JP2008286549A - Semiconductor gas sensor and gas composition measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an improvement in linearity of concentration characteristics of a semiconductor gas sensor.
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。
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。 When estimating the concentration of a specific gas in the exposure atmosphere, the gas composition measuring device assumes that the variation characteristic of the output voltage of the semiconductor gas sensor with respect to the concentration of the specific gas in the exposure atmosphere, that is, the concentration characteristic of the semiconductor gas sensor is linear. I reckon. However, the concentration characteristic of the conventional semiconductor gas sensor is non-linear, its linearity is low, and it tends to saturate particularly on the high concentration side. This is one factor that hinders improvement in measurement accuracy of the gas composition measuring instrument.
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。 This invention is made | formed in view of such a situation, and makes it a solution subject to improve the linearity of the density | concentration characteristic of a semiconductor gas sensor.
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。 The present invention relates to a gas sensitive body whose electric resistance value varies in response to a specific gas, a partial pressure resistance connected in series to the gas sensitive body, and a parallel to the gas sensitive body, A semiconductor gas sensor comprising: a parallel resistor connected in series with respect to the voltage dividing resistor; and an output terminal for outputting a signal indicating a voltage between both ends of the voltage dividing resistor, the gas sensitive body or the parallel resistor to the outside. A first semiconductor gas sensor is provided. In the first semiconductor gas sensor, the variation characteristic of the electric resistance value of the gas sensitive body with respect to the concentration of the specific gas in the exposure atmosphere of the gas sensitive body, that is, the linearity of the concentration characteristic of the gas sensitive body is low, as in the prior art. . However, since the parallel resistance exists, the linearity of the variation characteristic of the electric resistance value (synthetic resistance value) between both ends of the gas sensitive body with respect to the concentration of a specific gas in the exposure atmosphere becomes high. Therefore, the linearity of the fluctuation characteristic of the voltage indicated by the output signal with respect to the concentration of the specific gas in the exposure atmosphere, that is, the linearity of the concentration characteristic of the first semiconductor gas sensor is higher than that of the conventional semiconductor gas sensor. Therefore, according to the present invention, the linearity of the concentration characteristic of the semiconductor gas sensor can be improved and saturation on the high concentration side can be suppressed.
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。 The first semiconductor gas sensor may include an amplifier that amplifies the signal and supplies the amplified signal to the output terminal. According to the semiconductor gas sensor of this embodiment (second semiconductor gas sensor), the voltage fluctuation range indicated by the signal output from the output terminal can be expanded. Therefore, for example, when an A / D converter is arranged at the rear stage of the semiconductor gas sensor, the resolution required for the A / D converter can be lowered.
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。 The present invention has one end and the other end, a gas sensitive body whose electric resistance value between both ends varies in response to a specific gas, and the other end of the gas sensitive body in series with the gas sensitive body. A voltage dividing resistor connected to the gas sensitive body, a parallel resistor connected in parallel to the gas sensitive body between both ends of the gas sensitive body, and an output terminal connected to the other end of the gas sensitive body. A semiconductor gas sensor (third semiconductor gas sensor) is provided. According to the 3rd semiconductor gas sensor, the same effect as the 1st semiconductor gas sensor can be acquired.
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。 The third semiconductor gas sensor includes an amplifier that amplifies a signal generated at the other end of the gas sensitive body and supplies the amplified signal to the output terminal. The output terminal is connected to the other end of the gas sensitive body through the amplifier. It may be connected. According to the semiconductor gas sensor of this embodiment (fourth semiconductor gas sensor), the same effect as that of the second semiconductor gas sensor can be obtained.
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。 The present invention relates to any one of the first to fourth semiconductor gas sensors, and a composition estimation unit that estimates the composition of the exposure atmosphere of the gas sensitive body using a signal output from the output terminal of the semiconductor gas sensor; A gas composition measuring device is provided. According to this gas composition measuring instrument, the composition of the exposure atmosphere can be measured with high accuracy.
<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。
<1. Overall>
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a gas composition measuring
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。
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the gas
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。
Specifically, the
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。
The
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。
The A /
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。
The
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。
When the gas
<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。
<2. Semiconductor gas sensor>
FIG. 3 is an electric circuit diagram showing a configuration example in the vicinity of the
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。
The
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。
One
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。
The electric resistance value of the gas
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。
By the way, the fluctuation characteristic of the electric resistance value of the
<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。
<3. Experimental results>
FIG. 4 is a table showing experimental results in the present embodiment. This table shows that the gas
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。
FIG. 5 is a graph showing an example of density characteristics. Among the characteristic lines L1 to L3 shown in this figure, the one obtained in the above experiment is the fluctuation characteristic of the electric resistance value Rs of the gas
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。
FIG. 6 is an electric circuit diagram showing a configuration of a
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。
Also in this experiment, the concentration characteristic of the gas
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。
4 and 7, the fluctuation range (0.778−0.600 = 0.178) of the output voltage Vs of the
<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。
<4. Deformation>
The present invention includes not only the above-described embodiments but also modifications listed below within the scope thereof.
FIG. 8 is an electric circuit diagram showing a configuration of a
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。
In the
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。
FIG. 9 is an electric circuit diagram showing a configuration of a
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。 Further, in the above-described embodiment, the gas composition measuring device that measures the composition of the breath is exemplified, but it may be modified to measure the composition of the gas other than the breath. In the above-described embodiment, the semiconductor gas sensor has been incorporated into a gas composition measuring instrument as an application, but the semiconductor gas sensor is not limited to this application. These are also applicable to the above-described modifications.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 A gas sensitive body whose electrical resistance varies in response to a specific gas,
A voltage dividing resistor connected in series to the gas sensitive body;
A parallel resistor connected in parallel to the gas sensitive body and in series to the voltage dividing resistor;
A semiconductor gas sensor comprising: an output terminal that outputs a signal indicating a voltage between both ends of the voltage dividing resistor, the gas sensitive body, or the parallel resistor.
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。 A gas-sensitive body having one end and the other end, the electric resistance value of which varies between both ends in response to a specific gas;
A voltage dividing resistor connected in series to the gas sensitive body at the other end of the gas sensitive body;
A parallel resistor connected in parallel to the gas sensitive body between both ends of the gas sensitive body;
A semiconductor gas sensor comprising: an output terminal connected to the other end of the gas sensitive body.
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。 An amplifier that amplifies a signal generated at the other end of the gas sensitive body and supplies the amplified signal to the output terminal;
The output terminal is connected to the other end of the gas sensitive body through the amplifier.
The semiconductor gas sensor according to claim 3.
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。
A semiconductor gas sensor according to any one of claims 1 to 4,
A gas composition measuring instrument comprising: a composition estimating unit that estimates a composition of an exposed atmosphere of the gas sensitive body using a signal output from the output terminal of the semiconductor gas sensor.
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