CN107870183B - 气体传感器和气体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高精度地进行气体检测的气体传感器。气体传感器包括：第1检测元件、第2检测元件、第3检测元件和运算部。上述第1检测元件因特定气体的吸附而发生共振频率变化，包括具有规定结构的第1振子和设置在上述第1振子上的吸附上述气体的第1吸附膜。上述第2检测元件因上述气体的水分而发生共振频率变化，包括具有上述规定结构的第2振子和设置在上述第2振子上的吸附上述水分的第2吸附膜。上述第3检测元件包括具有上述规定结构的第3振子，因上述气体的温度而发生共振频率变化。上述运算部，基于上述第2检测元件的共振频率变化和上述第3检测元件的共振频率变化对上述第1检测元件的共振频率变化进行修正。

Description

气体传感器和气体检测方法
技术领域
本发明涉及能够补偿温度、湿度的影响的气体传感器。
背景技术
作为补偿温度、湿度的影响的气体传感器，例如专利文献1中记载了一种用标准气体校正气体传感器的零点来进行被测量气体的测量的气体测量装置。该气体测量装置中，用温度传感器和湿度传感器测量被测量气体和标准气体的温湿度，从气味传感器的输出减去基于它们的温度差和湿度差的影响量和气味传感器的偏移成分，由此对标准气体和被测量气体的湿度差和温度差所致的测量误差进行补偿。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-174673号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，上述的气体测量装置中，测量标准气体和被测量气体这两种气体，所以需要标准气体产生机构，装置规模变大。另外，当气味传感器、温度传感器和湿度传感器的输出特性不同时，会不能实时地对温度和湿度进行补偿，所以例如存在不能精度良好地检测瞬时流过的被检测气体的问题。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种实现结构的简化，并且即使是瞬时流过的被检测气体也能够精度良好地检测的气体传感器和使用其的气体检测方法。
用于解决课题的方法
为了达成上述目的，本发明的一个方式的气体传感器具有第1检测元件、第2检测元件、第3检测元件和运算部。
上述第1检测元件包括具有规定结构的第1振子和设置在上述第1振子上的吸附特定气体的第1吸附膜，该第1检测元件因上述气体的吸附而发生共振频率变化。
上述第2检测元件包括具有上述规定结构的第2振子和设置在上述第2振子上的吸附上述气体的水分的第2吸附膜，该第2检测元件因上述水分而发生共振频率变化。
上述第3检测元件包括具有上述规定结构的第3振子，该第3检测元件因上述气体的温度而发生共振频率变化。
上述运算部，基于上述第2检测元件的共振频率变化和上述第3检测元件的共振频率变化来修正上述第1检测元件的共振频率变化。
根据本发明的这种结构，能够计算不存在温度和湿度的影响的仅与气体物质相关的共振频率变化，能够精度良好地检测气体。
第1检测元件中，第1振子的共振频率与第1吸附膜所吸附的气体的重量成比例地降低，所以通过检测振子的共振频率的变化量能够确定气体的吸附量，但第1振子的共振频率也随温度和湿度变动，所以由第1检测元件检测的共振频率变化中包含了仅与气体物质相关的成分、与温度相关的成分和与湿度相关的成分。
本发明中，基于进行湿度补偿的第2检测元件和进行温度补偿的第3检测元件各自的检测结果，对第1振子的共振频率进行修正，所以能够计算不存在温度和湿度的影响的仅与气体物质相关的共振频率变化。因此，能够精度良好地检测气体。
另外，通过在补偿用的第2检测元件和第3检测元件中使用具有与第1检测元件同样结构的振子，能够得到检测响应性快的检测元件。通过在气体传感器中使用这样的检测元件，即使被检测气体是瞬时流过的气体，也能够精度良好地检测气体。
上述运算部，基于上述第3检测元件的共振频率变化对上述第2检测元件的共振频率变化进行修正，基于该修正结果和上述第3检测元件的共振频率变化来修正上述第1检测元件的共振频率变化。
像这样，可以基于温度补偿用的第3检测元件的检测结果来修正湿度补偿用的第2检测元件的检测结果。
第2检测元件因第2吸附膜吸附水分而发生共振频率变化，但存在温度依赖，共振频率变化也随温度变动。因此，通过将第1检测元件的检测结果的修正时使用的第2检测元件的检测结果预先基于温度补偿用的第3检测元件的检测结果进行修正，能够得到精度更高的检测结果。
也可以上述第1振子和上述第2振子包括AT切割石英片，上述第3振子包括共振频率相对温度变化线性变化的石英片。
像这样，第1振子和第2振子能够使用在室温附近特性不变化的AT切割石英片。而且，温度补偿用的第3检测元件的第3振子能够使用共振频率相对温度变化线性变化的石英片。共振频率相对温度变化线性变化的石英片，例如能够使用切割角从AT切割偏离了的石英片。由此，能够根据从第3检测元件检测出的共振频率变化来检测温度。
也可以还包括第4检测元件，其包括具有规定结构的第4振子和设置在上述第4振子上的吸附与上述气体不同的特定气体的第4吸附膜，该第4检测元件因与上述气体不同的特定气体的吸附而发生共振频率变化，上述运算部基于上述第2检测元件的共振频率变化和上述第3检测元件的共振频率变化来修正上述第4检测元件的共振频率变化。
像这样，可以采用设置多个气体检测元件(第1检测元件和第4检测元件)，来检测特定气体的结构。
本发明的一个方式的气体检测方法，检测第1检测元件的共振频率变化，检测第2检测元件的共振频率变化，检测第3检测元件的共振频率变化，对第2检测元件的检测结果进行修正，对上述第1检测元件的检测结果进行修正，来确定上述气体。
上述第1检测元件的共振频率变化的检测，检测第1检测元件的特定气体的吸附所致的共振频率变化，该第1检测元件包括具有规定结构的第1振子和设置在上述第1振子上的吸附上述气体的第1吸附膜。
上述第2检测元件的共振频率变化的检测，检测第2检测元件的上述气体的水分所致的共振频率变化，该第2检测元件包括具有上述规定结构的第2振子和设置在上述第2振子上的吸附上述气体的水分的第2吸附膜。
上述第3检测元件的共振频率变化的检测，检测第3检测元件的上述气体的温度所致的共振频率变化，该第3检测元件包括具有上述规定结构的第3振子。
上述第2检测元件的检测结果的修正，基于上述第3检测元件的检测结果来修正上述第1检测元件的检测结果。
上述第1检测元件的检测结果的修正，基于上述修正结果和上述第3检测元件的检测结果来修正上述第1检测元件的检测结果。
上述气体的确定，根据上述修正后的上述第1检测元件的检测结果来进行。
根据本发明的这种结构，能够计算不存在温度和湿度的影响的仅与气体物质相关的共振频率变化，能够精度良好地检测气体。
也可以上述第1振子和上述第2振子包括AT切割石英片，上述第3振子包括共振频率相对温度变化线性变化的石英片。
像这样，第1振子和第2振子能够使用在室温附近特性不变化的AT切割石英片。而且，温度补偿用的第3检测元件的第3振子能够使用共振频率相对温度变化线性变化的石英片。共振频率相对温度变化线性变化的石英片，例如能够使用切割角从AT切割偏离了的石英片。由此，能够从第3检测元件检测温度。
发明的效果
如上所述，根据本发明，能够实现结构的简化，并且即使是瞬时流过的被检测气体也能够精度良好地检测。
附图说明
图1是本发明的实施方式的检测元件的主视图。
图2是表示本发明的实施方式的气体传感器的结构的概略图。
图3是说明图2所示的气体传感器的气体检测方法的印象图。
图4是表示本发明的实施方式的气体检测方法的流程图。
图5是对使用了图2所示的气体传感器所使用的石英振子的温度检测元件与作为比较例的使用了热敏电阻的温度检测元件的、伴随温度上升的响应速度进行比较的图。
图6是对使用了图2所示的气体传感器所用的石英振子的温度检测元件与作为比较例的使用了热敏电阻的温度检测元件的、伴随温度下降的响应速度进行比较的图。
图7是对使用了图2所示的气体传感器所用的石英振子的温度检测元件与作为比较例的使用了热敏电阻的温度检测元件的、伴随湿度上升的频率变化进行较的图。
图8是对使用了图2所示的气体传感器所用的石英振子的湿度检测元件与作为比较例的容量变化式湿度检测元件的、伴随湿度上升和下降的响应速度进行比较的图。
图9是用于对本发明的实施方式的基于温度检测元件和湿度检测元件的实时修正进行说明的时间图(其1)。
图10是用于对本发明的实施方式的基于温度检测元件和湿度检测元件的实时修正进行说明的时间图(其2)。
图11是表示使氨气间断地流动时的图2所示的气体传感器的基于氨气检测元件的检测的修正前的检测结果的图。
图12是表示使氨气间断地流动时的由图2所示的气体传感器的温度检测元件检测的检测结果的图。
图13是表示使氨气间断地流动时的由图2所示的气体传感器的湿度检测元件检测的检测结果的图。
图14是表示使氨气间断地流动时的由图2所示的气体传感器的氨气检测元件检测出的检测结果进行了修正后的检测结果的图。
图15是用于对作为比较例的使用了现有的温湿度传感器的气体检测方法进行说明的时间图(其1)。
图16是用于对作为比较例的使用了现有的温湿度传感器的气体检测方法进行说明的时间图(其2)。
附图标记说明
1a 气体检测元件
1b 气体检测元件
1c 气体检测元件
6 运算部
13、213 由AT切割石英片构成的石英振子
113 由切割角偏离了AT切割的石英片构成的石英振子
101 温度检测元件
201 湿度检测元件
具体实施方式
以下参照附图对本发明实施方式进行说明。
[检测元件的结构]
本实施方式的气体传感器包括：检测特定气体的气体检测元件；温度补偿用的温度检测元件；和湿度补偿用的湿度检测元件这三种检测元件。对气体传感器的详细结构在后面叙述。
图1是表示气体检测元件1(将图2的1a～1c总称为1)、温度检测元件101、湿度检测元件201的主视图。这些检测元件1、101和201，基本结构相同，吸附膜的有无、吸附膜的种类不同。
图2是表示气体传感器的结构的概略图。以下依次对各检测元件的结构进行说明。
如图1和图2所示，作为第1检测元件的气体检测元件1具有：作为第1振子的石英振子13、电极11A(11B)、吸附膜12、引线垫(lead land)16A、16B、引线14A、14B、引脚端子(Pinterminal)19A、19B和保持具18。
石英振子13是由AT切割片构成的共振频率为9MHz的石英振子。石英振子13具有直径为8.6mm的圆形，厚度为0.185mm。
石英振子13的相互相对的主面13A、13B各自形成有金属薄膜按规定形状形成图案而得到的电极11A、11B。本实施方式中，使用金作为电极材料。电极11A、11B为圆形，直径为5.0mm。
吸附膜12形成在电极11A上，吸附特定气体。
引线垫16A与电极11A一体形成，引线垫16B与电极11B一体形成。
引线14A和引线14B由金属弹簧材料形成，互相平行地配置。
引线14A构成为一端经由引线垫16A与电极11A电连接，另一端与引脚端子19A连接。引线14B构成为一端经由引线垫16B与电极11B电连接，另一端与引脚端子19B连接。
保持具18由绝缘部件形成，具有引脚端子19A和19B贯通的贯通孔。通过以引脚端子19A和19B贯通保持具18的贯通孔的方式保持石英振子13，石英振子13可自由振动地被保持具18支承。
气体检测元件1的引脚端子19A和19B与振荡电路4连接，对气体检测元件1施加驱动电压。气体检测元件1在被施加驱动电压时，石英振子13以固有的频率(9MHz)振动。
然后，因吸附膜12吸附气体而质量发生变化，与其吸附量相应地石英振子13的共振频率降低。
气体检测元件1a～1c仅在吸附膜12a～12c的种类这一点不同，其他结构相同。具体而言，构成气体检测元件1a～1c的石英振子13的直径、厚度、共振频率等分别相同，电极11A、11B、引线垫16A、16B的材质、厚度、图案形状也相同。
吸附膜12a由使用偏二氟乙烯树脂(聚偏二氟乙烯，以下称为PVDF)和三氟乙烯树脂(以下称为TrFE)形成的共聚物构成。具体而言，将PVDF和TrFE按照其混合重量比为8:2的比例进行混合来共聚，将得到的粉体溶解在甲基乙基酮中制作溶液，利用旋涂法将该溶液以规定厚度、此处为500nm的厚度涂敷到电极11A上后，在干燥炉中使溶剂挥发，形成吸附膜12a。
吸附膜12b由使用PVDF、TrFE和三氟氯乙烯树脂(聚三氟氯乙烯，以下称为PCTFE)形成的共聚物构成。具体而言，将PVDF、TrFE和PCTFE按照其混合重量比为65:25:10的比例进行混合来共聚，将得到的粉体溶解在甲基乙基酮中制作溶液，利用旋涂法将该溶液以规定厚度、此处为500nm的厚度涂敷到电极11A上后，在干燥炉中使溶剂挥发，形成吸附膜12b。
吸附膜12c使用花青色素形成。作为花青色素，使用1,1’-二丁基-3,3,3’,3’-四甲基-4,5,4’,5’二苯并吲哚二碳花青溴化物(株式会社日本感光色素研究所制造产品编号NK3567)。将该酞菁色素溶解在四氟丙醇(TFP)中制作溶液，利用旋涂法将该溶液以规定厚度、此处为500nm的厚度涂敷到电极11A上后，在干燥炉中使溶剂挥发，形成吸附膜12c。
吸附膜12a具有吸附丙酮的特性，吸附膜12b具有吸附甲苯的特性，吸附膜12c具有吸附氨的特性，本实施方式中，气体检测元件1a用于检测丙酮，气体检测元件1b用于检测甲苯，气体检测元件1c用于检测氨。
如图1和图2所示，作为第3检测元件的温度检测元件101具有：作为第3振子的石英振子113、电极111A(111B)、引线垫116A、116B、引线114A、114B、引脚端子119A、119B和保持具118。在温度检测元件101上不形成吸附膜。
石英振子113是共振频率相对温度变化线性地变化的石英片，本实施方式中使用切割角从AT切割偏离的石英片。石英振子113具有直径为8.6mm的圆形，厚度为0.185mm，共振频率为9MHz。
石英振子113的相互相对的主面113A、113B各自形成有金属薄膜按规定形状形成图案而得到的电极111A、111B。本实施方式中，使用金作为电极材料。电极111A、111B为圆形，直径为5.0mm。
引线垫116A与电极111A一体形成，引线垫116B与电极111B一体形成。
引线114A和引线114B由金属弹簧材料形成，互相平行地配置。引线114A构成为一端经由引线垫116A与电极111A电连接，另一端与引脚端子119A连接。引线114B构成为一端经由引线垫116B与电极111B电连接，另一端与引脚端子119B连接。
保持具118由绝缘部件形成，具有引脚端子119A和119B贯通的贯通孔。通过以引脚端子119A和119B贯通保持具118的贯通孔的方式保持石英振子113，石英振子113可自由振动地被保持具118支承。
温度检测元件101的引脚端子119A和119B与振荡电路4连接，对温度检测元件101施加驱动电压。温度检测元件101在被施加驱动电压时，石英振子113以固有的频率(9MHz)振动。温度检测元件101的共振频率随温度变动。
由于在温度检测元件101没有形成吸附膜，所以不会发生气体的吸附所致的共振频率变化，而且也不会发生水分吸附所致的共振频率变化。另外，温度检测元件101适合振子使用切割角从AT切割偏离了的石英片、共振频率相对温度变化线性地变化的元件。由此，能够根据由温度检测元件101所检测出的共振频率变化来检测温度。
如图1和图2所示，作为第2检测元件的湿度检测元件201具有：作为第2振子的石英振子213、电极211A(211B)、吸附膜212、引线垫216A、216B、引线214A、214B、引脚端子219A、219B和保持具218。
石英振子213是由AT切割片构成的石英振子。石英振子213具有直径为8.6mm的圆形，厚度为0.185mm，共振频率为9MHz。
石英振子213的相互相对的主面213A、213B各自形成有金属薄膜按规定形状形成图案而得到的电极211A、211B。本实施方式中，使用金作为电极材料。电极211A、211B为圆形，直径为5.0mm。
吸附膜212形成在电极211A上。吸附膜212由聚乙烯醇树脂构成。吸附膜212不吸附气体，而吸附水分。
引线垫216A与电极211A一体形成，引线垫216B与电极211B一体形成。
引线214A和引线214B由金属弹簧材料形成，互相平行地配置。
引线214A构成为一端经由引线垫216A与电极211A电连接，另一端与引脚端子219A连接。引线214B构成为一端经由引线垫216B与电极211B电连接，另一端与引脚端子219B连接。
保持具218由绝缘部件形成，具有引脚端子219A和219B贯通的贯通孔。通过以引脚端子219A和219B贯通保持具218的贯通孔的方式保持石英振子213，石英振子213可自由振动地被保持具218支承。
湿度检测元件201的引脚端子219A和219B与振荡电路连接，对湿度检测元件201施加驱动电压。湿度检测元件201在被施加驱动电压时，石英振子213以固有的频率(9MHz)振动。
然后，因吸附膜212吸附水分而质量发生变化，与其吸附量相应地石英振子213的共振频率降低。
如上所述，构成温度检测元件101的石英振子113和构成湿度检测元件201的石英振子213均具有与构成气体检测元件1(图2的气体检测元件1a～1c)的石英振子13相同的直径、厚度、共振频率。另外，形成于这些石英振子113(213)的电极111A(211A)、111B(211B)、引线垫116A(216A),116B(216B)也均构成为材质、厚度、图案形状等与气体检测元件1的电极11A、11B、引线垫16A、16B相同。像这样，各检测元件1、101、201的振子具有相同的规定结构，各自具有能够得到实质上评价为相同或等价的共振特性。
另外，在本实施方式中，作为构成检测元件的振子使用了石英振子，但不限于此。例如，也可以使石英振子以外的陶瓷振子、表面弹性波元件、悬臂振子(cantilever)、振动膜片(diaphragm)等，也能够使用检测吸附膜的气体吸附所致的重量增加或膨胀应力增加之类的物理变化而转换为电信号的其他振动元件。在这种情况下也是，各检测元件由共通的种类的振动元件构成。
[气体传感器的结构]
如图2所示，气体传感器2具有气体传感器机构3和控制器10。控制器10由具有CPU(Central Processing Unit)、存储器等的计算机构成，具有振荡电路4、检测电路5和运算部6。
本实施方式的气体传感器2具有多个检测元件。
多个检测元件包括：检测特定气体的气体检测元件1a～1c；湿度补偿用的湿度检测元件201；和温度补偿用的温度检测元件101。
气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201的结构已经在上面叙述过所以省略说明。
气体传感器机构3具有腔室31、收纳于该腔室31内的3个气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201。腔室31收纳隔着规定间隙配置的气体检测元件1a～1d。腔室31能够在其内部导入作为检测对象的气体。
振荡电路4使气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201的各石英振子13、113和213各自以规定频率(共振频率：9MHz)振动。
检测电路5检测气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201的共振频率或其变化。
在通过振荡电路4使气体检测元件1a～1c以上述规定频率振动的状态下，在吸附膜12a～12c上吸附气体等的检测对象物时，各气体检测元件1a～1c的石英振子13的共振频率发生变化。从检测电路5向运算部6输出所检测出的共振频率的电信号。
利用振荡电路4使温度检测元件101以上述规定频率振动，利用检测电路5检测石英振子213的共振频率。从检测电路5向运算部6输出所检测出的共振频率的电信号。温度检测元件101的共振频率随温度变化，所以能够根据检测结果求取温度。
在利用振荡电路4使湿度检测元件201以规定频率振动的状态下，在吸附膜212吸附作为检测对象物的气体的水分时，石英振子213的共振频率发生变化。从检测电路5向运算部6输出所检测出的共振频率的电信号。
运算部6基于从检测电路5输入的各气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201各自的电信号，计算在各气体检测元件1a～1c的、没有温度和湿度的影响的仅与气体物质相关的共振频率变化，根据所计算出的共振频率变化，来确定导入到腔室31内的气体的种类。运算部6中进行的处理的详情在后述的气体检测方法中进行说明。
图3是说明图2的气体传感器的气体检测方法的印象图。
如图3所示，气体传感器2基于温度检测元件101和湿度检测元件201各自的检测结果，对气体检测元件1a～1c的检测结果进行修正。详细而言，用温度检测元件101进行温度补偿，用湿度检测元件201进行湿度补偿。而且，湿度检测元件201的共振频率随温度变动，所以在对气体检测元件1a～1c的检测结果进行修正前，预先基于温度检测元件101的检测结果对湿度检测元件201的检测结果进行修正。
图3的符号20、21、22表示气体的气味分子。例如本实施方式中，气体检测元件1a吸附丙酮的气味分子(气体物质)20，气体检测元件1b吸附甲苯的气味分子(气体物质)21，气体检测元件1c吸附氨的气味分子(气体物质)22。像这样，本实施方式的气体传感器2能够检测3种彼此不同的特定气体。
(气体检测方法)
接着，使用图2、图3和图4对利用上述的气体传感器2的气体检测方法进行说明。图4是表示气体检测方法的流程图。以下按图4的流程进行说明。
首先，在腔室31内导入作为检测对象的气体之后，使振荡电路4工作，使各气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201的石英振子13、113、213以规定的频率(共振频率；9MHz)振动。
接着，利用检测电路5检测气体检测元件1a～1c、温度检测元件101和湿度检测元件201的共振频率。所检测出的共振频率的电信号被输入到运算部6。以下的S101～S106的步骤按每个气体检测元件1a～1c进行，通过该检测步骤计算由各个气体检测元件1a～1c检测出的共振频率变化Δf1a、Δf1b、Δf1c被修正后的Δf1aG、Δf1bG、Δf1cG。以下除了个别说明的情况以外，将气体检测元件1a～1c总称为气体检测元件1。
运算部6从温度检测元件101的共振频率变化检测温度(T)(S101)。具体而言，运算部6参照预先生成的温度检测元件101的温度与共振频率相对应的表，基于来自温度检测元件101的电信号检测气体的温度。表例如被保存在控制器10内的未图示的存储器中。本实施方式中，作为温度检测元件101的振子113，使用共振频率相对于温度变化线性地变化的石英片，所以能够进行适当的温度补偿。
接着，运算部6根据所检测出的温度(T)和湿度检测元件201的频率变化的信息，检测湿度(H)(S102)。如上所述，由于湿度检测元件201的共振频率随温度变动，所以通过该步骤来检测排除了温度的影响的湿度(H)信息。
接着，运算部6基于在S102中所检测出的湿度(H)信息，从上述存储器调出基于气体检测元件1的湿度(H)的修正频率Δf1H(S103)。上述存储器中存储有预先制作的、气体检测元件1的湿度(H)与修正频率Δf1H相对应的表。该表按每个气体检测元件1a～1c不同。
另外，基于S101中所检测出的温度(T)，从上述存储器调出基于气体检测元件1的温度(T)的修正频率Δf1T(S104)。上述存储器中存储有预先制作的、气体检测元件1的温度(T)与修正频率Δf1T相对应的表。该表按每个气体检测元件1a～1c不同。
另外，在运算部6中，根据由检测电路5所检测出的气体检测元件1的共振频率检测共振频率变化Δf1(S105)。
接着，运算部6用下述(1)式根据气体检测元件1的频率变化Δf1、温度的修正频率Δf1T、湿度的修正频率Δf1H计算排除了温度和湿度的影响的仅与气体物质相关的频率变化Δf1G，基于该计算结果确定检测对象气体的种类，计算并输出气体浓度(S106)。
[式1]
Δf1G＝Δf1-X(T)-Y(T,H)…(1)
此处，从气体检测元件检测的共振频率变化Δf如下所示表示。
[式2]
Figure BDA0001416174510000131
式中，Δf表示频率变化量。Δm表示质量变化。f0表示基本频率。ρ表示石英的密度。μ表示石英的剪切应力。A表示电极面积。像这样，Δf与吸附所致的吸附膜的质量变化成比例。
另外，如下面的(2)式所示，从气体检测元件1(1a～1c)检测的频率变化Δf1中除了气体吸附以外也包含温度、湿度的影响。即，从气体检测元件1检测的频率变化Δf1包括：不存在温度、湿度的影响的仅与气体物质的吸附相关的共振频率变化Δf1G的成分；与温度相关的修正频率变化Δf1aT的成分；和与湿度相关的修正频率变化Δf1H的成分。
[式3]
Δf1＝Δf1G+Δf1T+Δf1H…(2)
根据(2)，
Δf1G＝Δf1-Δf1T-Δf1H…(3)
根据从(2)式导出的(3)式，不存在温度、湿度的影响的气体吸附所致的共振频率变化Δf1G通过从气体检测元件1检测的频率变化Δf1减去与温度相关的修正频率变化Δf1T和与湿度相关的修正频率变化Δf1H来计算。
Δf1T通过从温度检测元件101计算的温度T被修正，根据变量T的函数求得。Δf1H通过从湿度检测元件201计算的湿度H被修正，根据变量H的函数求得。其中，由于湿度检测元件201受到温度的影响，所以成为H和T的函数，T使用温度检测元件101的T。由此，导出上述(1)式。
上述(1)式中，温度检测元件101(X)的函数、湿度检测元件201(Y)的函数，是按每个气体检测元件1a～1c不同的函数。这是因为，设置于各气体检测元件1a～1c的吸附膜12a～12c不同，温度、湿度的影响在各个气体检测元件1a～1c中不同。
运算部6按每个气体检测元件1a～1c进行上述的S101～S106的运算处理。由此，计算各气体检测元件1a～1c的排除了温度和湿度的影响的气体吸附所致的频率变化Δf1aG、Δf1bG、Δf1cG。
本实施方式中，温度检测元件101和湿度检测元件201使用相同结构的振子，所以能够进行实时的检测，能够对瞬时流过的气体进行准确的气体检测。
[石英振子型温度检测元件与热敏电阻式温度检测元件的比较]
图5和图6是将使用了本实施方式所示的石英振子的石英振子型温度检测元件P1(对应于实施方式的温度检测元件101)与作为比较例的热敏电阻式温度检测元件P2的相对温度变化的响应特性进行比较的图。
图5表示相对湿度RH固定为50％的条件下以每5℃使温度上升时的检测元件P1的频率变化(右轴)和P2的输出(左轴)的变化。图6表示相对湿度RH固定为50％的条件下以每5℃使温度下降时的检测元件P1的频率变化(右轴)和P2的输出(左轴)的变化。此处，P2的输出用“温度显示值(℃)”表示。
如图5和图6所示可知，在温度的上升、下降两者中，石英振子型温度检测元件P1相比热敏电阻式温度检测元件P2，对于温度变化的响应更快。热敏电阻式温度检测元件P2比石英振子型温度检测元件P1慢100秒左右响应，发生这种延迟的热敏电阻式温度检测元件P2不适合实时的修正。例如在像呼气检测那样检测瞬时流过的气体的情况下，热敏电阻温度检测元件P2就不能准确地检测瞬时流过的气体的温度，不能进行准确的温度修正。
本实施方式中温度检测元件101中使用了振子，所以即使在像呼气检测那样检测瞬时流过的气体的情况下也能够具有较高的响应性地检测气体的温度。而且，温度检测元件101具有与气体检测元件1相同结构的振子，所以能够实时地对气体检测元件1的输出进行温度修正，能够得到可靠性高的气体检测结果。
图7是将使用了本实施方式的石英振子的石英振子型温度检测元件P1与作为比较例的热敏电阻式温度检测元件P2的相对湿度变化的响应特性进行比较的图。图7将现有湿度传感器P3的湿度显示值也一起图示。
图7表示温度固定为25℃的条件下以每10％使相对湿度RH从50％上升至90％时的检测元件P1的频率变化(右轴)以及P2和P3的输出(左轴)的变化。此处，P3的输出用“湿度显示值(％RH)”表示。
如图7所示，石英振子型温度检测元件P1和热敏电阻式温度检测元件P2在某个相对湿度以上显示输出为一定的特性，不受湿度的影响。
[石英振子型湿度检测元件和容量变化式湿度检测元件的比较]
图8是将使用了本实施方式所示的石英振子的石英振子型湿度检测元件P4(对应于实施方式的湿度检测元件201)与作为比较例的容量(电容)变化式湿度检测元件P5的相对湿度变化的响应特性进行比较的图。
如图8所示，温度固定为25℃的条件下以每10％使相对湿度RH从50％上升至90％之后，以每10％使相对湿度RH从90％下降至50％时的检测元件P4的频率变化(右轴)和P5的输出(左轴)的变化。
如图8所示可知，在湿度的上升、下降两者中，石英振子型湿度检测元件P4相比容量变化式湿度检测元件P5，对于湿度变化的响应更快。容量变化式湿度检测元件P5比石英振子型湿度检测元件P4慢50秒左右响应，发生这种延迟的容量变化式湿度检测元件P5不适合实时的修正。例如在像呼气检测那样检测瞬时流过的气体的情况下，容量变化式湿度检测元件P5就不能准确地检测瞬时流过的气体的湿度，不能进行准确的湿度修正。
本实施方式中湿度检测元件201中使用了振子，所以即使在像呼气检测那样检测瞬时流过的气体的情况下也能够具有较高响应性地检测气体的湿度。而且，湿度检测元件201具有与气体检测元件1相同结构的振子，所以能够实时地对气体检测元件1的输出进行湿度修正，能够得到可靠性高的气体检测结果。
[本实施方式的实时修正的说明]
接着，将温度检测元件和湿度检测元件使用了振子的本实施方式的气体检测时的实时修正与比较例作对比进行说明。
图9和图10是用于说明本实施方式的上述Δf1G的计算的图。图9和图10是用于说明基于使用了石英振子的温度检测元件101和湿度检测元件201的实时修正的时间图，图9表示修正前的时间图，图10表示修正后的时间图。
图15和图16是用于说明作为比较例使用了热敏电阻式温度检测元件和容量式湿度检测元件的情况下的Δf1G的计算的图。图15和图16是使用了热敏电阻式温度检测元件和容量式湿度检测元件的情况下的时间图，图15表示修正前的时间图，图16表示修正后的时间图。
图9中，实线表示Δf1T，虚线表示Δf1H，点划线表示Δf1。Δf1T通过上述的S104的步骤求取。Δf1H通过上述的S103的步骤求取。Δf1通过上述的S105的步骤求取。如图9所示，这些Δf1T、Δf1H、Δf1与气体的导入相应地被实时检测。然后，根据图9所示的Δf1T、Δf1H、Δf1如图10所示与气体的导入相应地实时计算在上述的S106的步骤中计算的Δf1G。
像这样，在温度检测元件和湿度检测元件使用了与气体检测元件同样的石英振子的本实施方式的气体传感器的Δf1G的计算，实时地进行温度补偿和湿度补偿地被计算。
与此不同，对作为比较例的使用了热敏电阻式温度检测元件和容量式湿度检测元件的气体传感器的Δf1G的计算，利用图15和图16所示的时间图进行说明。如图15所示，相对于Δf1(用点划线图示)，Δf1H(虚线)和Δf1T(实线)在时间上延迟地被输出。因此，从这些Δf1、Δf1H和Δf1T计算出的Δf1G，表示出图16所示那样的时间图。这表示，热敏电阻式温度检测元件的温度修正和容量式湿度检测元件的湿度修正来不及进行。因此，不能准确地检测气体检测元件的仅气体吸附物质导致的共振频率变化。
如上所述，通过温度检测元件和湿度检测元件中使用振子，能够实现实时的气体检测，能够实现高精度的气体检测。
[基于本实施方式的气体传感器的氨气的检测例]
接着，对例如将氨气导入到上述的气体传感器2的腔室3内的实验结果进行说明。以下，使用图11～图14主要对Δf1cG的计算进行说明。该实验中，设腔室内气氛为温度20℃、相对湿度RH50％，间断地流过温度25℃、相对湿度RH70％的氨气。
氨气被气体检测元件1c的吸附膜12c吸附而被检测。Δf1cG的计算经由上述的S101～S106的步骤进行。
图11表示S105的步骤中由气体检测元件1c检测的Δf1c，表示修正前的频率变化。图12表示S104的步骤中检测的Δf1cT。图13表示S103的步骤中检测的Δf1cH。图14表示S106的步骤中计算的Δf1cG，表示修正后的频率变化。
如图11～图13所示，与氨气向气体腔室3内的导入的开、关相应地，Δf1c、Δf1cT、Δf1cH发生变动。如图11所示，Δf1c随着时间的经过，在氨气的导入开时、关时都慢慢地变大。
如图12所示，Δf1cT在氨气的导入的开期间的频率变化取大致固定的数值，另外，在氨气的导入的关期间的频率变化也取大致固定的数值。这表示，由温度检测元件101检测的温度，在氨气导入开期间检测氨气的温度，在氨气导入关期间检测所设定的腔室内的温度。
如图13所示可知，Δf1cH随着时间的经过，在氨气的导入开时、关时频率变化都慢慢地变大。这表示，随着时间经过，气氛湿度慢慢上升。因此，伴随该气氛湿度的上升，如图11所示，Δf1c的值也随时间的经过而慢慢变大。即可知，Δf1c受到了湿度的影响。
如图14所示，通过使用Δf1cH和Δf1cT对Δf1c进行修正而计算的Δf1cG，在氨气的导入的开期间、关期间各自中取大致固定的数值。像这样，通过进行温度补偿和湿度补偿，能够计算不存在温度和湿度的影响的仅气体物质的吸附相关的频率变化。
如上所述，本实施方式包括具有与气体检测元件相同结构的振子的温度检测元件和湿度检测元件，所以实时地进行温度和湿度相关的修正，能够计算不存在温度和湿度的影响的仅气体物质的吸附所致的共振频率变化，用该计算结果来确定气体。由此，能够用简单的结构进行高精度的气体检测。
另外，根据能够进行这样的实时修正的本实施方式，即使是瞬时流过的气体的检测也能够应用，能够进行精度高的气体检测。
另外，上述实施方式中，用温度检测元件的检测结果对湿度检测元件的检测结果进行修正，之后，基于修正后的湿度检测元件的检测结果和温度检测元件的检测结果，对气体检测元件的检测结果进行修正，所以能够进行精度更高的气体检测。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不仅限定于上述实施方式，当然也可以进行各种变更。上述实施方式中，举例了设置有3种气体检测元件的气体传感器的例子，但是气体检测元件可以为一个，也可以为多个。

Claims (7)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括：
因特定气体的吸附而发生共振频率变化的第1检测元件，其包括第1振子和设置在所述第1振子上的吸附所述气体的第1吸附膜；
因所述气体的水分而发生共振频率变化的第2检测元件，其包括第2振子和设置在所述第2振子上的吸附所述气体的水分的第2吸附膜；
因所述气体的温度而发生共振频率变化的第3检测元件，其包括第3振子；和
运算部，其基于所述第2检测元件的共振频率变化和所述第3检测元件的共振频率变化来修正所述第1检测元件的共振频率变化，
所述第1振子、所述第2振子和所述第3振子具有相同的结构，且各自具有相同或等价的共振特性。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：
还包括因与所述气体不同的特定气体的吸附而发生共振频率变化的第4检测元件，其包括第4振子和设置在所述第4振子上的吸附与所述气体不同的特定气体的第4吸附膜，
所述第1振子、所述第2振子、所述第3振子和所述第4振子具有相同的结构，且各自具有相同或等价的共振特性。
3.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：
所述运算部基于所述第2检测元件的共振频率变化和所述第3检测元件的共振频率变化来修正所述第4检测元件的共振频率变化。
4.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：
所述运算部基于所述第3检测元件的共振频率变化来修正所述第2检测元件的共振频率变化，基于修正结果和所述第3检测元件的共振频率变化来修正所述第1检测元件的共振频率变化。
5.如权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于：
所述第1振子和所述第2振子包括AT切割石英片，
所述第3振子包括共振频率相对于温度变化线性变化的石英片。
6.一种气体检测方法，其特征在于：
检测第1检测元件的因特定气体的吸附所致的共振频率变化的步骤，所述第1检测元件包括第1振子和设置在所述第1振子上的吸附所述气体的第1吸附膜；
检测第2检测元件的因所述气体的水分所致的共振频率变化的步骤，所述第2检测元件包括第2振子和设置在所述第2振子上的吸附所述气体的水分的第2吸附膜；
检测第3检测元件的所述气体的温度所致的共振频率变化的步骤，所述第3检测元件包括第3振子；
基于所述第3检测元件的检测结果来修正所述第2检测元件的检测结果的步骤；
基于修正结果和所述第3检测元件的检测结果来修正所述第1检测元件的检测结果的步骤；和
根据修正后的所述第1检测元件的检测结果来确定所述气体的步骤，
所述第1振子、所述第2振子和所述第3振子具有相同的结构，且各自具有相同或等价的共振特性。
7.如权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：
所述第1振子和所述第2振子包括AT切割石英片，
所述第3振子包括共振频率相对于温度变化线性变化的石英片。
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