JP3539060B2 - ガス識別方法 - Google Patents

ガス識別方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスの種類を識別
することのできるガス識別方法に関する。
【0002】
【従来の技術】様々な産業分野や家庭などにおいて、可
燃性ガス・有毒ガスの漏れ検出、自動制御、環境計測な
どのために、ガスや臭いを選択性よく検出できるガスセ
ンサの要求が高まっている。そして従来、半導体素子の
電気抵抗がガスとの接触により変化することを利用した
半導体ガスセンサが、素子の構造が単純である上に、信
号増幅のための特別の回路も必要としないため、使い易
く安価なガスセンサとして広く用いられている。その動
作原理は、SnO2 (酸化スズ)、ZnO(酸化亜鉛)
などのn型半導体の活性部に水素や炭化水素などの電子
供与性の還元気体が吸着した場合には、電子密度が増加
して導電率が増大し、また酸素などの電子吸引性気体が
吸着した場合には、電子密度が減少し導電率が低下する
現象を利用するものである。さらに、前記半導体にPt
(白金)、Pd(パラジウム)などの貴金属を触媒とし
て添加し、被検ガスを活性化し、ガス検出感度を向上あ
るいは制御する方法もしばしば用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしこのような半導
体ガスセンサにおいて、特定のガスのみに対して感度を
有するセンサ材料はほとんどなく、1つのセンサ材料
は、特性は異なるものの種々のガスに対して導電率の変
化を示すのが普通である。すなわち、このような半導体
ガスセンサにおいては、吸着および反応をするガスであ
れば、原理的には全てのガスに応答するので、異なるガ
スであっても類似した抵抗の変化を引き起こし、ガスの
種別を識別することは実質的に困難であった。特定の被
検ガスを検出するために、動作温度などの条件の最適
化、種々の異種成分の添加、および、検出素子表面への
組成の異なる層の形成などを行い、その被検ガスに対す
る感度のみを向上させるようにする試みも行われている
が、その感度の向上は十分ではない。また、ニューラル
ネットワークなどの信号処理技術を応用し、複数のセン
サ素子の出力パタンの学習によりガスを識別するシステ
ムも考案されているが、構成が複雑であるという問題が
ある。
【0004】したがって、本発明の目的は、簡単な処理
によりガスの種類を識別することのできるガス識別方法
を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、半導体ガスセンサに所定の波形を印加した時に、緩
和現象が生じ、この緩和現象の状態が被検ガスの種類に
より異なることに着目し、この緩和現象の状態の違いを
検出して、被検ガスの種類を識別するようにした。
【0006】したがって、本発明のガス識別方法は、被
検ガスと接触する半導体ガスセンサに、立ち上がり時に
被検ガスの種類に応じて異なる緩和現象を生じさせる方
形波状の電圧または電流を少なくとも1波印加し、方形
波状の電圧または電流の立ち上がり時における半導体ガ
スセンサの検出信号を測定し、測定した半導体ガスセン
サの検出信号をフーリエ変換し、フーリエ変換により得
られたスペクトルの値を、被検ガスの種類に応じた緩和
現象に基づく応答波形をフーリエ変換して予め得られた
スペクトルの標準値と比較して、前記被検ガスを識別す
る。これらの識別時には、予め識別対象の各ガスに対し
て応答波形およびそのフーリエ変換により得られたスペ
クトルを標準値として検出しておき、被検ガスから得ら
れた応答波形およびフーリエ変換スペクトルの値を前記
標準値と比較することにより識別ガスの特定を行う。
【0007】
【発明の実施の形態】第1の実施の形態 本発明のガス識別方法の第1の実施の形態について、図
1〜図5を参照して説明する。まず、第1の実施の形態
で用いるガスセンサについて説明する。図1は、第1の
実施の形態で使用するガスセンサの構成を示す図であ
る。図1に示すように、半導体ガスセンサ10は、石英
ガラス基板11上に、Ptを用いた櫛形電極12a,1
2bを形成し、さらにこの上に酸化スズ薄膜13を形成
し、その酸化スズ薄膜13の表面にPdを酸化スズに対
して1%担持したものである。なお、この酸化スズ薄膜
13は、テトラメチルスズを原料としてプラズマCVD
法で形成されている。また、櫛形電極12a,12bに
は、リード線14a,14bが形成されている。
【0008】次に、第1の実施の形態のガス識別方法に
ついて説明する。図2は、第1の実施の形態のガス識別
方法の手順を示す図である。まず、半導体ガスセンサ1
0をガスの識別ができる状態に設定する(ステップS
1)。具体的には、たとえば半導体ガスセンサ10を管
状マントルヒータ内に設置し、400℃に保持する。次
に、この管状マントルヒータ内に、被検ガスを所定の流
量で流す(ステップS2)。次に、この半導体ガスセン
サ10に所定の電圧を印加し(ステップS3)、その応
答波形を測定する(ステップS4)。第1の実施の形態
においては、ステップS3において、半導体ガスセンサ
10に周波数20kHz、振幅500mVp−p(オフ
セットバイアス250mV)の方形波電圧を印加する。
そして、その応答波形をフーリエ変換してスペクトルを
算出し(ステップS5)、このスペクトルのピーク値を
予め定めた各ガスの標準ピーク値と比較し、被検ガスの
種類を識別する(ステップS6)。
【0009】次に、前記ガス識別方法を実際に3種類の
ガスについて適用した場合の、応答波形およびスペクト
ルのピーク値について説明する。まず、乾燥空気を10
0[cc/min]で管状マントルヒータ内を流した時の応答波
形を図3に示す。また、第1の被検ガスである2−メチ
ル−2−ブテン500[ppm] (空気希釈)、および、第
2の被検ガスであるイソブタン450[ppm] (空気希
釈)を、乾燥空気と同様に各々100[cc/min]で管状マ
ントルヒータ内を流した時の応答波形を図4に示す。図
4においては、波形aが2−メチル−2−ブテンの応答
波形、波形bがイソブタンの応答波形である。
【0010】さらに、図3および図4に示したこれら3
種類のガスによる応答波形をフーリエ変換して得られた
スペクトルについて図5を参照して説明する。図5は、
これら3種類のガスの応答波形をフーリエ変換して得ら
れたスペクトルの虚数部を模式的に示す図であり、aが
2−メチル−2−ブテンのスペクトル、bがイソブタン
のスペクトル、cが乾燥空気のスペクトルを示す。図5
に示すように、2−メチル−2−ブテンのスペクトルの
ピーク値は2.51×105 Hz、イソブタンのスペク
トルのピーク値は1.38×105 Hz、乾燥空気のス
ペクトルのピーク値は1.45×104 Hzとなった。
また、スペクトルの変化は実数部でも起こり、ガスの種
類によってその変化は異なった。
【0011】このように、第1の実施の形態のガス識別
方法においては、被検ガスに対して所定の電圧を印加
し、これに対する応答を観測し、さらにこの応答波形を
フーリエ変換してスペクトルを求めそのピーク値を求め
ることにより、被検ガスの種類を識別することができ
る。
【0012】第2の実施の形態 本発明の第2の実施の形態として、第1の実施の形態と
同様の方法により、純空気、第1の被検ガスである2−
メチル−2−ブテン500[ppm] (空気希釈)、およ
び、第2の被検ガスであるメタノール500[ppm] (空
気希釈)の3種類のガスを識別をする場合について、図
6〜図8を参照して説明する。
【0013】図6は、第2の実施の形態で使用するガス
センサの構成を示す図である。図6に示すように、半導
体ガスセンサ20は、第1の実施の形態で使用した半導
体ガスセンサ10と同様に、石英ガラス基板21上に、
Ptを用いた一対の電極22a,22bが形成され、さ
らにこの上に酸化スズ薄膜23が成膜されて構成され
る。また、電極22a,22bには、銀ペーストにより
金リード線14a,14bが設けられている。このよう
な半導体ガスセンサ20を用いて、第2の実施の形態に
おいても図2を参照して説明したのと同様の方法によ
り、ガスの識別を行う。すなわち、半導体ガスセンサ2
0を管状マントルヒータ内に設置し、この管状マントル
ヒータ内に被検ガスを所定の流量で流し、半導体ガスセ
ンサ20に所定の電圧を印加し、その応答波形を測定す
る。そして、その応答波形をフーリエ変換してスペクト
ルを算出し、このスペクトルのピーク値を予め定めた各
ガスの標準ピーク値と比較し、被検ガスの種類を識別す
る。
【0014】管状マントルヒータを350℃に保持し、
半導体ガスセンサ20には周波数500Hz、振幅1V
p−p(オフセットバイアス0.5V)の方形波電圧を
印加して、前記3種類のガスを、100[cc/min]で管状
マントルヒータ内を流した時の応答波形を図7に、この
応答波形をフーリエ変換して得られたスペクトルを図8
に示す。図7および図8において、dが2−メチル−2
−ブテンの応答波形およびスペクトル、eがメタノール
の応答波形およびスペクトル、fが純空気の応答波形お
よびスペクトルである。図8に示すように、2−メチル
−2−ブテンのスペクトルのピーク値は7.94×10
4 Hz、メタノールのスペクトルのピーク値は1.58
×104 Hz、純空気のスペクトルのピーク値は1.5
8×103 Hzとなった。このように、スペクトルの虚
数部の変化はガスの種類によって歴然であり、これによ
り被検ガスの種類を特定することができる。
【0015】以上説明したように、第1および第2の実
施の形態のガス識別方法においては、被検ガスに対して
所定の電圧を印加し、これに対する応答を観測し、さら
にこの応答波形をフーリエ変換してスペクトルを求めそ
のピーク値を求めることにより、被検ガスの種類を識別
することができる。したがって、従来と同様の非常に簡
単な構成の半導体ガスセンサと、簡単な信号処理回路を
用いることにより、被検ガスの種類を特定することがで
きる。
【0016】なお、本発明のガス識別方法は本実施の形
態に限られるものではなく種々の改変が可能である。ま
ず、本実施の形態においては、半導体ガスセンサからの
応答波形をフーリエ変換し、そのスペクトルのピーク値
に基づいて被検ガスの種類を特定するようにしていた。
しかし、そのフーリエ変換して得られたスペクトルの、
たとえば実数部、虚数部の周波数に対する広がり方など
の、そのスペクトルの他の特徴に着目して被検ガスの種
類を区別するようにしてもよい。また、図3および図
4、図7に示すように、被検ガスの種類により応答波形
が既に異なっているのであるから、この応答波形を比較
して被検ガスの種類を特定するようにしてもよい。ま
た、本実施の形態においては、半導体ガスセンサに方形
波を印加してその応答波形に基づいてガスを識別した
が、半導体ガスセンサに印加する電圧は、三角波や正弦
などでもよい。
【0017】また、本実施の形態の半導体ガスセンサ1
0においては、応答電圧をフーリエ変換していたが、応
答電流をフーリエ変換してもよい。また、本実施の形態
においては、第1の実施の形態において被検ガスとして
2−メチル−2−ブテンとイソブタン、第2の実施の形
態において被検ガスとして2−メチル−2−ブテンとメ
タノールについてその具体的スペクトルなどを用いて説
明したが、本発明はこれらのガスの識別に限られるもの
ではない。識別対象のガスの応答波形またはスペクトル
を求めておくことにより、任意のガスの識別が可能であ
る。
【0018】
【発明の効果】したがって、本発明のガス識別方法によ
れば、これまでの半導体ガスセンサに所定の波形の電圧
を印加し、この応答波形を観察するのみで被検ガスの種
類を識別できるので、簡単な構成で、簡単な信号処理に
より被検ガスの種類を識別することができる。また、そ
の応答波形をフーリエ変換し、そのスペクトルに基づい
て被検ガスを識別する本発明のガス識別方法によれば、
そのスペクトルを予め検出した各ガスの標準スペクトル
と比較するのみでガスを識別することができるので、よ
り簡単に被検ガスの種類を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス識別方法の第1の実施の形態で使
用するガスセンサの構成を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態のガス識別方法の手順を示
す図である。
【図3】第1の実施の形態のガス識別方法を乾燥空気に
対して適用した場合の応答波形を示す図である。
【図4】第1の実施の形態のガス識別方法を2−メチル
−2−ブテンおよびイソブタンに対して適用した場合の
応答波形を示す図である。
【図5】図3および図4に示したこれら3種類のガスに
よる応答波形をフーリエ変換して得られたスペクトルを
示す図である。
【図6】本発明のガス識別方法の第2の実施の形態で使
用するガスセンサの構成を示す図である。
【図7】第2の実施の形態のガス識別方法を2−メチル
−2−ブテン、メタノール、純空気に対して適用した場
合の応答波形を示す図である。
【図8】図7に示した3種類のガスによる応答波形をフ
ーリエ変換して得られたスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
10,20…半導体ガスセンサ 11,21…石英ガラス基板 12,22…櫛形電極 13,23…酸化スズ薄膜 14,24…リード線

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被検ガスと接触する半導体ガスセンサに
    立ち上がり時に被検ガスの種類に応じて異なる緩和現象
    を生じさせる方形波状の電圧または電流を少なくとも1
    印加し、前記方形波状の電圧または電流の立ち上がり時における
    前記半導体ガスセンサの検出信号を測定し、 測定した前記半導体ガスセンサの検出信号をフーリエ変
    換し、 前記フーリエ変換により得られたスペクトルの値を、被
    検ガスの種類に応じた緩和現象に基づく応答波形をフー
    リエ変換して予め得られたスペクトルの標準値と比較し
    て、 前記被検ガスを識別するガス識別方法。
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