CN112119298A - 使用金属氧化物半导体气体传感器的气体检测装置和气体检测方法 - Google Patents

使用金属氧化物半导体气体传感器的气体检测装置和气体检测方法 Download PDF

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Abstract

由数字信息处理装置对在还原性气体中电阻值减小的金属氧化物半导体气体传感器的输出进行处理，通过与气体检测用的比较值比较来检测气体。数字信息处理装置从上述气体传感器的输出中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据。数字信息处理装置产生比较值，以使得空气中的气体传感器的电阻值越高，空气中与气体中的电阻值的比越大。

Description

使用金属氧化物半导体气体传感器的气体检测装置和气体检 测方法
技术领域
本发明涉及由金属氧化物半导体气体传感器进行的气体检测。
背景技术
由于金属氧化物半导体气体传感器的电阻值根据各种因素而变动，所以难以正确地检测低浓度的气体。关于这一点，在专利文献1(JP2741381B)中，当金属氧化物半导体气体传感器的电阻值大致是一定时，将气体传感器的电阻值作为基准值存储。并且，根据从所存储的电阻值的变化来检测气体。专利文献2(JP2911928B)公开了：如果将SnO2膜从450℃以上的温度向室温急冷，则空气中的电阻值激增，并且气体中的电阻值不增加。因此，能够在室温下以高感度检测气体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP2741381B
专利文献2：JP2911928B
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中使用气体传感器的电阻值的恒常值，但该恒常值根据各种因素而变动。因而，难以通过对恒常值乘以某个常数来换算为在气体中应呈现的电阻值。
本发明的课题是正确地检测低浓度的气体。
用来解决课题的手段
本发明的气体检测装置由数字信息处理装置对在还原性气体中电阻值减小的金属氧化物半导体气体传感器的输出进行处理，通过与气体检测用的比较值比较来检测气体。在本发明中，由数字信息处理装置从气体传感器的输出中、优选的是从输出的分布中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据；产生比较值，以使空气中的气体传感器的电阻值越高，空气中的电阻值与对应于比较值的电阻值的比越大。
在本发明的气体检测方法中，由数字信息处理装置对在还原性气体中电阻值减小的金属氧化物半导体气体传感器的输出进行处理，通过与气体检测用的比较值比较来检测气体。数字信息处理装置从气体传感器的输出中、优选的是从输出的分布中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据；产生比较值，以使空气中的气体传感器的电阻值越高，空气中的电阻值与对应于比较值的电阻值的比越大。
如图6、图15所示，在气体中与空气中的电阻值的比和空气中的电阻值之间有较强的相关性。并且，空气中的电阻值越高，空气中与气体中的电阻值的比越大。另外，在该说明书中，在与气体中对比的用语中，在空气中不包含能够由气体传感器检测到的浓度的气体，且湿度是任意的。在本发明中，通过数字信息处理装置，从气体传感器的输出中，例如从气体传感器的输出的分布中，提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据。例如提取每规定的期间的与气体传感器的电阻值分布中的最大值对应的输出。或者，提取气体传感器的电阻值的分布中的处于高电阻侧的规定位置(前5％的位置、前10％的位置等)的电阻值等。这些是与空气中对应的气体传感器的电阻值。空气中的电阻值越高，空气中与气体中的电阻值的比越大，所以使用提取出的空气中的电阻值产生在气体中应呈现的电阻值，作为气体检测用的比较值。
另外，表示空气中的气体传感器的电阻值的数据即使不使用气体传感器的输出分布也能够提取。例如在检测呼气中的气体的情况下，如果在将电源开启而开始气体传感器的加热之后，气体传感器能够检测到气体，则开始测量。所以，如果气体传感器能够检测到气体，则也可以将该时点的气体传感器的电阻值作为空气中的电阻值。此外，在将气体传感器设置到便器等、检测人的排泄物的气味等的情况下，也可以将检测到人就座的时点的气体传感器的电阻值作为空气中的电阻值。
所述的气体检测用的比较值，是在存在规定浓度的气体的情况下气体传感器应拥有的电阻值或与电阻值对应的值。并且，如果气体传感器的电阻值是比较值以下，则存在规定浓度以上的气体，如果气体传感器的电阻值比比较值或由比较值决定的电阻值大，则气体浓度成为不到规定值。此外，气体传感器的输出既可以作为电阻值处置，也可以作为其倒数的电导率处置，或者也可以作为朝向气体传感器的负荷电阻的输出电压处置。也可以代替空气中的电阻值与其初始值的比而使用其倒数。此外，也可以代替空气中与气体中的电阻值的比而使用作为其倒数的气体中与空气中的电阻值的比。这些虽然定义不同，但数据的意义相同。
优选的是，数字信息处理装置存储与空气中的气体传感器的电阻值的初始值对应的数据。数字信息处理装置还存储用来产生气体检测用的比较值的修正因子，以使得和空气中的气体传感器的电阻值与空气中的气体传感器的电阻值的初始值的比对应的值越大，空气中的电阻值与对应于比较值的电阻值的比越大。更优选的是，数字信息处理装置存储与气体中的气体传感器的电阻值的初始值Rgas0对应的数据，由Rair/Rair0决定修正因子C而将Rgas0修正，作为气体检测用的比较值、例如C·Rgas0。或者，信息处理装置也可以存储用来用比Rair/Rair0将Rair换算为气体中的电阻值Rgas的修正因子D。在此情况下，数字信息处理装置也存储与空气中的电阻值的初始值Rair0对应的数据。并且，例如也可以对空气中的电阻值Rair乘以修正因子D，作为气体检测用的比较值D·Rair。C·Rgas0和D·Rair的差异点是是否直接使用Rgas0。在使用D·Rair的情况下，修正因子D也可以包含关于Rgas0/Rair0的信息。
优选的是，数字信息处理装置存储从相对较低的浓度到较高的浓度的多个浓度下的气体中的气体传感器的电阻值的初始值；通过对气体中的气体传感器的电阻值的初始值乘以修正因子Ci，产生气体检测用的比较值；并且，存储多个气体浓度下的修正因子Ci，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较低的浓度对应的修正因子比与较高的浓度对应的修正因子更大地变化。
说明上述的例子。如图5的表所示，相对于空气中的气体传感器的电阻值相对于初始值的变化，低浓度下使对于气体中的电阻值的初始值的修正因子较大的变化，在高浓度下使变化较小。这与图6～图15的数据一致。例如根据图7、图8的数据可知，通过上述的方法能够正确地检测气体浓度。
优选的是，数字信息处理装置通过对空气中的气体传感器的电阻值乘以修正因子Di，产生气体检测用的比较值；并且，存储有多个气体浓度下的修正因子Di，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较高的浓度对应的修正因子比与较低的浓度对应的修正因子更大地变化。
说明上述的例子。对应于空气中的气体传感器的电阻值，使从空气中的气体传感器的电阻向气体中的电阻值的换算用的修正因子Di变化。并且，使与相对较高的浓度对应的修正因子比与较低的浓度对应的修正因子更大地变化。这与图6～图15的数据一致。例如在图7、图8的情况下，如果使从空气中向气体中的换算用的修正因子在高浓度下较大、在低浓度下较小地变化，则能够正确地检测气体浓度。修正因子与图5同样，例如以空气中的电阻值与其初始值的比为索引而存储。另外，也可以将上述的比设为相反，将空气中的电阻值的初始值与测量时点的空气中的电阻值的比设为索引。
也可以代替测量时点的空气中的电阻值Rair，通过修正因子将空气中的电阻值的初始值Rair0换算而产生比较值。在此情况下，也可以使修正因子与上述的例子相反地变化。即，数字信息处理装置存储多个气体浓度下的修正因子，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较低的浓度对应的修正因子比与较高的浓度对应的修正因子更大地变化。
附图说明
图1是实施例的气体传感器的剖视图。
图2是实施例的气体检测装置的框图。
图3是表示实施例的气体检测算法的流程图。
图4是表示空气中的电阻值的估算算法的流程图。
图5是示意地表示基于修正表的处理的图。
图6是表示0.1～1ppm的甲硫醇中的电阻值和空气中的电阻值的相关的特性图(n＝5)。
图7是表示甲硫醇中的电阻值和空气中的电阻值的推移的特性图，气体传感器主要置于动作状态(n＝5)。
图8是表示氢中的电阻值和空气中的电阻值的推移的特性图，气体传感器主要置于动作状态(n＝5)。
图9是将图7的数据表示为气体中与空气中的电阻比的特性图。
图10是将图8的数据表示为气体中与空气中的电阻比的特性图。
图11是表示甲硫醇中的电阻值和空气中的电阻值的推移的特性图，气体传感器主要置于停止状态(n＝5)。
图12是表示氢中的电阻值和空气中的电阻值的推移的特性图，气体传感器主要置于停止状态(n＝5)。
图13是将图11的数据表示为气体中与空气中的电阻比的特性图。
图14是将图12的数据表示为气体中与空气中的电阻比的特性图。
图15是表示癸烷中的电阻值与空气中的电阻值的相关的特性图(n＝12)。
具体实施方式
以下表示用来实施本发明的最优实施例。
[实施例]
在图1～图15中表示实施例。图1表示气体传感器2的构造，4是膜状的金属氧化物半导体，例如是SnO2膜、WO3膜、In2O3膜等，这些金属氧化物半导体如果与还原性气体接触则电阻值减小。此外，如果周围温度增加或绝对湿度增加则电阻值减小。金属氧化物半导体膜4的电阻值除此以外也根据空气中含有的微量的气体而变化。
为了检测金属氧化物半导体4的电阻值，例如被连接有一对电极5、5，在基板6设置加热器8，将金属氧化物半导体4加热为动作温度。气体传感器2的材料、构造是任意的。例如也可以将基板6做成设在Si芯片的空穴上的SiO2/SiNx/SiO2等的薄膜、TaNx等的薄膜。也可以不设置一对电极5、5，而使加热器8与金属氧化物半导体4接触。如果金属氧化物半导体4的电阻值变化，则加热器8和金属氧化物半导体4的合成电阻变化，所以监视加热器8的外在的电阻值。
图2表示气体检测装置的构造。从电源向气体传感器2供电，例如由微型计算机12的AD变换器14AD变换朝向连接于金属氧化物半导体4的负荷电阻10的电压。使存储器15存储微型计算机12的动作程序，使存储器16存储各种数据。CPU17进行运算和逻辑判断。空气水平估算部20提取空气中的金属氧化物半导体4的电阻值(气体传感器2的电阻值)。另外，在空气水平(空气中的电阻值)的估算中，使用CPU17、存储器15、16。修正表21存储用来将空气中的电阻值向气体检测用的比较值变换的修正因子，也可以以表形式以外的格式存储数据。输出接口22将气体的检测结果输出。
既可以将气体传感器2的输出换算为金属氧化物半导体4的电阻值而进行处理，也可以换算为金属氧化物半导体4的电导率而进行处理，或者也可以以朝向负荷电阻10的电压的原状进行处理。以下，表示将朝向负荷电阻10的电压换算为金属氧化物半导体4的电阻值而进行处理的例子。
在图3～图5中表示实施例的算法。在气体检测装置的出货前，测量空气中的电阻值Rair0及1～多个浓度下的气体中的电阻值Rgas0，使存储器16将它们非易失性地存储。通过图4的算法等，提取空气中的气体传感器的电阻值Rair。例如将10分钟以上1天以下的期间设为规定的期间，将期间内的气体传感器的电阻值的最大值采样。将该电阻值设为下个期间中的空气中的电阻值Rair。期间更优选的是20分钟以上4小时以下。
也可以不是提取电阻值的最大值，而是将电阻值的分布的直方图中的例如处于距电阻值最高侧5％等的位置的电阻值设为空气中的电阻值。此外，也可以适当地产生表示空气中的电阻值的参数，如果测量出的电阻值更高，则使上述的参数增加例如10％，如果更低则使其减小例如1％。这样，与提取直方图的高电阻侧的下摆同样，能够提取空气中的电阻值。空气中的电阻值Rair处于过去的气体传感器的电阻值的分布中的高电阻侧的部分。
如果用图4的算法提取空气中的电阻值Rair，则求出Rair/Rair0。将其作为索引，从修正表21读出修正因子C。在存储多个气体浓度下的电阻值的初始值Rgas0的情况下，在修正表21中存储各气体浓度的修正因子Ci。并且，将C·Rgas0或Ci·Rgas0i(Ci是第i个气体浓度下的修正因子，Rgas0i是第i个气体浓度下的电阻值的初始值)作为气体检测用的比较值来检测气体。将该算法表示在图5的左上。另外，是否以表形式存储修正因子是任意的。此外，在表21的各栏之间，通过线性插值，求出修正因子C、Ci。
在Rair/Rair0比1大的情况下，修正因子C、Ci比1大且比Rair/Rair0小。在Rair/Rair0比1小的情况下，修正因子C、Ci比1小且比Rair/Rair0大。对已存储的气体中的电阻值Rgas0例如乘以所读出的修正因子C、Ci，生成气体检测用的比较值C·Rgas0或Ci·Rgas0i。并且，在实际的气体传感器的电阻值是所生成的比较值以下的情况下，判断为存在规定浓度以上的气体。即，将C·Rgas0、Ci·Rgas0i与气体传感器的电阻值比较来检测气体。
如果设C·Rgas0为Rgas，则在Rair/Rair0比1大的情况下，修正因子C比Rair/Rair0小。因而，Rgas＝C·Rgas0<Rair/Rair0×Rgas0。如果将该式整理，则成为Rgas/Rair<Rgas0/Rair0，即Rair/Rgas>Rair0/Rgas0。这意味着，如果空气中的电阻值较大(Rair比Rair0大)，则空气中与气体中的电阻值的比变大。
也可以不是将Rgas0用修正因子C修正，而如图5的左下所示那样，通过Rair/Rair0设定其他的修正因子D，将D·Rair作为气体检测用的比较值。在此情况下，D小于1。例如在多个气体浓度下检测的情况下，气体浓度越高则D越小。将从低浓度侧开始的号码设为i，使表21存储多个修正因子Di，如果号码i增加则修正因子Di变小。Di表示气体中与空气中的电阻比，如果Rair/Rair0较大(空气中的电阻值较高)则变小，如果Rair/Rair0较小(空气中的电阻值较低)则变大。在此情况下，存储Rair0，但不需要存储Rgas0。此外，在Rair/Rair0＝1的情况下(空气中的电阻值从初始值不变化的情况下)，Di·Rair与第i个气体浓度下的气体传感器电阻值的初始值Rgas0i一致。即Di·Rair＝Di·Rair0＝Rgas0i(Rair＝Rair0)。
图6～图14表示对于空气中、及0.1～1ppm的甲硫醇(MM)和30～300ppm的氢的气体传感器的电阻值的动态，传感器数n是5，结果是5个传感器的平均值。背景的空气是实施了空气调节的实验室的空气。
图6～图14表示：
·如果空气中的电阻值较高则气体中的电阻值较高(图7、图8、图11、图12)；
·如果空气中的电阻值较高，则空气中与气体中的电阻比变大(图9、图10、图13、图14)。Rair/Rair0越大，空气中与气体中的电阻值的比Rair/Rgas越大。所以，存储修正因子C以满足该条件，通过与C·Rgas0比较来检测气体。或者，存储修正因子D，通过与D·Rair比较来检测气体。由此，能够正确地检测低浓度的气体。
图15表示3ppm及10ppm的癸烷中的、癸烷中与空气中的电阻比和空气中的电阻值的相关性。传感器数n是12，结果是12个传感器的平均值，将气温调节为20℃，将相对湿度调节为65％而进行测量。如果癸烷浓度相同，则空气中的电阻值越高，癸烷中与空气中的电阻比越小，它们的相关很高。所以，在此情况下，也使用上述的修正因子C，通过与C·Rgas0比较来检测气体。此外，可以使用上述的修正因子D，通过与D·Rair比较来检测气体。
标号说明
2气体传感器；4金属氧化物半导体；5电极；6基板；8加热器；10负荷电阻；12微型计算机；14AD变换器；15、16存储器；17CPU；20空气水平估算部；21修正表；22输出接口。

Claims (7)

1.一种气体检测装置，其特征在于，
由数字信息处理装置对在还原性气体中电阻值减小的金属氧化物半导体气体传感器的输出进行处理，通过与气体检测用的比较值比较来检测气体，
上述数字信息处理装置构成为：
从上述气体传感器的输出中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据；并且
产生上述比较值，以使空气中的气体传感器的电阻值越高，空气中的电阻值与对应于上述比较值的电阻值的比越大。
2.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，
上述数字信息处理装置从上述气体传感器的输出的分布中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据。
3.如权利要求1或2所述的气体检测装置，其特征在于，
上述数字信息处理装置：
存储与空气中的气体传感器的电阻值的初始值对应的数据；并且
存储用来产生气体检测用的比较值的修正因子，以使得和空气中的气体传感器的电阻值与空气中的气体传感器的电阻值的初始值的比对应的值越大，空气中的电阻值与对应于比较值的电阻值的比越大。
4.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，
上述数字信息处理装置：
存储从相对较低的浓度到较高的浓度的多个浓度下的气体中的气体传感器的电阻值的初始值；
通过对气体中的气体传感器的电阻值的初始值乘以修正因子，产生气体检测用的比较值；
并且，存储多个气体浓度下的修正因子，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较低的浓度对应的修正因子比与较高的浓度对应的修正因子更大地变化。
5.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，
上述数字信息处理装置：
通过对空气中的气体传感器的电阻值乘以修正因子，产生气体检测用的比较值；
并且，存储多个气体浓度下的修正因子，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较高的浓度对应的修正因子比与较低的浓度对应的修正因子更大地变化。
6.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，
上述数字信息处理装置：
通过对空气中的气体传感器的电阻值的初始值乘以修正因子，产生气体检测用的比较值；
并且，存储多个气体浓度下的修正因子，以使得相对于空气中的气体传感器的电阻值的变化，与相对较低的浓度对应的修正因子比与较高的浓度对应的修正因子更大地变化。
7.一种气体检测方法，其特征在于，
由数字信息处理装置对在还原性气体中电阻值减小的金属氧化物半导体气体传感器的输出进行处理，通过与气体检测用的比较值比较来检测气体，
在上述气体检测方法中，
通过上述数字信息处理装置，从上述气体传感器的输出中提取表示空气中的气体传感器的电阻值的数据；
通过上述数字信息处理装置，产生上述比较值，以使得空气中的气体传感器的电阻值越高，空气中的电阻值与对应于上述比较值的电阻值的比越大。
CN201980032920.2A 2018-05-17 2019-03-01 使用金属氧化物半导体气体传感器的气体检测装置和气体检测方法 Active CN112119298B (zh)

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