JP2010002366A

JP2010002366A - 半導体式ガス検知装置

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Publication number: JP2010002366A
Application number: JP2008162940A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ishibashi; 勝石橋; Shinsuke Kogure; 晋祐小▲暮▼; Takashi Ogawa; 高史小川; Takanori Tsukahara; 孝典塚原; Hirokatsu Takei; 広勝武井
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: JP5216434B2

Abstract

【課題】検知対象ガスの濃度を、標準検量線を用いることなく、精確に、かつ高い信頼性で得ることができ、従って、所期のガス検知を確実に行うことのできる半導体式ガス検知装置を提供すること。
【解決手段】この半導体式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサと、当該半導体式ガスセンサにより得られる検出出力値を当該半導体式ガスセンサに固有の検量線に対照することによりガス濃度値を得るガス濃度算出手段とを有してなり、前記検量線は、検知対象ガスの種類に基づいて設定される測定範囲におけるフルスケール値の大きさとの関係で設定される互いに異なる２つの濃度値を第１および第２のスパン点とし、当該第１のスパン点および第２のスパン点の各々についてガス検査を行うことにより得られる各々の検出出力値を対数補間することにより得られるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体式ガスセンサを備えた半導体式ガス検知装置に関する。

現在、例えば可燃性ガスや毒性ガスを検知するガスセンサの一つとして、金属酸化物半導体の表面でのガス吸着による金属酸化物半導体の抵抗値の変化を検出することにより検知対象ガスについてガス濃度を検知する半導体式ガスセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。
この半導体式ガスセンサのある種のものは、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂）を主体とした焼結体よりなる金属酸化物半導体がヒータコイルと電気的に分離され、かつ熱伝導関係を形成するよう配置されて構成されている。
このような半導体式ガスセンサにおいては、金属酸化物半導体の表面温度が例えば２５０〜６００℃程度に維持されるようヒータコイルによって加熱されることにより金属酸化物半導体の表面上に大気中の酸素が吸着されて金属酸化物半導体の抵抗値が一定の値に維持された状態において、検知対象ガスが金属酸化物半導体の表面に接触されることにより、当該検知対象ガスによって金属酸化物半導体の表面の酸素が奪われることに起因して金属酸化物半導体の抵抗値が低下する、この抵抗値の変化を検出することにより検知対象ガスのガス濃度が検知される。

このような半導体式ガスセンサを備えた半導体式ガス検知装置におけるガス濃度算出方法について具体的に説明すると、半導体式ガスセンサにより得られる検出出力値Ｒｓの、エアー（ゼロガス）導入時における検出出力値Ｒａに対する検出出力比Ｒｓ／Ｒａと、ガス濃度値との関係を示す標準検量線を予め設定しておき、当該標準検量線に基づいて、半導体式ガスセンサによって実際に得られる検出出力値に応じた参照ガス濃度値を算出し、参照ガス濃度値を当該半導体式ガスセンサについての補正係数を用いて感度補正することにより、半導体式ガスセンサの個性によるバラツキ等が補償された補正ガス濃度値を取得する。ここに、補正係数は、感度補正を行うに際して参照ガス濃度値に加算されるものであって、検知対象ガスの濃度が既知の検査ガスを用いたスパン校正時において得られる検出出力値（実測値）を、当該検査ガスの濃度に相当する出力値に一致させる大きさに設定される。

しかしながら、ゼロガスによる検出出力値Ｒａは、例えば圧力、湿度、組成などの条件や微量に含まれる雑ガスなどによる影響を大きく受けて大きな変動を有するものであるので、当該検出出力値Ｒａを用いてガス濃度を算出する上記方法においては、正確なガス感度を得ること、換言すれば、高い指示精度を得ることができない、という問題がある。

また、上記のようなガス濃度算出方法においては、検知対象ガスの種類に応じた複数の標準検量線の設定が必要であると共に、同一ガスを検知する場合であっても、目的に応じて設定されるフルスケール値の大きさに応じた複数の標準検量線の設定が必要であるという問題がある。

特開２００２−０４８７４５号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、検知対象ガスの濃度を、標準検量線を用いることなく、精確に、かつ、高い信頼性をもって得ることができ、従って、所期のガス検知を確実に行うことのできる半導体式ガス検知装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサと、当該半導体式ガスセンサにより得られる検出出力値を当該半導体式ガスセンサに固有の検量線に対照することによりガス濃度値を得るガス濃度算出手段とを有してなり、
前記検量線は、検知対象ガスの種類に基づいて設定される測定範囲におけるフルスケール値の大きさとの関係で設定される互いに異なる２つの濃度値を第１および第２のスパン点とし、当該第１のスパン点および第２のスパン点の各々についてガス検査を行うことにより得られる各々の検出出力値間のデータを対数補間することにより得られるものであることを特徴とする。

本発明の半導体式ガス検知装置においては、第１のスパン点がフルスケール値の１０〜５０％の濃度範囲内において設定されると共に、第２のスパン点がフルスケール値の５０％以上濃度範囲内において設定され、かつ、第１のスパン点の値と第２のスパン点の値の濃度差がフルスケール値の１０％以上の大きさとされることが好ましい。

本発明の半導体式ガス検知装置によれば、フルスケール値の大きさとの関係において設定される互いに異なる２つの濃度値をスパン点とし、当該２つのスパン点についてガス検査を行うことにより得られる検出出力値を対数補間することにより得られる半導体式ガスセンサに固有の検量線が用いられて検知対象ガスのガス濃度が算出されることにより、当該検量線は、変動の大きいゼロ点における検出出力値と無関係に設定されるものであるので、高い指示精度を得ることができる。
また、半導体式ガスセンサにより得られる検出出力値は、ガス濃度に対して対数関数的に変化することから、検知対象ガスの種類およびフルスケール値の大きさに関わらず、少なくとも２つのスパン点におけるガス検査を行うだけで必要な検量線を得ることができるので、高い汎用性を得ることができる。

さらに、第１のスパン点および第２のスパン点が、フルスケール値の大きさに基づいて設定される特定の濃度範囲内において設定され、かつ、第１のスパン点の値と第２のスパン点の値との濃度差が所定の大きさとなるよう設定されることにより、高い指示精度を得ることのできる、半導体式ガスセンサに固有の検量線を確実に得ることができる。

図１は、本発明の半導体式ガス検知装置の構成の概略を示すブロック図、図２は、本発明の半導体式ガス検知装置を構成する半導体式ガスセンサの一例における構成の概略を内部構造の一部を露出させた状態で示す説明用斜視図である。
この半導体式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサ１１を備えたガス検知部１０と、この半導体式ガスセンサ１１より得られるガス検知信号に応じたガス濃度を検出する機能を有する制御処理部２０と、この制御処理部２０によって得られるガス濃度値を表示するガス濃度表示手段３０とを備えている。

半導体式ガスセンサ１１は、例えばアルミナよりなる円筒状部材１２の内部にコイル状のヒータ１３がそのコイル軸が当該円筒状部材１２の軸方向に伸びるよう配設されると共に、円筒状部材１２の軸方向における両端側部分の各々における外周面に電極１４が設けられ、さらに、円筒状部材１２の外周面に、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂）を主体とした焼結体よりなる金属酸化物半導体１５が設けられて、構成されている。図２において、符号１６はリード線である。

ヒータ１３は、ガス検知動作時において、制御処理部２０におけるヒータ駆動回路２２によって通電されることにより、金属酸化物半導体１５の表面温度が所定の温度、例えば２５０〜６００℃に維持されるよう金属酸化物半導体１５を加熱する。

制御処理部２０は、例えば、半導体式ガスセンサ１１におけるコイル１３に適正な大きさに制御された電流もしくは電圧を供給するヒータ駆動回路２２と、半導体式ガスセンサ１１からのガス検知信号を増幅させる増幅回路２３と、当該半導体式ガスセンサ１１に固有の検量線（以下、「固有検量線」という。）が記録されたメモリ２４と、半導体式ガス検知装置を構成する各構成部の動作制御を行うと共に半導体式ガスセンサ１１による検出出力値を固有検量線に対照することによりガス濃度値を算出するガス濃度算出手段としての機能を有するマイコン２１とを備えている。

固有検量線は、次のようにして取得されたものである。すなわち、検知対象ガスの種類に基づいて設定される測定範囲におけるフルスケール値（Ｆ．Ｓ．）の大きさとの関係において設定される互いに異なる２つの濃度値を第１のスパン点Ｓ１および第２のスパン点Ｓ２として、第１のスパン点Ｓ１および第２のスパン点Ｓ２についてガス検査を行うことにより検出出力値（センサ抵抗値）Ｒ１、Ｒ２を取得し、第１のスパン点Ｓ１および第２のスパン点Ｓ２間の濃度領域におけるデータを対数補間すること、すなわち、図３に示されているように、検出出力値を横軸、ガス濃度を縦軸に各々対数目盛でとり、第１のスパン点Ｓ１における検出出力値（Ｒ１）の値および第２のスパン点Ｓ２における検出出力値（Ｒ２）を両対数座標系において線形近似（２つの検出出力値を対数関数で近似）することにより当該半導体式ガスセンサについての固有検量線（α）が取得される。

上記固有検量線の取得方法において、第１のスパン点Ｓ１は、フルスケール値（Ｆ．Ｓ．）の１０〜５０％の濃度範囲内において設定されると共に、第２のスパン点Ｓ２は、フルスケール値（Ｆ．Ｓ．）の５０％以上濃度範囲内において設定され、かつ、第１のスパン点の値と第２のスパン点の値の濃度差がフルスケール値の１０％以上の大きさとされることが好ましい。
また、第１のスパン点Ｓ１および第２のスパン点Ｓ２は、例えば、検知対象ガスについての警報点を挟んで設定されることが好ましい。

以上において、上記の半導体式ガス検知装置における検知対象ガスとしては、例えばＬＰＧ、都市ガス、メタン、水素、一酸化炭素、硫化水素、フロンガス、アンモニア、その他の可燃性ガス、アルコール、半導体材料ガス、毒性ガスなどを例示することができる。

上記の半導体式ガス検知装置においては、ヒータ駆動回路２２によって適正な大きさに制御された電流もしくは電圧が半導体式ガスセンサ１１におけるヒータ１３に供給されて金属酸化物半導体１５の表面温度が所定の温度状態に維持されるよう加熱された状態において、被検ガスがガス検知部１０における半導体式ガスセンサ１１に供給されると、金属酸化物半導体１５の抵抗値（検出出力値）に応じた検出信号が増幅回路２３を介してマイコン２１に入力されることにより、当該検出信号に応じたガス濃度が固有検量線に基づいて算出され、その結果がガス濃度表示手段３０に表示される。

而して、上記の半導体式ガス検知装置によれば、フルスケール値（Ｆ．Ｓ．）の大きさとの関係において設定される互いに異なる２つの濃度値をスパン点Ｓ１，Ｓ２とし、当該２つのスパン点Ｓ１，Ｓ２におけるガス検査を行うことにより得られる検出出力値Ｒ１，Ｒ２を対数補間することにより得られる固有検量線が用いられて検知対象ガスのガス濃度が算出されることにより、当該固有検量線は、変動の大きいゼロ点における検出出力値と無関係に設定されるものであるので、高い指示精度を得ることができる。
また、半導体式ガスセンサ１１により得られる検出出力値は、ガス濃度に対して対数関数的に変化することから、検知対象ガスの種類およびフルスケール値の大きさに関わらず、少なくとも２つのスパン点Ｓ１，Ｓ２におけるガス検査を行うだけで必要な検量線を得ることができるので、高い汎用性を得ることができる。

さらに、第１のスパン点Ｓ１および第２のスパン点Ｓ２が、フルスケール値（Ｆ．Ｓ．）の大きさに基づいて設定される特定の濃度範囲内において設定され、かつ、第１のスパン点Ｓ１の値と第２のスパン点Ｓ２の値との濃度差が所定の大きさとなるよう設定されることにより、高い指示精度を得ることのできる固有検量線を確実に得ることができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。

＜実験例１＞
図２に示す構成に従って、酸化スズを主体とした金属酸化物半導体を備えた半導体式ガスセンサを作製すると共に、この半導体式ガスセンサについての固有検量線を、フルスケール値（Ｆ．Ｓ．）を２０００ｐｐｍに設定すると共に、第１のスパン点（Ｓ１）を５００ｐｐｍ（Ｆ．Ｓ．の２５％の大きさ）、第２のスパン点（Ｓ２）を１６００ｐｐｍ（Ｆ．Ｓ．の８０％の大きさ，第１のスパン点の値との濃度差がフルスケール値の５５％）に設定して取得した。

そして、水素（Ｈ₂）ガス（温度：２３℃、相対湿度：４０ＲＨ％）を１リットル／分の流量で供給するガス検知テストを、Ｈ₂ガスの濃度を適宜に変更して行い、検出されるガス濃度値（実測値）の理論値に対する誤差（ｐｐｍ）を調べた。結果を図４において曲線（イ）で示す。
ここに、コイルに対する電流供給量を１３０ｍＡとし、金属酸化物半導体の表面温度を４００℃に設定した。

＜比較実験例１＞
上記実験例１において、ガス濃度を算出するための検量線として、標準検量線をゼロ調整およびスパン調整（スパン点：８００ｐｐｍ）したものを用いたことの他は実験例１と同様のガス検知テストを行った。結果を図４において曲線（ロ）で示す。
標準検量線は、他の同一の半導体式ガスセンサについて予め取得されたものであって、水素（Ｈ₂）ガスの濃度が０，１０，２０，５０，１００，２００，５００，１０００，２０００ｐｐｍの９種類の標準ガスを用い、各々の標準ガスについて得られる検出出力値を対数関数にて近似すること（実測値間を対数補間すること）により得られたものである。

＜実験例２＞
実験例１において、水素（Ｈ₂）ガスに代えてメタンガス（ＣＨ₄）（温度：２３℃、相対湿度：４０ＲＨ％）を被検ガスとして用いたことの他は実験例１と同様のガス検知テストを行い、検出されるガス濃度値（実測値）の理論値に対する誤差（ｐｐｍ）を調べた。結果を図５において曲線（イ）で示す。

＜比較実験例２＞
比較実験例１において、水素（Ｈ₂）ガスに代えてメタンガス（ＣＨ₄）（温度：２３℃、相対湿度：４０ＲＨ％）を被検ガスとして用いたことの他は比較実験例１と同様のガス検知テストを行い、検出されるガス濃度値（実測値）の理論値に対する誤差（ｐｐｍ）を調べた。結果を図５において曲線（ロ）で示す。

＜実験例３＞
実験例１において、水素（Ｈ₂）ガスに代えてエタノール（温度：２３℃、相対湿度：４０ＲＨ％）を被検ガスとして用いたことの他は実験例１と同様のガス検知テストを行い、検出されるガス濃度値（実測値）の理論値に対する誤差（ｐｐｍ）を調べた。結果を図６において曲線（イ）で示す。

＜比較実験例３＞
比較実験例１において、水素（Ｈ₂）ガスに代えてエタノール（温度：２３℃、相対湿度：４０ＲＨ％）を被検ガスとして用いたことの他は比較実験例１と同様のガス検知テストを行い、検出されるガス濃度値（実測値）の理論値に対する誤差（ｐｐｍ）を調べた。結果を図６において曲線（ロ）で示す。

以上の結果より明らかなように、半導体式ガスセンサについての固有検量線を用いた本発明に係るガス濃度算出方法によれば、検知対象ガスの種類に関わらず、高い指示精度が得られることが確認された。

本発明の半導体式ガス検知装置の構成の概略を示すブロック図である。本発明の半導体式ガス検知装置を構成する半導体式ガスセンサの一例における構成の概略を内部構造の一部を露出した状態で示す説明用斜視図である。本発明に係る半導体式ガスセンサについての固有検量線の一例を示す説明図である。実験例１および比較実験例１におけるガス検知テストの結果を示すグラフである。実験例２および比較実験例２におけるガス検知テストの結果を示すグラフである。実験例３および比較実験例３におけるガス検知テストの結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ガス検知部
１１半導体式ガスセンサ
１２円筒状部材
１３ヒータ
１４電極
１５金属酸化物半導体
１６リード線
２０制御処理部
２１マイコン
２２ヒータ駆動回路
２３増幅回路
２４メモリ
３０ガス濃度表示手段

Claims

半導体式ガスセンサと、当該半導体式ガスセンサにより得られる検出出力値を当該半導体式ガスセンサに固有の検量線に対照することによりガス濃度値を得るガス濃度算出手段とを有してなり、
前記検量線は、検知対象ガスの種類に基づいて設定される測定範囲におけるフルスケール値の大きさとの関係で設定される互いに異なる２つの濃度値を第１および第２のスパン点とし、当該第１のスパン点および第２のスパン点の各々についてガス検査を行うことにより得られる各々の検出出力値を対数補間することにより得られるものであることを特徴とする半導体式ガス検知装置。
第１のスパン点がフルスケール値の１０〜５０％の濃度範囲内において設定されると共に、第２のスパン点がフルスケール値の５０％以上濃度範囲内において設定され、かつ、第１のスパン点の値と第２のスパン点の値の濃度差がフルスケール値の１０％以上の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の半導体式ガス検知装置。