中の抵抗値Rgasに換算するための、補正因子Dを記憶しても良い。この場合も、デジタル情報処理装置は空気中での抵抗値の初期値Rair0に対応するデータを記憶する。そして例えば補正因子Dを空気中の抵抗値Rairに乗算し、ガス検出用の比較値D・Rairとしても良い。C・Rgas0とD・Rairとの相違点は、Rgas0を直接用いるかどうかである。D・Rairを用いる場合、補正因子DがRgas0/Rair0に関する情報を含んでいる。【００１１】
好ましくは、デジタル情報処理装置は、
相対的に低い濃度から高い濃度までの複数の濃度での、ガス中でのガスセンサの抵抗値の初期値を記憶し、
ガス中でのガスセンサの抵抗値の初期値に補正因子Ciを乗算することにより、ガス検出用の比較値を発生させ、
かつ空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に低い濃度に対応する補正因子が高い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子Ciを記憶している。【００１２】
上記の例を説明する。図５の表に示すように、初期値に対する空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、低濃度でガス中での抵抗値の初期値に対する補正因子を大きく変化させ、高濃度では変化を小さくする。このことは図６〜図１５のデータと一致する。例えば図７、図８のデータから、上記の手法により正確にガス濃度を検出できることが分かる。【００１３】
好ましくは、デジタル情報処理装置は、
空気中でのガスセンサの抵抗値に補正因子Diを乗算することにより、ガス検出用の比較値を発生させ、
かつ空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に高い濃度に対応する補正因子が低い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子Diを記憶している。【００１４】
上記の例を説明する。空気中でのガスセンサの抵抗値に応じて、空気中でのガスセンサの抵抗からのガス中の抵抗値への換算用の補正因子Diを変化させる。そして相対的に高い濃度に対応する補正因子を、低い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化させる。このことは図６〜図１５のデータと一致する。例えば図７、図８の場合、空気中からガス中への換算用の補正因子を、高濃度で大きく、低濃度で小さく変化させると、正確にガス濃度を検出できる。補正因子は、図５と同様に、例えば空気中の抵抗値とその初期値との比を見出しとして、記憶する。なお上記の比を逆にして、空気中の抵抗値の初期値と測定時点での空気中の抵抗値との比を見出しにしても良い。【００１５】
測定時点での空気中の抵抗値Rairの代わりに、空気中での抵抗値の初期値Rair0を補正因子により換算して比較値を発生させても良い。この場合、補正因子を上記の例とは逆に変化させる。即ち、デジタル情報処理装置は、空気中でのガスセンサの抵抗値の変化に対して、相対的に低い濃度に対応する補正因子が高い濃度に対応する補正因子よりも大きく変化するように、複数のガス濃度での補正因子を記憶する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例のガスセンサの断面図
【図２】実施例のガス検出装置のブロック図
【図３】実施例のガス検出アルゴリズムを示すフローチャート
【図４】空気中の抵抗値の推定アルゴリズムを示すフローチャート
【図５】補正テーブルによる処理を模式的に示す図
【図６】0.1〜1ppmのメチルメルカプタン中の抵抗値と空気中の抵抗値との相関を示す特性図  （n=5）
【図７】メチルメルカプタン中の抵抗値と空気中の抵抗値の推移を示す特性図で、ガスセンサは主として動作状態に置いた  （n=5）
【図８】水素中の抵抗値と空気中の抵抗値の推移を示す特性図で、ガスセンサは主として動作状態に置いた  （n=5）
【図９】図７のデータをガス中と空気中との抵抗比として示す特性図
【図１０】図８のデータをガス中と空気中との抵抗比として示す特性図
【図１１】メチルメルカプタン中の抵抗値と空気中との抵抗値の推移を示す特性図で、ガスセンサは主として停止状態に置いた  （n=5）
【図１２】水素中の抵抗値と空気中の抵抗値の推移を示す特性図で、ガスセンサは主として停止状態に置いた  （n=5）
【図１３】図１１のデータをガス中と空気中との抵抗比として示す特性図
【図１４】図１２のデータをガス中と空気中との抵抗比として示す特性図
【図１５】デカン中の抵抗値と空気中の抵抗値との相関を示す特性図  （n=12）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１８】
図１〜図１５に実施例を示す。図１はガスセンサ２の構造を示し、４は膜状の金属酸化物半導体で、例えばSnO2膜、WO3膜、In2O3膜等で、これらの金属酸化物半導体は還元性ガスに接触すると抵抗値が減少する。また周囲温度が増加する、あるいは絶対湿度が増加すると、抵抗値が減少する。金属酸化物半導体膜４の抵抗値は、これ以外に空気中に含まれる微量のガスによっても変化する。【００１９】
金属酸化物半導体４の抵抗値を検出するため、例えば一対の電極５，５が接続され、基板６にヒータ８が設けられ、金属酸化物半導体４を動作温度に加熱する。ガスセンサ２の材料、構造は任意である。例えば基板６を、Siチップの空洞上に設けた、SiO2／SiNｘ/SiO2等の薄膜、TaNx等の薄膜としても良い。一対の電極５，５を設けず、ヒータ８を金属酸化物半導体４と接触させても良い。金属酸化物半導体４の抵抗値が変化すると、ヒータ８と金属酸化物半導体４の合成抵抗が変化するので、ヒータ８の見かけの抵抗値を監視する。【００２０】
図２は、ガス検出装置の構造を示す。電源からガスセンサ２に電力を供給し、例えば金属酸化物半導体４に接続した負荷抵抗１０への電圧を、マイクロコンピュータ１２のADコンバータ１４によりAD変換する。メモリ１５にはマイクロコンピュータ１２の動作プログラムを記憶させ、メモリ１６には種々のデータを記憶させる。CPU１７は演算と論理判断を行う。エアレベル推定部２０は、空気中での金属酸化物半導体４の抵抗値（ガスセンサ２の抵抗値）を抽出する。なおエアレベル（空気中の抵抗値）の推定には、CPU１７，メモリ１５，１６を使用する。補正テーブル２１は、空気中の抵抗値をガス検出用の比較値へ変換するための補正因子を記憶し、テーブル形式以外のフォーマットでデータを記憶しても良い。出力インターフェース２２はガスの検出結果を出力する。【００２１】
ガスセンサ２の出力を、金属酸化物半導体４の抵抗値に換算して処理しても、金属酸化物半導体４の電気伝導度に換算して処理しても、あるいは負荷抵抗１０への電圧のままで処理しても良い。以下では、負荷抵抗１０への電圧を金属酸化物半導体４の抵抗値に換算して処理する例を示す。【００２２】
図３〜図５に、実施例のアルゴリズムを示す。ガス検出装置の出荷前に、空気中の抵抗値Rair0、及び１〜複数の濃度でのガス中の抵抗値Rgas0を測定し、これらをメモリ１６に不揮発に記憶させる。空気中のガスセンサの抵抗値Rairを、図４のアルゴリズム等により抽出する。例えば10分以上1日以下の期間を所定の期間とし、期間内のガスセンサの抵抗値の最大値をサンプリングする。この抵抗値を次の期間での、空気中の抵抗値Rairとする。期間は20分以上4時間以下がより好ましい。【００２３】
抵抗値の最大値を抽出するのではなく、抵抗値の分布のヒストグラムでの、例えば最も抵抗値が高い側から5%などの位置にある抵抗値を、空気中の抵抗値としても良い。また空気中の抵抗値を表すパラメータを適宜に発生させ、測定した抵抗値がより高ければ、前記のパラメータを例えば10%増加させ、低ければ例えば1%減少させても良い。このようにしても、ヒストグラムの高抵抗側の裾を抽出するのと同様に、空気中の抵抗値を抽出できる。空気中の抵抗値Rairは、過去のガスセンサの抵抗値の分布での高抵抗側の部分にある。【００２４】
図４のアルゴリズムで空気中の抵抗値Rairを抽出すると、Rair/Rair0が求まる。これを見出しとして、補正テーブル２１から、補正因子Cを読み出す。複数のガス濃度での抵抗値の初期値Rgas0を記憶する場合、補正テーブル２１に各ガス濃度毎の補正因子Ciを記憶する。そしてC・Rgas0、あるいはCi・Rgas0i（Ciはi番目のガス濃度での補正因子、Rgas0iはi番目のガス濃度での抵抗値の初期値）をガス検出用の比較値としてガスを検出する。このアルゴリズムを図５の左上に示す。なおテーブル形式で補正因子を記憶するか否かは任意である。またテーブル２１の各欄の間では、線形補間により補正因子C,Ciを求める。【００２５】
Rair/Rair0が1よりも大きい場合、補正因子C,Ciは１よりも大きく、かつRair/Rair0よりも小さい。Rair/Rair0が1よりも小さい場合、補正因子C,Ciは１よりも小さく、かつ
Rair/Rair0よりも大きい。読み出した補正因子C,Ciを、記憶済みのガス中の抵抗値Rgas0に例えば乗算し、ガス検出用の比較値C・Rgas0あるいはCi・Rgas0iを生成する。そして実際のガスセンサの抵抗値が生成した比較値以下の場合に、所定濃度以上のガスが存在すると判断する。即ちC・Rgas0，Ci・Rgas0i とガスセンサの抵抗値を比較し、ガスを検出する。【００２６】
C・Rgas0をRgasとすると、Rair/Rair0が1よりも大きい場合、補正因子CはRair/Rair0よりも小さい。従って、  Rgas=C・Rgas0＜Rair/Rair0×Rgas0  である。この式を整理すると、  Rgas／Rair＜Rgas0/Rair0  、即ち  Rair／Rgas＞Rair0／Rgas0  となる。これは空気中での抵抗値が大きい（RairがRair0よりも大きい）と、空気中とガス中との抵抗値の比が大きくなることを意味する。【００２７】
Rgasoを補正因子Cで補正するのではなく、図５の左下に示すように、Rair/Rair0により別の補正因子Dを定め、D・Rairをガス検出用の比較値としても良い。この場合、Dは1未満である。例えば複数のガス濃度で検出する場合、Dはガス濃度が高い程小さい。低濃度側から始まる番号をiとして、複数の補正因子Diをテーブル２１に記憶させ、番号iが増すと補正因子Diは小さくなる。Diはガス中と空気中の抵抗比を表し、Rair/Rair0が大きい（空気中の抵抗値が高い）と小さくなり、Rair/Rair0が小さい（空気中の抵抗値が低い）と大きくなる。この場合は、Rair0を記憶するが、Rgas0を記憶する必要はない。また  Rair/Rair0=1  の場合（空気中の抵抗値が初期値から変化していない場合）、Di・Rairはi番目のガス濃度でのガスセンサ抵抗値の初期値  Rgas0i  に一致する。即ち
Di・Rair=Di・Rair0=Rgas0i  （  Rair=Rair0  ）である。【００２８】
図６〜図１４は、空気中、及び0.1〜1ppmのメチルメルカプタン（MM）と、30〜300ppmの水素への、ガスセンサの抵抗値の挙動を示し、センサ数nは5、結果は5個のセンサの平均である。バックグラウンドの空気は空調を施した実験室の空気である。  【００２９】
図６〜図１４は、
・  空気中の抵抗値が高いとガス中の抵抗値が高く（図７，図８，図１１，図１２）、
・  空気中の抵抗値が高いと空気中とガス中との抵抗比が大きくなる（図９，図１０，図１３，図１４）ことを示している。Rair/Rair0が大きいほど、空気中とガス中との抵抗値の比Rair/Rgasが大きくなる。そこでこの条件を充たすように補正因子Cを記憶し、
C・Rgas0と比較することによりガスを検出する。あるいは補正因子Dを記憶し、D・Rairと比較することによりガスを検出する。これによって、正確に低濃度のガスを検出できる。【００３０】
図１５は、3ppm及び10ppmのデカン中での、デカン中と空気中の抵抗比と、空気中の抵抗値との相関を示す。センサ数nは12で、結果は12個のセンサの平均であり、気温を20℃、相対湿度を65%に調整して測定した。デカン濃度が同じであれば、空気中の抵抗値が高いほど、デカン中と空気中の抵抗比は小さくなり、これらの相関は極めて高い。そこでこの場合も、前記の補正因子Cを用い、C・Rgas0と比較することによりガスを検出できる。また前記の補正因子Dを用い、D・Rairと比較することによりガスを検出できる。
【符号の説明】
【００３１】
２  ガスセンサ    ４  金属酸化物半導体    ５  電極    ６  基板
８  ヒータ    １０  負荷抵抗    １２  マイクロコンピュータ
１４  ADコンバータ    １５，１６  メモリ    １７  CPU
２０  エアレベル推定部    ２１  補正テーブル
２２  出力インターフェース
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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