JP3814160B2 - Gas sensor with gas type separation function - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス種を分別する機能を有するガスセンサに関し、特に、接触燃焼式ガスセンサを用いたガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、汎用性の高い接触燃焼式ガスセンサを用いてガス漏れ検知等を行うガス検知装置が数多く提案されている。この一例を図13を用いて説明する。図13は、従来のガス検知装置に用いられる接触燃焼式ガスセンサの概観図である。特に、図13(A)及び(B)はそれぞれ、従来の接触燃焼式ガスセンサの感応素子部及び補償素子部の概観図である。
【0003】
この種の接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスと空気中の酸素を触媒上で燃焼させることで得られる燃焼熱を白金コイルの抵抗変化としてとらえるようにしている。図13(A)に示すように、感応素子部は、20umφの(白金)Ptコイル42Aに直径約1mmの球状になるように、Pd/Al23触媒層43Aが塗布されている。また、図13(B)に示すように、補償素子部は、同様のPtコイル44Aに直径約1mmの球状になるように、Al23触媒層45Aが塗布されている。そして、実用的には、可燃性ガスに対するPtコイル42Aの抵抗変化が微少であるため、上記感応素子部及び補償素子部をブリッジ回路に組み込み、直流又はパルスをこのブリッジ回路の両端に印加し、可燃性ガスに対するブリッジ回路の中点電圧の変化を、センサ出力として測定する。
【0004】
図14は、上述の従来の接触燃焼式ガスセンサによるガス濃度とセンサ出力の関係を示すグラフである。図中、Gc1はイソブタンの出力特性を示し、同様に、Gc2は水素、Gc3はエタノール、そしてGc4はメタンの出力特性を示す。この図に示すように、上記4種のガスに対応するセンサ出力は、ガス濃度増加に対して単調増加する、いずれも類似した特性を有する。ここで、エタノールは、酒類を起因とする日常生活で頻繁に発生する無害なものの例である。一方、イソブタン、水素、メタン等は、ガス漏れ等を起因として非日常的に発生する有害なガスとして検出すべきものの例である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来の接触燃焼式ガスセンサは、熱容量が大きく、応答性及び測定精度もよくなかったので、図14に示すように、いずれのガスに対しても類似の出力特性を呈し、これらを分離識別して検出することは困難であった。したがって、従来の接触燃焼式ガスセンサを用いたガスセンサ装置は、すべてのガス種に共通のガス検知基準値を設定し、この基準値に基づいて、ガス検知をせざるを得なかった。この結果、通常の家庭内に存在する酒類や調味料等に起因するエタノール系ガスや酢酸系ガス等の無害なガスにも、ガスセンサが反応し誤警報する可能性があった。そこで、この点を改善した他の従来例として、ガス種に対する選択性を持たせるため、センサキャップに活性炭等のフィルターをつけたガスセンサ装置も提案されている。更に、他の従来例として、ガス種に対応させた複数の特性の異なるガスセンサを備えて、これらを同時に駆動させるようにしたガスセンサ装置等も提案されている。ところが、これらの従来例でも、フィルター等の選択性を持たせるための手段が別途必要となったり、複数の特性の異なるガスセンサが必要となったりして、装置の複雑化、大型化や消費電力増大によりコスト高を招くという問題があった。
【0006】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、接触燃焼式ガスセンサの構造及びセンサ出力取得タイミングを最適化して、1つの接触燃焼式ガスセンサだけで複数のガス種を分別できるようにして、小型化及び低コスト化を達成したガスセンサを提供することを課題としている。また、検出高速化及び低消費電力化を達成したガスセンサを提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項1記載のガス種分別機能付ガスセンサは、図1〜図7に示すように、接触燃焼式ガスセンサ40の通電開始時点から前記接触燃焼式ガスセンサ40のセンサ出力が安定する定常時点T300までの立上り期間における前記センサ出力が、特定種のガスに対して固有のピーク波形を呈することを利用してガス種を分別するガス種分別機能付ガスセンサであって、前記通電開始時点からこの通電開始時点と前記定常時点との間の特定の立上り初期時点T10までの第1立上り期間、及び前記立上り初期時点から前記定常時点までの間の第2立上り期間においてそれぞれ、前記センサ出力のピーク波形を有する第1ガスと、前記第2立上り期間においてのみ前記センサ出力のピーク波形を有する第2ガスと、前記立上り期間において前記センサ出力が単調に増加する第3ガスとを分別して分別結果を出力するガス種分別機能付ガスセンサにおいて、前記第1立上り期間における前記センサ出力のピーク波形の有無を検出する第1ピーク有無検出手段12と、前記第2立上り期間における前記センサ出力のピーク波形の有無を検出する第2ピーク有無検出手段13、14と、前記第1ピーク有無検出手段12及び前記第2ピーク有無検出手段13、14によるそれぞれのピーク波形有無検出結果に基づいて、前記第1ガス、前記第2ガス及び前記第3ガスを分別するガス種分別手段15と、前記ガス種分別手段15による分別結果を出力するガス検知出力手段30とを含むことを特徴とする。
【0008】
請求項1記載の発明によれば、通電開始時点から定常時点までの立上り期間におけるセンサ出力が、特定種のガスに対して固有のピーク波形を呈することを利用してガス種を分別するようにしているので、1つの接触燃焼式ガスセンサ40を用いるだけで複数のガス種を分別できるようになる。また、立上り期間におけるセンサ出力を利用するようにしているので、高速にガス種分別ができるようになる。
【0010】
また、第1立上り期間及び第2立上り期間にそれぞれピーク波形を有する第1ガスと、第2立上り期間においてのみピーク波形を有する第2ガスと、立上り期間においてセンサ出力の単調増加する第3ガスとが、第1ピーク有無検出手段12及び第2ピーク有無検出手段13、14によるそれぞれのピーク波形有無検出結果に基づいて分別される。換言すれば、接触燃焼式ガスセンサ40の立上り期間におけるセンサ出力波形に着目することによって、上記3種類のガスの分別が可能になる。このように、接触燃焼式ガスセンサ40の立上り期間におけるセンサ出力に着目して、第1ピーク有無検出手段12及び第2ピーク有無検出手段13、14によって、ピーク波形有無を検出するようにしているので、上記3種類のガスが1つの接触燃焼式ガスセンサ40を用いるだけで分別できるようになる。
【0011】
上記課題を解決するためになされた請求項記載のガス種分別機能付ガスセンサは、図1〜図7に示すように、請求項記載のガス種分別機能付ガスセンサにおいて、前記第1ガスは酢酸を起因として発生するガスであり、前記第2ガスはエタノールを起因として発生するガスであることを特徴とする。
【0012】
請求項記載の発明によれば、酢酸を起因として発生するガス、エタノールを起因として発生するガス及びそれ以外のガスが分別できるようになる。酢酸及びエタノールを起因として発生するガスは日常的に酒や調味料から発生される可能性が高いので、これらを分別することにより誤警報を防止できるようになる。
【0013】
上記課題を解決するためになされた請求項記載のガス種分別機能付ガスセンサは、図4に示すように、請求項1又は2記載のガス種分別機能付ガスセンサにおいて、前記接触燃焼式ガスセンサ40は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更に前記シリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムが形成されていることを特徴とする。
【0014】
請求項記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ40は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムDsが形成されているので、熱容量を小さくできる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0028】
第1実施形態
まず、図1〜図7を用いて、本発明の第1実施形態について説明する。
この第1実施形態においては、まず、図1〜図3を用いて基本構成、駆動波形及びガス種分別方法について説明する。図1は、本発明のガス種分別機能付ガスセンサの第1実施形態の基本構成を示すブロック図である。図2(A)及び(B)は、本発明の第1実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。図3は、本発明の第1実施形態に関わるガス種分別のための判定基準及びガス判定パターンを示す説明図である。
【0029】
図1に示すように、コントローラ10には、駆動電源20、ガス検知出力手段30、及び検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ40が接続されている。このガス種分別機能付ガスセンサでは、図2に示すような駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ40が通電制御され、このセンサ40のセンサ出力に基づいてコントローラ10で、ガス種が分別されてガス検知出力される。この分別原理は、図6に示すように、接触燃焼式ガスセンサ40の通電開始時点からセンサ出力が安定する定常時点までの立上り期間におけるセンサ出力が、特定種のガス(例えば、酢酸、エタノール等)に対して固有のピーク波形を呈することを利用するものであるが、これに関しては再度後述する。
【0030】
上記コントローラ10は、図2(A)に示すように、10秒間のパルスOFF期間と400msの通電期間D10とで1周期が構成される駆動パルスの通電期間D10において、図2(B)に示すように、パルスONから5ms時点T5、同10ms時点T10、同20ms時点T20、及び同300ms時点T300において、それぞれセンサ出力を取得する。これらの各時点T5、T10、T20及びT300は、特定のガス固有のピーク波形を識別して検出しやすいように、予め採取したデータに基づいて設定されたものである。
【0031】
コントローラ10は、センサ出力取得手段11、第1〜3判定手段12〜14、ガス種分別手段15、判定パターン格納手段16、センサ駆動制御手段17及び補正手段18を含む。コントローラ10は、ハードウエアとして、演算部、記憶部及びタイマ部等を有し、上記各手段11〜16は、記憶部に格納される制御プログラムにしたがって演算部が行う後述する図7の処理動作に対応するものである。
【0032】
上記センサ出力取得手段11は、補正手段18を介して、図2に示す各時点T5、T10、T20及びT300でセンサ出力を取得する。そして、このセンサ出力取得手段11は、各時点T5、T10、T20及びT300にそれぞれ対応する、第1時点出力取得手段11a、第2時点出力取得手段11b、第3時点出力取得手段11c及び第4時点出力取得手段11dから構成される。例えば、第1時点出力取得手段11aはパルスONから5ms時点T5でのセンサ出力を取得し、同様に、第2時点出力取得手段11b、第3時点出力取得手段11c及び第4時点出力取得手段11dもそれぞれ、10ms時点T10、20ms時点T20及び300ms時点T300でのセンサ出力を取得する。
【0033】
第1〜3判定手段12〜14は、上記センサ出力取得手段11から供給される各時点でのセンサ出力を受けて、図3の説明図に示す判定基準にしたがって、Y又はNの判定結果を出力する。図1の第1判定手段12、第2判定手段13及び第3判定手段14はそれぞれ、図3の第1判定YN1、第2判定YN2及び第3判定YN3に対応した方法でY又はNの判定を下す。例えば、この第1判定手段12は、第1判定YN1に示す判定基準にしたがい、10ms時点出力S10(上記時点T10でのセンサ出力)と5ms時点出力S5(上記時点T5でのセンサ出力)とを比較して、この判定基準を満たすと上記Y、さもなければNを出力する。第2判定手段13及び第3判定手段14も同様にそれぞれ、図3に示す判定基準、第2判定YN2及び第3判定YN3にしたがい、Y又はNを出力する。
【0034】
ところで、上記第1判定手段12は、10ms時点出力S10と、5ms時点出力S5とを比較して、上記Y又はNを出力している。また、図3には記載していないが、0ms時点出力(パルスON時点でのセンサ出力)と上記5ms時点出力S5とを比較すると、いずれのガスの場合にも、5ms時点出力S5の方が大きくなる。すなわち、上記第1判定手段12のY又はNの出力により、0〜10ms時点(請求項2の第1立上り期間に相当)のセンサ出力のピーク波形の有無が検出されることになる。同様に、10〜300ms時点(請求項2の第2立上り期間に相当)におけるセンサ出力のピーク波形の有無は、上記第2判定手段13及び第3判定手段14により検出されることになる。すなわち、第1判定手段12は請求項2記載の第1ピーク有無検出手段に相当し、第2判定手段13及び第3判定手段14は請求項2記載の第2ピーク有無検出手段に相当する。なお、5ms時点T5は請求項2記載の特定の立上り初期時点に相当し、300ms時点T300は定常時点に相当する。これら時点T5及びT300は、第1実施形態において、後述する酢酸及びエタノールの特性及びセンサ性能を考慮して設定したものであり、分別ガスが異なったり、センサ性能が異なる場合には、適宜、変更してもよい。
【0035】
ガス種分別手段15は、上記第1〜3判定手段12〜14で出された各Y又はNの判定結果を受け、判定パターン格納手段16に格納されるガス判定パターン(図3に示す)を参照することにより、センサ出力が、酢酸、エタノール又はメタン、H2等の3つのパターンのいずれに一致するかを判定して、その判定結果、すなわち、ガス分別結果を出力する。例えば、第1判定YN1がN、第2判定YN2がY、そして第3判定YN3がNであれば、ガス種分別手段15は、この時点でのセンサ出力から酢酸を分別検出したことになる。同様に、第1判定YN1がY、第2判定YN2がY、第3判定YN3がNならエタノール、第1判定YN1がY、第2判定YN2がY、第3判定YN3がYならメタン、H2等を分別検出したことになる。なお、この分別については、図5及び図6において、データを用いてより具体的に説明する。
【0036】
センサ駆動制御手段17は、接触燃焼式ガスセンサ40に対して駆動電源20を通電制御して図2(A)、(B)で示すような10秒間のパルスOFF期間と400msの通電期間D10とで1周期が構成される駆動パルスを、電源ONされて所定のトリガーが有るまで、継続的に発生させる。なお、図2(A)、(B)で示す駆動パルスにおいて、OFFに相当する駆動パルスのレベルは、必ずしもゼロではない。すなわち、この駆動パルスはセンサ出力取得手段11で所望のセンサ出力が取得されやすいように、直流バイアスが印加されることもある。
【0037】
補正手段18は、後述するブリッジ回路からの検出出力に所定の補正をしたものをセンサ出力として、上記センサ出力取得手段11に供給する。すなわち、図2で示す駆動パルスによる純粋な空気中における上記ブリッジ回路からの検出出力を初期検出出力として予め計測しておき、この初期検出出力を実際に上記ブリッジ回路から得られる検出出力から減算したものを、上記センサ出力として上記センサ出力取得手段11に供給する。
【0038】
上記駆動電源20は、既成の電池等が用いられる。またガス検知出力手段30は、上記コントローラ10のガス種分別手段15からガス種判定結果を受けてその判定結果を出力する。ガス検知出力手段30は、例えば、ガス漏れ警報を音声や発光表示等により発する公知のスピーカやLED及びそれらのドライバー回路で構成される。上記判定結果が酢酸、又はエタノールを示す場合には、それらは人体に無害なので、ガス検知出力手段30から警報を出さないようにする。又は、表示のみで音声警報は出さないようにする。上記判定結果がH2等を示す場合には、異常事態なので、音声警報、又は音声警報と表示警報の両方を出すようにする。なお、酢酸、又はエタノールの検出を区別するために、異なる色のLED表示をさせるようにしてもよい。
【0039】
上記接触燃焼式ガスセンサ40は、上記図2(A)及び(B)で示すような駆動パルスが供給されて、間欠的に駆動する。この接触燃焼式ガスセンサ40は、基本的に、感応素子部Rs及び補償素子部Rrから構成されている。感応素子部Rsは(白金)Ptヒータ42及びPd/Al23触媒層43を含み、補償素子部RrはPtヒータ44及び(アルミナ)Al23触媒層45を含む。上記Ptヒータ42、44は、固定抵抗R1、R2及び可変抵抗Rvと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路のPtヒータ44及び固定抵抗R1の接続点、並びにPtヒータ42及び固定抵抗R2の接続点には、上記コントローラ10を介して駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、Ptヒータ42及び44の接続点、並びに可変抵抗Rvからは、センサ出力としての電圧値がコントローラ10に供給される。
【0040】
この接触燃焼式ガスセンサ40を使用するに際しては、まず、検出動作開始前に、上記補正手段18からセンサ出力取得手段11に供給されるセンサ出力がゼロになるように上記可変抵抗Rvを調整する。この状態において、COガス等が感応素子部Rsに触れると触媒作用により、この素子の表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、Ptヒータ42の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ10に上記センサ出力が供給される。この場合、Ptヒータ44は周囲温度の変動によるPtヒータ42の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に起因するPtヒータ42の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように補償する。上記接触燃焼式ガスセンサ40の構造については、図4を用いて後述する。
【0041】
次に、図4を用いて上記第1実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ40の構造について説明する。図4(A)、(B)及び(C)はそれぞれ、この接触燃焼式ガスセンサ40の平面図、背面図及びAA線断面図である。
【0042】
図4(A)及び(B)に示すように、この接触燃焼式ガスセンサは、(シリコン)Siウエハ41の上に、(酸化)SiO2膜48c、(窒化)SiN膜48b、及び(酸化ハフニウム)HfO2膜48aからなる絶縁薄膜が生膜され、その上に、感応素子部Rsとして(白金)Ptヒータ42及びPd/Al23触媒層43、補償素子部Rrとして(白金)Ptヒータ44及び(アルミナ)Al23触媒層45が形成されている。また、図3(C)に示すように、異方性エッチングして凹部46及び47を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムDs及びDrを形成することにより熱容量を小さくしている。このような構成にすることにより、高速反応可能でかつ測定精度が向上した接触燃焼式ガスセンサが得られる。また、熱容量が小さくなるので、消費電力が低減される。
【0043】
次に、図5及び図6を用いて上記実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ40による各ガスの出力特性について説明する。図5及び図6はそれぞれ、接触燃焼式ガスセンサ40による無極性ガス及び有極性ガスのセンサ出力特性を示すグラフである。なお、図5及び図6においては、横軸は、前述の図2に示したような駆動パルスを接触燃焼式ガスセンサ40に供給した際のパルスON時点(図中、0時点)からの経過時間を示す。
【0044】
図5において、Sv1は(一酸化炭素)COガスのセンサ出力特性を示し、同様に、Sv2、Sv3及びSv4はそれぞれ、(メタン)CH4ガス、(水素)H2ガス、(イソブタン)i・C410ガスのセンサ出力特性を示す。これらのガスは主にガス漏れ時に発生するものであり、ここでは、各ガスの濃度は共に1000ppmにしてデータを採取した。この図5に示すように、4種類のガスに対してセンサ出力は、0時点(パルスON時点)から100ms経過するまでは特有の波形を描いて上昇するが、100ms以降は固有出力値の定常状態になることがわかる。しかしながら、これらの無極性ガスは、パルスON時点から100ms経過時点まではいずれも単調に増加し、その後はそれぞれ各ガス固有の一定値で安定する共通の変動パターンを有することがわかる。このような特性を利用して、本接触燃焼式ガスセンサ40は、ガス漏れ等の異常事態を検出することができる。
【0045】
また、図6において、Sv5は(酢酸)CH3COOHガスのセンサ出力特性を示し、Sv6は(エタノール)C25OHガスのセンサ出力特性を示す。これらのガスは主に日常生活で台所等で調味料や酒類を起因として発生するものであり、ここでは、各ガスの濃度は共に1000ppmにしてデータを採取した。この図6のSv5で示すように、酢酸に対するセンサ出力は、パルスON時点から5ms経過するまで急激に上昇してこの時点で第1ピークを迎えた後、急激に下降する。そして、10ms経過時点で極小になった後、再び急激に上昇して30ms経過時点で第2ピークを迎える。そして、その後は単調に減少し200ms経過時点で固有出力値の定常状態になる。すなわち、このSv5に示す酢酸に対するセンサ出力は、定常状態になるまでに2つのピークを有するピーク波形になることがわかる。この酢酸は、請求項2の第1ガスに相当する。
【0046】
更に、図6のSv6で示すように、エタノールに対するセンサ出力は、パルスON時点から30ms経過するまで急激に上昇してこの時点でピークを迎えた後は、単調に減少し200ms経過時点で固有出力値の定常状態になる。すなわち、このSv6に示すエタノールに対するセンサ出力は、定常状態になるまでに1つのピークを有するピーク波形になることがわかる。このような固有のピーク波形特性を利用して、本接触燃焼式ガスセンサ40は酢酸及びエタノールを分別して検出することができる。このエタノールは、請求項2の第2ガスに相当する。
【0047】
上記のような特有なパルス波形が発生する理由としては、吸着力が大きな要因になるものと考えられる。すなわち、酢酸やエタノール等の極性が大きく、吸着力の大きなガスは、パルスOFF期間にガス分子がセンサ表面に吸着し、パルスONしセンサが通電されると吸着したガスは瞬時に燃焼するので、これに伴いセンサ出力も大きくなる。なお、このときには接触燃焼反応も同時に起こっている。一方、メタン、水素、一酸化炭素等の無極性、又は極性の小さいガスは、吸着力も小さいので、上記のような現象は起こらず、センサ出力は定常値で安定するまで徐々に増加していく。
【0048】
このように、特定種のガスが固有のピーク波形を呈することを利用してガス種を分別するようにしているので、1つの接触燃焼式ガスセンサを用いるだけで複数のガス種を分別できるようになる。これにより、日常的に酒や調味料から発生される酢酸及びエタノールを起因として発生するガスが分別できるようになり、誤警報の少ない信頼性の高いガスセンサが得られる。
【0049】
上述の図5及び図6のような各ガスのセンサ出力特性を利用して、ガス種分別を行うために上記コントローラ10が行う処理動作について、図7を用いて説明する。
【0050】
図7は、本発明の第1実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。この実施形態では、図2で示したような駆動パルスを用いて、通電期間D10における5ms時点T5、10ms時点T10、20ms時点T20、及び300ms時点T300において、それぞれセンサ出力を取得する。そして、各時点T5、T10、T20及びT300で取得されたセンサ出力が、図3に示す判定基準でY/N判定された後、図3に示すガス判定パターンを参照して、ガス種が判定される。これにより、ひとつの接触燃焼式ガスセンサを用いて、複数種のガスを分別するものである。
【0051】
図7のステップP1においては、図2で示した駆動パルスの通電期間D10における5ms時点T5において接触燃焼式ガスセンサ40のセンサ出力が、5ms時点出力S5として取得される。同様に、ステップP2、ステップP3、及びステップP4においてはそれぞれ、図2で示した駆動パルスの通電期間D10における10ms時点T10、20ms時点T20、及び300ms時点T300において、それぞれセンサ出力が10ms時点出力S10、20ms時点出力S20、及び300ms時点出力S300として取得される。これらの出力S5、S10、S20、及びS300は、コントローラ10の有する記憶部に一時保存される。
【0052】
次に、ステップP5においては、上記一時格納されている5ms時点出力S5及び10ms時点出力S10が読み出され、これらが判定パターン格納手段16に格納される図3で示した判定基準に基づきY/N判定される。同様に、ステップP6においては10ms時点出力S10及び20ms時点出力S20が読み出され、ステップP7においては20ms時点出力S20及び300ms時点出力S300が読み出され、これらが判定パターン格納手段16に格納される図3で示した判定基準に基づきY/N判定される。これらの各Y/N判定結果もコントローラ10の有する記憶部に一時保存される。なお、上記ステップP5は請求項2の第1ピーク有無検出手段に相当する。また、上記ステップP6及びステップP7は請求項2の第2ピーク有無検出手段に相当する。
【0053】
そして、ステップP8において、上記一時格納されている第1判定YN1、第2判定YN2及び第3判定YN3よる判定結果が読み出され、これらが判定パターン格納手段16に格納される図3で示したガス判定パターンと比較されて、ガス種が分別される。ステップP8における判定が、第1判定YN1、第2判定YN2、第3判定YN3の順にN、Y、NであればステップP9の酢酸検知出力処理に移行し、Y、Y、NであればステップP10のエタノール検知出力処理に移行し、そして、Y、Y、YであればステップP11のメタン、H2等検知出力処理に移行する。なお、上記ステップP8は請求項2のガス種分別手段に相当する。
【0054】
ステップP9及びステップP10における酢酸検知出力処理及びエタノール検知出力処理では、それらは人体に無害なので、ガス検知出力手段30から警報を出さないようにする。又は、表示のみで音声警報は出さないようにする。又は、酢酸、又はエタノールの検出を区別するために、ステップP9及びステップP10において、異なる色のLED表示をさせるようにしてもよい。
【0055】
一方、ステップP11におけるメタン、H2等検知出力処理では、それは異常事態の可能性があるので、ガス検知出力手段300から音声警報、又は音声警報と表示警報の両方を出すようにする。但し、いずれのガスも含まない正常状態にもこのステップP11になるので、この正常状態を上記異常事態と区別するために、300ms時点出力S300のセンサ出力を監視して、正常状態では警報を出さないようにする。なお、上記ステップP9、ステップP10及びステップP11は請求項2のガス検知出力手段に相当する。
【0056】
なお、このフローチャートでは、図2で示した駆動パルスの1周期相当の処理のみを示しているが、現実的には、この駆動パルスを連続的に発生させて上述の処理を連続的に行うようにする。これにより、より確実にガス分別ができるようになる。
【0057】
以上のように第1実施形態によれば、接触燃焼式ガスセンサ40の立上り期間におけるセンサ出力に着目して、ステップP5及びステップP6、7により、ピーク波形有無を検出するようにしているので、ピーク波形の異なる3種類のガスが1つの接触燃焼式ガスセンサを用いるだけで分別できるようになる。また、ガス種分別用フィルタ等も不要になる。この結果、小型、低価格かつ高性能のガス種分別機能付ガスセンサが得られる。特に、日常的に酒や調味料から発生される酢酸及びエタノールを起因として発生するガスと、これ以外のガスと分別できるようになるので、誤警報の少ない信頼性の高いガスセンサが得られるようになる。更に、図4で示したような熱容量の小さな接触燃焼式ガスセンサを用い、立上り期間におけるセンサ出力を取得して瞬間的な燃焼反応を利用するようにしているので、高速にガス種分別ができるようになる。
【0058】
第2実施形態
更に、図8〜図12を用いて本発明の第2実施形態について説明する。
この第2実施形態においては、まず、図8及び図9を用いて基本構成及び駆動波形について説明する。図8は、本発明のガス種分別機能付ガスセンサの第2実施形態の基本構成を示すブロック図である。図9は、本発明の第2実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【0059】
図8に示すように、コントローラ100には、駆動電源20、検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ40、及びガス検知出力手段300が接続されている。このガス種分別機能付ガスセンサでは、図9に示すような駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ40が通電制御され、このセンサ40のセンサ出力に基づいてコントローラ100で、ガス種が分別されてガス検知出力される。この分別原理は、図11に示すように、接触燃焼式ガスセンサ40の立上り期間におけるセンサ出力の最大値と定常時点におけるセンサ出力の定常値との比率、すなわち出力比を算出し、通電間隔の変動に伴うこの出力比の変動具合に基づいてガス種を分別するが、これに関しては再度後述する。
【0060】
上記コントローラ100は、図9に示すような、10秒間のパルスOFF期間の直後の400msの通電期間D10、及び30秒間のパルスOFF期間の直後の400msの通電期間D30において、センサ出力を取得する。このコントローラ100は、センサ出力取得手段101、第1及び第2出力比算出手段102及び103、第1及び第2分別手段104及び105、センサ駆動制御手段170及び補正手段180を含む。このコントローラ100は、ハードウエアとして、演算部、記憶部及びタイマ部等を有し、上記各手段101〜105は、記憶部に格納される制御プログラムにしたがって演算部が行う後述する図12の処理動作に対応するものである。
【0061】
上記センサ出力取得手段101は、補正手段180を介して、図9に示す上述の通電期間D10及びD30でセンサ出力を取得する。これら通電期間D10及びD30は共に400msであるが、この期間中は、例えば、5ms毎にセンサ出力を取得する。すなわち、各通電期間D10及びD30でそれぞれ、80回ずつサンプリングされることになる。このセンサ出力取得手段101は、上記通電期間D10及びD30にそれぞれ対応する、第1センサ出力取得手段101a及び第2センサ出力取得手段101bから構成される。この第1センサ出力取得手段101aは、酢酸やエタノール等の有極性ガスの飽和吸着時間に基づいて設定された上記10秒間のパルスOFF直後の400msの通電期間D10における上記80回のセンサ出力から、最大値及び定常値を取得する。この最大値及び定常値については後述する。また、第2センサ出力取得手段101bは、上記30秒間のパルスOFF直後の400msの通電期間D30における上記80回のセンサ出力から、最大値及び定常値を取得する。
【0062】
上記第1出力比算出手段は102は、第1センサ出力取得手段101aにより取得された最大値及び定常値の比率、すなわち、通電期間D10における(最大値−定常値)/定常値を第1出力比として算出する。また、第2出力比算出手段103は、第2センサ出力取得手段101bにより取得された最大値及び定常値による比率、すなわち、通電期間D30における(最大値−定常値)/定常値を第2出力比として算出する。この最大値−定常値は後述する最大吸着燃焼出力に対応し、定常値は接触燃焼出力に対応する。
【0063】
そして、第1分別手段104は、これら第1出力比及び第2出力比の比較に基づいて、有極性ガスを他のガスと分別する。第2分別手段105は、第1出力比又は第2出力比に基づいて、更に有極性ガスのうち、通電間隔によらず出力比が約5倍程度である第1有極性ガス、例えば、エタノールと、出力比が約10〜13倍程度である第2有極性ガス、例えば、酢酸とを分別する。
【0064】
センサ駆動制御手段170は、接触燃焼式ガスセンサ40に対して駆動電源20を通電制御して図9に示すような10秒及び30秒の通電間隔を有する駆動パルスを、電源ONされて所定のトリガーが有るまで、継続的に発生させる。なお、図9で示す駆動パルスにおいて、OFFに相当する駆動パルスのレベルは、必ずしもゼロではない。すなわち、この駆動パルスはセンサ出力取得手段101で所望のセンサ出力が取得されやすいように、直流バイアスが印加されることもある。
【0065】
補正手段180は、後述するブリッジ回路からの検出出力に所定の補正をしたものをセンサ出力として、上記センサ出力取得手段101に供給する。すなわち、図9で示す駆動パルスによる純粋な空気中における上記ブリッジ回路からの検出出力を初期検出出力として予め計測しておき、この初期検出出力を実際に上記ブリッジ回路から得られる検出出力から減算したものを、上記センサ出力として上記センサ出力取得手段101に供給する。
【0066】
上記駆動電源20は、図1の第1実施形態で説明したと同様なので、ここでは説明を省略する。またガス検知出力手段300は、上記コントローラ100の第1及び第2分別手段104及び105からガス種分別結果を受けてその分別結果を出力する。ガス検知出力手段300は、例えば、ガス漏れ警報を音声や発光表示等により発する公知のスピーカやLED及びそれらのドライバー回路で構成される。上記判定結果が酢酸、又はエタノールを示す場合には、それらは人体に無害なので、ガス検知出力手段300から警報を出さないようにする。又は、表示のみで音声警報は出さないようにする。上記判定結果がH2等を示す場合には、異常事態なので、音声警報、又は音声警報と表示警報の両方を出すようにする。なお、酢酸、又はエタノールの検出を区別するために、異なる色のLED表示をさせるようにしてもよい。
【0067】
上記接触燃焼式ガスセンサ40は、図1の第1実施形態及び図4で示したと同様の構成をしており、供給される駆動パルスが異なるのみであるので、ここでは説明は省略する。この接触燃焼式ガスセンサ40を使用するに際しては、検出動作開始前に、上記補正手段180からセンサ出力取得手段101に供給されるセンサ出力がゼロになるように上記可変抵抗Rvを調整しておく。
【0068】
更に、図10及び図11を用いて、本ガス種分別機能付ガスセンサのガス種分別の判定基準となる出力比について説明する。図10は、エタノールを被験物質として、本接触燃焼式ガスセンサの駆動間隔を1秒、10秒及び30秒としたときの、それぞれのセンサ出力を示すグラフである。図11は、ガス濃度及び駆動間隔を変えたときの、複数のガスの出力比を示すグラフである。図10においては、横軸は、前述の図9に示したような駆動パルスを接触燃焼式ガスセンサ40に供給した際のパルスON時点(図中、0時点)からの経過時間を示す。また、図11においては、横軸の下の数値は駆動間隔−ガス濃度を示す。
【0069】
図10において、H1は駆動間隔を1秒とした直後の400msの通電期間D1におけるエタノールのセンサ出力特性が示されている。同様に、H10は駆動間隔を10秒とした直後の400msの通電期間D10におけるエタノールのセンサ出力特性、H30は駆動間隔を30秒とした直後の400msの通電期間D30におけるエタノールのセンサ出力特性を示す。この図10に示すように、パルス駆動間隔を1秒から10秒に変動させるとセンサ出力、特にピーク値は大きく変動するが、パルス駆動間隔を10秒から30秒に変動させてもセンサ出力はほとんど変動しない飽和特性があることがわかる。これはエタノールの飽和吸着時間は10〜30秒であることを示している。エタノール以外の他の有極性ガスの飽和吸着時間もほとんど、10〜30秒程度であることがわかっている。一方、メタン、水素、一酸化炭素等の無極性ガスは、吸着力が有極性ガスよりも小さいので、このような飽和吸着時間10〜30秒の特性はないことがわかっている。このように有極性ガスが10〜30秒程度の飽和吸着時間を有することを利用して、有極性ガスを分別することが可能になる。
【0070】
図11において、ガス濃度及び駆動間隔を変えたときの複数種のガスの出力比が示されている。この出力比は、一般的には、最大吸着燃焼出力/接触燃焼出力で表される。接触燃焼出力(請求項5の定常値に相当)はセンサ出力が定常状態になったときの出力値であり、最大吸着燃焼出力はピーク出力から上記接触燃焼出力を減じた値である。この図の例では、通電期間を400msとし、上記接触燃焼出力をパルスONから300ms経過時点のセンサ出力とし、上記ピーク出力を通電期間中のセンサ出力の最大値としている。そして、駆動パルスの駆動間隔を10秒及び30秒にして、エタノール、酢酸、綿灯芯、及び木材の煙に対する出力比のデータを採取、算出している。なお、各駆動間隔において、それぞれ3通りのガス濃度を設定して採取、算出したデータも記載している。
【0071】
図11に示すように、エタノールは上記設定した駆動間隔及びガス濃度によらす、上記出力比はほぼ5倍で一定である。また、酢酸は上記設定した駆動間隔及びガス濃度によらす、上記出力比はほぼ10〜13倍程度である。すなわち、これらの有極性ガスは10〜30秒程度の飽和吸着時間を有するので、駆動間隔によらず出力比は安定的であることがわかる。一方、これ以外の綿灯芯及び木材の煙は、上記設定した駆動間隔及びガス濃度において、駆動間隔及びガス濃度に相関性が有ることがわかる。このような特性を利用して、エタノールや酢酸等の有極性ガスを、これとは他種のガスや煙と分別することが可能になる。更に上記エタノール及び酢酸の出力比特性を利用して、エタノールと酢酸との分別も可能になる。このように、上記出力比を利用することにより、1つのガス漏れ検出に利用する接触燃焼式ガスセンサを用いるだけでガス種が分別できるようになる。
【0072】
上述の図11のような各ガスの出力比特性を利用して、ガス種分別を行うために上記コントローラ100が行う処理動作について、図12を用いて説明する。図12は、本発明の第2実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。この実施形態では、図9で示したような駆動パルスを用いて、接触燃焼出力をパルスONから300ms経過時点で取得し、400msの通電期間中のセンサ出力の最大値をピーク出力として取得する。そして、駆動間隔10秒及び30秒の出力比を比較して、エタノール、酢酸及びその他を分別する。なお、この駆動間隔10秒及び30秒は、酢酸やエタノール等の有極性ガスの飽和吸着時間に基づいて設定されたものである。
【0073】
図11のステップP101においては、図9で示した駆動間隔を10秒直後の通電期間D10において、例えば、5ms毎に計80回のセンサ出力W10が取得される。また、ステップP102においては、同様に、通電期間D30において計80回のセンサ出力W30が取得される。これら取得されたセンサ出力は、コントローラ100の記憶部に一時保存される。
【0074】
次にステップP103においては、上記一時保存されているD10における80回のセンサ出力W10から、その最大値及び定常値(接触燃焼出力)が取得される。そして、ステップP104において、ステップP103で取得された最大値及び定常値を用いて、(最大値−定常値)/定常値が第1出力比として算出される。なお、上記ステップP103及びステップP104はそれぞれ、請求項6の第1センサ出力取得手段及び第1出力比算出手段に相当する。
【0075】
同様に、ステップP105においては、上記一時保存されているD30における80回のセンサ出力W30から、その最大値及び定常値(接触燃焼出力)が取得され、ステップP106において、ステップP105で取得された最大値及び定常値を用いて、(最大値−定常値)/定常値が第2出力比として算出される。なお、上記第1出力比及び第2出力比は、コントローラ100の記憶部に一時保存される。上記ステップP105及びステップP106はそれぞれ、請求項6の第2センサ出力取得手段及び第2出力比算出手段に相当する。
【0076】
そして、ステップP107において、一時格納されている第1出力比及び第2出力比が読み出され、これら第1出力比及び第2出力比の比較に基づいて、有極性ガスが他のガスと分別される。この分別は、例えば、図11に示した出力比特性を利用して、それらの第1出力比及び第2出力比が2割程度の変動幅に納まっていれば変化無し、すなわち、検出されたガスは、酢酸やエタノール等の有極性ガスであると判断してステップP108に移行し、さもなければ、変化有り、すなわち、有極性ガス以外の他のガスと判断してステップP111に移行する。なお、上記ステップP107は請求項6の第1分別手段に相当する。
【0077】
ステップP108においては、図11に示した出力比特性を利用して、上記第1出力比又は第2出力比のいずれかの値に基づいて、エタノールと酢酸の分別がおこなわれる。すなわち、第1出力比(又は第2出力比)が約5程度であれば検出されたガスはエタノールと判断されステップP109に移行し、それが10〜13程度であれば検出されたガスは酢酸と判断されステップP110に移行する。念のため追加説明すると、エタノール及び酢酸はともに、上記通電間隔によらず固有の出力比を有するので、このステップP108における判断には、第1出力比又は第2出力比のいずれを用いてもよい。なお、上記ステップP108は請求項7の第2分別手段に相当する。
【0078】
このようにして、エタノール、酢酸、及びその他が分別されると、それぞれ、ステップP109、ステップP110及びステップP111において、エタノール検知出力処理、酢酸検知出力処理及びその他の検知処理が行われる。ステップP109及びステップP110におけるエタノール検知出力処理及び酢酸検知出力処理では、それらは人体に無害なので、ガス検知出力手段300から警報を出さないようにする。又は、表示のみで音声警報は出さないようにする。或いは、エタノール検出及び酢酸検出を区別するために、ステップP109及びステップP110において、異なる色のLED表示をさせるようにしてもよい。上記ステップP109、ステップP110及びステップP111は請求項6のガス検知出力手段に相当する。
【0079】
一方、ステップP111におけるその他の検知出力処理では、検出されたガスが図11で示す綿灯芯、又は木材の燃焼を起因とする煙、或いは、メタンガスや水素ガスなどの無極性ガス、又は極性が非常に小さいガスに相当する可能性がある。現実的には、上記綿灯芯、又は木材の燃焼を起因とする煙は火災時に発生し、上記メタンガスや水素ガスなどの無極性ガス、又は極性が非常に小さいガスはガス漏れ時に発生するものと考えられる。すなわち、ステップP111に至ったということは、異常事態の可能性もあるので、ガス検知出力手段300から音声警報、又は音声警報と表示警報の両方を出すようにする。この警報を発する際に、例えば、上記第1実施形態の方法を利用してメタンガスや水素ガスを検出し、また、図11の綿灯芯、及び木材に相当するグラフに示すように、出力比が濃度上昇に伴い上昇していく傾向を検出し、火災による煙を検出して、その結果によって、警報の仕方を変えるようにしてもよい。但し、このような異常検出に属さない正常状態にもこのステップP111になる可能性があるので、この正常状態を上記異常事態と区別するために、例えば、通電期間中の300ms時点出力のセンサ出力を監視して、正常状態では警報を出さないようにする。
【0080】
なお、このフローチャートでは、図2で示した駆動パルスの1周期相当の処理のみを示しているが、現実的には、この駆動パルスを連続的に発生させて上述の処理を連続的に行うようにする。これにより、より確実にガス分別ができるようになる。
【0081】
以上のように第2実施形態によれば、酢酸やエタノール等の有極性ガスの飽和吸着時間を考慮して通電間隔を設定すると、有極性ガスの出力比が安定的になることを利用することにより、ガス漏れ検出する1つの接触燃焼式ガスセンサを用いるだけで有極性ガスとその他を分別可能にする。また、更に有極性ガスのうち、通電間隔によらず出力比が約5程度であるエタノールを起因として発生するガスと、出力比が約10〜13程度である酢酸を起因として発生するガスとが分別可能になる。すなわち、日常的に酒や調味料から発生されるエタノール及び酢酸を起因として発生するガスと、これ以外が分別できるようになるので、誤警報の少ない信頼性の高いガスセンサが得られるようになる。もちろん、1つの接触燃焼式ガスセンサを用いるだけでガス分別できるようになるので、第1実施形態同様、小型、低価格かつ高性能のガス種分別機能付ガスセンサが得られるのはいうまでもない。更に、図4で示したような熱容量の小さな接触燃焼式ガスセンサを用い、立上り期間におけるセンサ出力を取得して瞬間的な燃焼反応を利用するようにしているので、高速にガス種分別ができるようになる。
【0082】
なお、本発明は、上記各センサ出力の取得時間、通電間隔、通電時間等を、第1及び第2実施形態に例示した値に限定するものではない。それらの値は、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更することが可能である。また、第2実施形態で有極性ガスとして例示したエタノールや酢酸以外にも、固有の出力比をもつガスに対して、本発明は適用可能である。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、通電開始時点から定常時点までの立上り期間におけるセンサ出力が、特定種のガスに対して固有のピーク波形を呈することを利用してガス種を分別するようにしているので、1つの接触燃焼式ガスセンサ40を用いるだけで複数のガス種を分別できるようになる。また、ガス種分別用フィルタ等も不要になる。この結果、小型、低価格かつ高性能のガス種分別機能付ガスセンサが得られる。更に、立上り期間におけるセンサ出力を利用するようにしているので、高速にガス種分別ができるようになる。
【0084】
また、接触燃焼式ガスセンサ40の立上り期間におけるセンサ出力に着目して、第1ピーク有無検出手段12及び第2ピーク有無検出手段13、14によって、ピーク波形有無を検出するようにしているので、ピーク波形の異なる3種類のガスが1つの接触燃焼式ガスセンサ40を用いるだけで分別できるようになる。この結果、小型、低価格かつ高性能のガス種分別機能付ガスセンサが得られる。
【0085】
請求項記載の発明によれば、酢酸を起因として発生するガス、エタノールを起因として発生するガス及びそれ以外のガスが分別できるようになる。酢酸及びエタノールを起因として発生するガスは日常的に酒や調味料から発生される可能性が高いので、これらを分別できるようになるということは、誤警報の少ない信頼性の高いガスセンサが得られるということになる。
【0086】
請求項記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ40は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムDsが形成されているので、熱容量を小さくできる。この結果、消費電力が低減され、かつガス濃度変化に対して高速に応答し、更に測定精度が向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス種分別機能付ガスセンサの第1実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図2】図2(A)及び(B)は、本発明の第1実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【図3】本発明の第1実施形態に関わるガス種分別のための判定基準及びガス判定パターンを示す説明図である。
【図4】図4(A)、(B)及び(C)はそれぞれ、本接触燃焼式ガスセンサの平面図、背面図及びAA線断面図である。
【図5】本接触燃焼式ガスセンサによる無極性ガスのセンサ出力特性を示すグラフである。
【図6】本接触燃焼式ガスセンサによる有極性ガスのセンサ出力特性を示すグラフである。
【図7】本発明の第1実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。
【図8】本発明のガス種分別機能付ガスセンサの第2実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図9】本発明の第2実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【図10】本接触燃焼式ガスセンサの駆動間隔を変えたときの、それぞれのセンサ出力を示すグラフである。
【図11】ガス濃度及び駆動間隔を変えたときの、複数のガスの出力比を示すグラフである。
【図12】本発明の第2実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。
【図13】図13(A)及び図13(B)はそれぞれ、従来の接触燃焼式ガスセンサの感応素子部及び補償素子部の概観図である。
【図14】従来の接触燃焼式ガスセンサによるガス濃度とセンサ出力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10、100 コントローラ
20 駆動電源
30、300 ガス検知出力手段
40 接触燃焼式ガスセンサ
42、44 Ptヒータ
43 Pd/Al23触媒層
45 Al23触媒層
Rs 感応素子部
Rr 補償素子部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor having a function of classifying gas species, and more particularly to a gas sensor using a catalytic combustion type gas sensor. To Related.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, many gas detection devices that perform gas leakage detection using a highly versatile catalytic combustion type gas sensor have been proposed. An example of this will be described with reference to FIG. FIG. 13 is an overview of a catalytic combustion type gas sensor used in a conventional gas detection device. In particular, FIGS. 13A and 13B are schematic views of a sensitive element portion and a compensating element portion of a conventional catalytic combustion gas sensor, respectively.
[0003]
This type of catalytic combustion type gas sensor captures combustion heat obtained by burning combustible gas and oxygen in the air on the catalyst as a resistance change of the platinum coil. As shown in FIG. 13 (A), the sensitive element portion is made of Pd / Al so that it becomes a spherical shape having a diameter of about 1 mm on a (platinum) Pt coil 42A of 20 μm. 2 O Three A catalyst layer 43A is applied. Further, as shown in FIG. 13B, the compensation element portion is made of Al so that the same Pt coil 44A has a spherical shape with a diameter of about 1 mm. 2 O Three A catalyst layer 45A is applied. And practically, since the resistance change of the Pt coil 42A with respect to the flammable gas is very small, the sensitive element part and the compensating element part are incorporated in a bridge circuit, and a direct current or a pulse is applied to both ends of the bridge circuit. The change in the midpoint voltage of the bridge circuit relative to the combustible gas is measured as the sensor output.
[0004]
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the gas concentration and the sensor output of the conventional catalytic combustion gas sensor described above. In the figure, Gc1 represents the output characteristics of isobutane, and similarly, Gc2 represents hydrogen, Gc3 represents ethanol, and Gc4 represents the output characteristics of methane. As shown in this figure, the sensor outputs corresponding to the above four kinds of gases monotonically increase with increasing gas concentration, and all have similar characteristics. Here, ethanol is an example of a harmless thing that frequently occurs in daily life caused by liquor. On the other hand, isobutane, hydrogen, methane, and the like are examples of what should be detected as harmful gases that are generated extraordinarily due to gas leakage and the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional catalytic combustion type gas sensor described above has a large heat capacity, and its responsiveness and measurement accuracy are not good, as shown in FIG. It was difficult to separate and identify. Therefore, the gas sensor device using the conventional catalytic combustion type gas sensor has to set a gas detection reference value common to all the gas types, and has to detect the gas based on this reference value. As a result, there is a possibility that the gas sensor reacts to an innocuous gas such as an ethanol-based gas or an acetic acid-based gas caused by liquor, seasoning, etc. present in a normal household and gives a false alarm. Therefore, as another conventional example that improves this point, a gas sensor device in which a filter such as activated carbon is attached to a sensor cap has been proposed in order to provide selectivity for a gas type. Furthermore, as another conventional example, a gas sensor device or the like provided with a plurality of gas sensors having different characteristics corresponding to the gas type and driving them simultaneously is proposed. However, these conventional examples also require additional means for providing selectivity such as a filter, or require a plurality of gas sensors having different characteristics, which makes the apparatus more complex, larger, and consumes more power. There has been a problem in that the cost is increased due to the increase.
[0006]
Therefore, in view of the present situation described above, the present invention optimizes the structure of the catalytic combustion type gas sensor and the sensor output acquisition timing so that a plurality of gas types can be separated by using only one catalytic combustion type gas sensor. It is an object to provide a gas sensor that achieves cost reduction. Another object of the present invention is to provide a gas sensor that achieves high detection speed and low power consumption.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The gas sensor with a gas type separation function according to claim 1, which has been made in order to solve the above-described problem, is a sensor of the catalytic combustion gas sensor 40 from the start of energization of the catalytic combustion gas sensor 40 as shown in FIGS. 1 to 7. The sensor output is classified using the fact that the sensor output in the rising period until the steady time T300 when the output is stable exhibits a specific peak waveform for the specific gas. A gas sensor with a gas type separation function, the first rising period from the energization start time to a specific initial rise time T10 between the energization start time and the steady time, and from the initial rise time to the steady time A first gas having a peak waveform of the sensor output, a second gas having a peak waveform of the sensor output only in the second rising period, and the sensor output in the rising period, respectively. First gas presence / absence detecting means 12 for detecting the presence / absence of a peak waveform of the sensor output in the first rising period in a gas sensor with a gas type separation function that separates a third gas that monotonously increases and outputs a classification result; , Second peak presence / absence detection means 13, 1 for detecting the presence or absence of a peak waveform of the sensor output in the second rising period. And the first gas, the second gas, and the third gas are separated based on the respective peak waveform presence / absence detection results by the first peak presence / absence detection means 12 and the second peak presence / absence detection means 13 and 14. A gas type separation unit 15; and a gas detection output unit 30 that outputs a result of the classification by the gas type separation unit 15. It is characterized by that.
[0008]
According to the first aspect of the present invention, the gas output is classified by utilizing the fact that the sensor output during the rising period from the start of energization to the steady time exhibits a specific peak waveform for the specific gas. Therefore, a plurality of gas types can be separated by using only one catalytic combustion type gas sensor 40. Further, since the sensor output in the rising period is used, the gas type can be separated at high speed.
[0010]
Also, A first gas having a peak waveform in each of the first rising period and the second rising period, a second gas having a peak waveform only in the second rising period, and a third gas in which the sensor output monotonously increases in the rising period, The first peak presence / absence detection means 12 and the second peak presence / absence detection means 13 and 14 are classified based on the respective peak waveform presence / absence detection results. In other words, by focusing on the sensor output waveform during the rising period of the catalytic combustion type gas sensor 40, the three types of gases can be separated. Thus, paying attention to the sensor output during the rising period of the catalytic combustion type gas sensor 40, the presence / absence of the peak waveform is detected by the first peak presence / absence detecting means 12 and the second peak presence / absence detecting means 13, 14. The three types of gas can be separated by using only one catalytic combustion type gas sensor 40.
[0011]
Claims made to solve the above problems 2 As shown in FIGS. 1 to 7, the gas sensor with a gas type separation function described in claim 1 is a claim. 1 In the gas sensor with a gas type separation function described above, the first gas is a gas generated due to acetic acid, and the second gas is a gas generated due to ethanol.
[0012]
Claim 2 According to the described invention, a gas generated due to acetic acid, a gas generated due to ethanol, and other gases can be separated. Since the gas generated due to acetic acid and ethanol is likely to be generated from alcohol and seasonings on a daily basis, it is possible to prevent false alarms by separating them.
[0013]
Claims made to solve the above problems 3 As shown in FIG. 4, the gas sensor with a gas type separation function described in the claim 1 or 2 In the gas sensor with a gas type separation function described above, the catalytic combustion type gas sensor 40 includes a heater element and a catalyst layer formed on an insulating film supported on a silicon wafer, and further etched from the back surface of the silicon wafer to form a thin film diaphragm. It is formed.
[0014]
Claim 3 According to the described invention, in the catalytic combustion type gas sensor 40, the heater element and the catalyst layer are formed on the insulating film supported on the silicon wafer, and further, the thin film diaphragm Ds is formed by etching from the back surface of the silicon wafer. Therefore, the heat capacity can be reduced.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
First embodiment
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the first embodiment, first, a basic configuration, a drive waveform, and a gas type separation method will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a first embodiment of a gas sensor with a gas type separation function according to the present invention. 2A and 2B are time charts showing examples of drive waveforms according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram showing determination criteria and gas determination patterns for gas type separation according to the first embodiment of the present invention.
[0029]
As shown in FIG. 1, the controller 10 is connected to a drive power source 20, a gas detection output means 30, and a catalytic combustion type gas sensor 40 including a detection bridge circuit. In this gas sensor with a gas type separation function, a drive pulse as shown in FIG. 2 is supplied to control the energization of the catalytic combustion type gas sensor 40, and the gas type is separated by the controller 10 based on the sensor output of the sensor 40. Gas detection output. As shown in FIG. 6, this classification principle is based on the fact that the sensor output in a rising period from the start of energization of the catalytic combustion type gas sensor 40 to the steady time when the sensor output is stable is a specific type of gas (for example, acetic acid, ethanol, etc.). However, this will be described later again.
[0030]
As shown in FIG. 2 (A), the controller 10 is shown in FIG. 2 (B) in the drive pulse energization period D10, which is composed of a 10-second pulse OFF period and a 400 ms energization period D10. As described above, the sensor output is acquired at the time 5 ms T5, the time 10 ms T10, the time 20 ms T20, and the time T300 300 ms from the pulse ON. Each of these time points T5, T10, T20, and T300 is set based on data collected in advance so that a peak waveform unique to a specific gas can be easily identified and detected.
[0031]
The controller 10 includes a sensor output acquisition unit 11, first to third determination units 12 to 14, a gas type classification unit 15, a determination pattern storage unit 16, a sensor drive control unit 17, and a correction unit 18. The controller 10 includes a calculation unit, a storage unit, a timer unit, and the like as hardware, and each of the means 11 to 16 is a processing operation of FIG. 7 described later performed by the calculation unit according to a control program stored in the storage unit. It corresponds to.
[0032]
The sensor output acquisition means 11 acquires sensor outputs at the respective time points T5, T10, T20 and T300 shown in FIG. The sensor output acquisition unit 11 includes a first time point output acquisition unit 11a, a second time point output acquisition unit 11b, a third time point output acquisition unit 11c, and a fourth time point corresponding to the respective time points T5, T10, T20, and T300. It is comprised from the time point output acquisition means 11d. For example, the first time point output acquisition unit 11a acquires the sensor output at the time T5 5 ms from the pulse ON, and similarly, the second time point output acquisition unit 11b, the third time point output acquisition unit 11c, and the fourth time point output acquisition unit 11d. Also, sensor outputs at 10 ms time T10, 20 ms time T20, and 300 ms time T300 are obtained.
[0033]
The first to third determination means 12 to 14 receive the sensor output at each time point supplied from the sensor output acquisition means 11, and determine the determination result of Y or N according to the determination criteria shown in the explanatory diagram of FIG. Output. The first determination means 12, the second determination means 13 and the third determination means 14 in FIG. 1 respectively determine Y or N by a method corresponding to the first determination YN1, the second determination YN2 and the third determination YN3 in FIG. Down. For example, the first determination means 12 performs a 10 ms time point output S10 (sensor output at the time point T10) and a 5 ms time point output S5 (sensor output at the time point T5) according to the determination criterion indicated by the first determination YN1. In comparison, if the determination criterion is satisfied, Y is output, otherwise N is output. Similarly, the second determination unit 13 and the third determination unit 14 output Y or N according to the determination criterion, the second determination YN2, and the third determination YN3 shown in FIG.
[0034]
By the way, the first determination means 12 compares the 10 ms time point output S10 with the 5 ms time point output S5, and outputs Y or N. Although not shown in FIG. 3, when the 0 ms time point output (sensor output at the time of pulse ON) is compared with the 5 ms time point output S5, the 5 ms time point output S5 is better for any gas. growing. That is, the presence or absence of the peak waveform of the sensor output at the time of 0 to 10 ms (corresponding to the first rising period of claim 2) is detected by the Y or N output of the first determination means 12. Similarly, the presence or absence of the peak waveform of the sensor output at the time point of 10 to 300 ms (corresponding to the second rising period of claim 2) is detected by the second determination means 13 and the third determination means 14. That is, the first determination means 12 corresponds to the first peak presence / absence detection means described in claim 2, and the second determination means 13 and the third determination means 14 correspond to the second peak presence / absence detection means described in claim 2. Note that the 5 ms time point T5 corresponds to a specific rising initial time point according to claim 2, and the 300 ms time point T300 corresponds to a steady time point. These time points T5 and T300 are set in consideration of the characteristics and sensor performance of acetic acid and ethanol, which will be described later, in the first embodiment, and are appropriately changed when the separation gas is different or the sensor performance is different. May be.
[0035]
The gas type classification unit 15 receives the determination result of each Y or N output from the first to third determination units 12 to 14 and stores the gas determination pattern (shown in FIG. 3) stored in the determination pattern storage unit 16. By referring to the sensor output, acetic acid, ethanol or methane, H 2 Or the like, and the determination result, that is, the gas separation result is output. For example, if the first determination YN1 is N, the second determination YN2 is Y, and the third determination YN3 is N, the gas type separation means 15 has detected and detected acetic acid from the sensor output at this time. Similarly, if the first determination YN1 is Y, the second determination YN2 is Y, and the third determination YN3 is N, ethanol, the first determination YN1 is Y, the second determination YN2 is Y, and the third determination YN3 is Y, methane, H 2 And so on. This classification will be described more specifically using data in FIGS. 5 and 6.
[0036]
The sensor drive control means 17 controls the energization of the drive power supply 20 to the catalytic combustion type gas sensor 40, and has a 10-second pulse OFF period and a 400-ms energization period D10 as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). A drive pulse comprising one cycle is continuously generated until the power is turned on and a predetermined trigger is present. In the drive pulses shown in FIGS. 2A and 2B, the level of the drive pulse corresponding to OFF is not necessarily zero. That is, a DC bias may be applied to the drive pulse so that a desired sensor output can be easily acquired by the sensor output acquisition unit 11.
[0037]
The correction means 18 supplies the sensor output acquisition means 11 with a sensor output obtained by performing a predetermined correction on a detection output from a bridge circuit described later. That is, the detection output from the bridge circuit in pure air by the drive pulse shown in FIG. 2 is measured in advance as an initial detection output, and this initial detection output is subtracted from the detection output actually obtained from the bridge circuit. Is supplied to the sensor output acquisition means 11 as the sensor output.
[0038]
As the drive power source 20, an existing battery or the like is used. Further, the gas detection output means 30 receives the gas type determination result from the gas type classification means 15 of the controller 10 and outputs the determination result. The gas detection output means 30 is composed of, for example, a known speaker or LED that emits a gas leak alarm by sound or light emission display, and a driver circuit thereof. If the determination result indicates acetic acid or ethanol, they are harmless to the human body, so that no alarm is issued from the gas detection output means 30. Or, do not issue a sound alarm only by display. The above judgment result is H 2 In the case of indicating, etc., it is an abnormal situation, so that an audio alarm or both an audio alarm and a display alarm are issued. In addition, in order to distinguish the detection of acetic acid or ethanol, you may make it display LED of a different color.
[0039]
The catalytic combustion type gas sensor 40 is intermittently driven by being supplied with driving pulses as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). The catalytic combustion gas sensor 40 basically includes a sensitive element portion Rs and a compensation element portion Rr. The sensitive element portion Rs is (platinum) Pt heater 42 and Pd / Al. 2 O Three It includes a catalyst layer 43, and the compensation element portion Rr includes a Pt heater 44 and (alumina) Al 2 O Three A catalyst layer 45 is included. The Pt heaters 42 and 44 constitute a bridge circuit together with the fixed resistors R1 and R2 and the variable resistor Rv. A driving pulse is intermittently supplied at predetermined intervals to the connection point between the Pt heater 44 and the fixed resistor R1 and the connection point between the Pt heater 42 and the fixed resistor R2 of the bridge circuit via the controller 10. . A voltage value as a sensor output is supplied to the controller 10 from the connection point of the Pt heaters 42 and 44 and the variable resistor Rv.
[0040]
When using this catalytic combustion type gas sensor 40, first, before starting the detection operation, the variable resistance Rv is adjusted so that the sensor output supplied from the correction means 18 to the sensor output acquisition means 11 becomes zero. In this state, when CO gas or the like touches the sensitive element portion Rs, it is oxidized on the surface of the element by a catalytic action to generate reaction heat. Due to this reaction heat, the resistance value of the Pt heater 42 rises, and the rise in the resistance value breaks the balance of the bridge circuit, and the sensor output is supplied to the controller 10. In this case, the Pt heater 44 compensates for the fluctuation of the resistance value of the Pt heater 42 due to the fluctuation of the ambient temperature so that only the fluctuation component of the resistance value of the Pt heater 42 caused by the reaction heat can be extracted. The structure of the catalytic combustion gas sensor 40 will be described later with reference to FIG.
[0041]
Next, the structure of the catalytic combustion type gas sensor 40 used in the first embodiment will be described with reference to FIG. 4A, 4B, and 4C are a plan view, a rear view, and a cross-sectional view taken along line AA of the catalytic combustion type gas sensor 40, respectively.
[0042]
As shown in FIGS. 4A and 4B, this catalytic combustion type gas sensor is formed on a (silicon) Si wafer 41 with (oxidized) SiO 2. 2 Film 48c, (nitrided) SiN film 48b, and (hafnium oxide) HfO 2 An insulating thin film made of the film 48a is formed on the film, and a (platinum) Pt heater 42 and a Pd / Al as the sensitive element portion Rs are formed thereon. 2 O Three (Platinum) Pt heater 44 and (Alumina) Al as catalyst layer 43 and compensation element Rr 2 O Three A catalyst layer 45 is formed. Further, as shown in FIG. 3C, the concave portions 46 and 47 are formed by anisotropic etching to form thin film diaphragms Ds and Dr, respectively, thereby reducing the heat capacity. By adopting such a configuration, it is possible to obtain a catalytic combustion type gas sensor capable of high-speed reaction and having improved measurement accuracy. In addition, since the heat capacity is reduced, power consumption is reduced.
[0043]
Next, the output characteristics of each gas by the catalytic combustion type gas sensor 40 used in the above embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. 5 and 6 are graphs showing sensor output characteristics of nonpolar gas and polar gas by the catalytic combustion type gas sensor 40, respectively. 5 and 6, the horizontal axis represents the elapsed time from the pulse ON point (time point 0 in the figure) when the driving pulse as shown in FIG. 2 is supplied to the catalytic combustion type gas sensor 40. Indicates.
[0044]
In FIG. 5, Sv1 indicates the sensor output characteristic of (carbon monoxide) CO gas, and similarly, Sv2, Sv3, and Sv4 are (methane) CH Four Gas, (hydrogen) H 2 Gas, (isobutane) i · C Four H Ten The sensor output characteristic of gas is shown. These gases are mainly generated at the time of gas leakage. Here, the concentration of each gas was 1000 ppm and data was collected. As shown in FIG. 5, the sensor output for four types of gases rises with a unique waveform until 100 ms elapses from the 0 time point (pulse ON time), but after 100 ms, the steady state of the specific output value. It turns out that it will be in a state. However, it can be seen that these nonpolar gases all increase monotonically from the pulse ON point to the point when 100 ms elapses, and thereafter have a common fluctuation pattern that is stable at a constant value unique to each gas. Utilizing such characteristics, the catalytic combustion gas sensor 40 can detect an abnormal situation such as gas leakage.
[0045]
In FIG. 6, Sv5 is (acetic acid) CH. Three Indicates sensor output characteristics of COOH gas, Sv6 is (ethanol) C 2 H Five The sensor output characteristic of OH gas is shown. These gases are mainly generated in the daily life due to seasonings and liquors in the kitchen or the like. Here, the concentration of each gas was 1000 ppm and data was collected. As indicated by Sv5 in FIG. 6, the sensor output with respect to acetic acid rapidly increases until 5 ms elapses from the pulse ON time, reaches a first peak at this time, and then decreases rapidly. Then, after reaching the minimum at the time of 10 ms, it rapidly rises again and reaches the second peak at the time of 30 ms. After that, it monotonously decreases, and the steady state of the intrinsic output value is reached when 200 ms elapses. That is, it can be seen that the sensor output for acetic acid shown in Sv5 has a peak waveform having two peaks before reaching a steady state. This acetic acid corresponds to the first gas of claim 2.
[0046]
Further, as indicated by Sv6 in FIG. 6, the sensor output for ethanol rapidly increases until 30 ms elapses from the pulse ON point, and after reaching a peak at this point, it decreases monotonously and reaches the specific output when 200 ms elapses. A steady state of values. That is, it can be seen that the sensor output for ethanol shown in Sv6 has a peak waveform having one peak before the steady state is reached. Utilizing such a unique peak waveform characteristic, the catalytic combustion gas sensor 40 can separately detect acetic acid and ethanol. This ethanol corresponds to the second gas of claim 2.
[0047]
The reason why such a unique pulse waveform is generated is considered to be due to the attractive force. In other words, gas with a large polarity such as acetic acid and ethanol, and a large adsorption power, gas molecules are adsorbed on the sensor surface during the pulse OFF period, and when the pulse is turned on and the sensor is energized, the adsorbed gas burns instantly. Along with this, the sensor output also increases. At this time, the catalytic combustion reaction also occurs simultaneously. On the other hand, nonpolar or low polarity gases such as methane, hydrogen, and carbon monoxide have a small adsorption power, so the above phenomenon does not occur and the sensor output gradually increases until it stabilizes at a steady value. .
[0048]
As described above, the gas type is classified by utilizing the fact that a specific type of gas exhibits a unique peak waveform, so that it is possible to classify a plurality of gas types using only one contact combustion type gas sensor. Become. As a result, gas generated due to acetic acid and ethanol generated from alcohol and seasonings on a daily basis can be separated, and a highly reliable gas sensor with few false alarms can be obtained.
[0049]
The processing operation performed by the controller 10 to perform gas type separation using the sensor output characteristics of each gas as shown in FIGS. 5 and 6 will be described with reference to FIG.
[0050]
FIG. 7 is a flowchart showing the processing operation according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, sensor outputs are obtained at 5 ms time T5, 10 ms time T10, 20 ms time T20, and 300 ms time T300, respectively, in the energization period D10 using the drive pulses as shown in FIG. Then, after the sensor outputs acquired at the respective times T5, T10, T20, and T300 are determined as Y / N based on the determination criteria shown in FIG. 3, the gas type is determined with reference to the gas determination pattern shown in FIG. Is done. Thereby, one kind of gas is separated using one contact combustion type gas sensor.
[0051]
In Step P1 of FIG. 7, the sensor output of the catalytic combustion gas sensor 40 is acquired as the 5 ms time output S5 at the 5 ms time T5 in the drive pulse energization period D10 shown in FIG. Similarly, in Step P2, Step P3, and Step P4, the sensor output is 10ms point output S10 at 10ms point T10, 20ms point T20, and 300ms point T300, respectively, in the drive pulse energization period D10 shown in FIG. , 20 ms time point output S20 and 300 ms time point output S300. These outputs S5, S10, S20, and S300 are temporarily stored in the storage unit of the controller 10.
[0052]
Next, in step P5, the temporarily stored 5ms time point output S5 and 10ms time point output S10 are read, and these are stored in the determination pattern storage means 16 based on the determination criteria shown in FIG. N is determined. Similarly, in Step P6, the 10ms time output S10 and the 20ms time output S20 are read, and in Step P7, the 20ms time output S20 and the 300ms time output S300 are read and stored in the determination pattern storage means 16. Y / N determination is made based on the determination criteria shown in FIG. These Y / N determination results are also temporarily stored in the storage unit of the controller 10. Step P5 corresponds to the first peak presence / absence detecting means of claim 2. Steps P6 and P7 correspond to second peak presence / absence detection means.
[0053]
Then, in step P8, the temporarily stored determination results by the first determination YN1, the second determination YN2, and the third determination YN3 are read and stored in the determination pattern storage means 16 as shown in FIG. Compared with the gas determination pattern, the gas type is classified. If the determination in step P8 is N, Y, N in the order of the first determination YN1, the second determination YN2, and the third determination YN3, the process proceeds to the acetic acid detection output process of step P9, and if it is Y, Y, N, the step The process proceeds to the ethanol detection output process of P10, and if Y, Y, Y, the methane, H of Step P11 2 The process proceeds to the equal detection output process. The step P8 corresponds to the gas type separation means of claim 2.
[0054]
In the acetic acid detection output process and the ethanol detection output process in step P9 and step P10, since they are harmless to the human body, no alarm is issued from the gas detection output means 30. Or, do not issue a sound alarm only by display. Or in order to distinguish the detection of acetic acid or ethanol, you may make it display LED of a different color in step P9 and step P10.
[0055]
On the other hand, methane and H in Step P11 2 In the equal detection output processing, since there is a possibility of an abnormal situation, a sound alarm or both a sound alarm and a display alarm are issued from the gas detection output means 300. However, since this step P11 is also performed in a normal state that does not include any gas, the sensor output of the 300ms time point output S300 is monitored and an alarm is issued in the normal state in order to distinguish this normal state from the abnormal state. Do not. Steps P9, P10, and P11 correspond to the gas detection output means of claim 2.
[0056]
In this flowchart, only the process corresponding to one cycle of the drive pulse shown in FIG. 2 is shown. However, in reality, the above-described process is continuously performed by continuously generating the drive pulse. To. Thereby, gas separation can be performed more reliably.
[0057]
As described above, according to the first embodiment, focusing on the sensor output during the rising period of the catalytic combustion type gas sensor 40, the presence or absence of the peak waveform is detected by Step P5 and Steps P6 and 7. Three types of gases having different waveforms can be separated by using only one catalytic combustion type gas sensor. Further, a gas type separation filter or the like is not required. As a result, a small, low-cost and high-performance gas sensor with a gas type separation function can be obtained. In particular, gas generated due to acetic acid and ethanol generated from alcohol and seasonings on a daily basis can be separated from other gases, so that a highly reliable gas sensor with few false alarms can be obtained. Become. Furthermore, the contact combustion type gas sensor having a small heat capacity as shown in FIG. 4 is used to acquire the sensor output during the rising period and to use the instantaneous combustion reaction, so that the gas type can be separated at high speed. become.
[0058]
Second embodiment
Furthermore, 2nd Embodiment of this invention is described using FIGS. 8-12.
In the second embodiment, first, the basic configuration and drive waveforms will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a block diagram showing a basic configuration of the second embodiment of the gas sensor with a gas type separation function of the present invention. FIG. 9 is a time chart showing an example of drive waveforms according to the second embodiment of the present invention.
[0059]
As shown in FIG. 8, the controller 100 is connected to a driving power source 20, a catalytic combustion gas sensor 40 including a detection bridge circuit, and a gas detection output means 300. In this gas sensor with a gas type separation function, a drive pulse as shown in FIG. 9 is supplied to control the energization of the catalytic combustion type gas sensor 40, and the gas type is separated by the controller 100 based on the sensor output of the sensor 40. Gas detection output. As shown in FIG. 11, this classification principle is calculated by calculating the ratio between the maximum value of the sensor output during the rising period of the catalytic combustion gas sensor 40 and the steady value of the sensor output at the steady time, that is, the output ratio, and changing the energization interval. The gas type is sorted based on the variation of the output ratio accompanying this, which will be described later again.
[0060]
The controller 100 acquires sensor outputs in a 400 ms energization period D10 immediately after a 10 second pulse OFF period and a 400 ms energization period D30 immediately after a 30 second pulse OFF period as shown in FIG. The controller 100 includes a sensor output acquisition unit 101, first and second output ratio calculation units 102 and 103, first and second classification units 104 and 105, a sensor drive control unit 170 and a correction unit 180. The controller 100 includes a calculation unit, a storage unit, a timer unit, and the like as hardware, and each of the units 101 to 105 is performed by the calculation unit according to a control program stored in the storage unit. It corresponds to the operation.
[0061]
The sensor output acquisition unit 101 acquires the sensor output through the correction unit 180 during the energization periods D10 and D30 shown in FIG. These energization periods D10 and D30 are both 400 ms. During this period, for example, sensor outputs are acquired every 5 ms. That is, 80 times are sampled in each energization period D10 and D30. The sensor output acquisition unit 101 includes a first sensor output acquisition unit 101a and a second sensor output acquisition unit 101b corresponding to the energization periods D10 and D30, respectively. This first sensor output acquisition means 101a is based on the 80 sensor outputs in the energization period D10 of 400 ms immediately after the 10 seconds pulse OFF set based on the saturated adsorption time of polar gas such as acetic acid and ethanol. Get the maximum and steady values. The maximum value and the steady value will be described later. The second sensor output acquisition unit 101b acquires the maximum value and the steady value from the 80 sensor outputs in the energization period D30 of 400 ms immediately after the 30-second pulse OFF.
[0062]
The first output ratio calculation means 102 outputs the ratio between the maximum value and the steady value acquired by the first sensor output acquisition means 101a, that is, (maximum value−steady value) / steady value in the energization period D10. Calculate as a ratio. The second output ratio calculation means 103 outputs the ratio of the maximum value and the steady value acquired by the second sensor output acquisition means 101b, that is, (maximum value−steady value) / steady value in the energization period D30 as the second output. Calculate as a ratio. This maximum value−steady value corresponds to the maximum adsorption combustion output described later, and the steady value corresponds to the contact combustion output.
[0063]
Then, the first separation unit 104 separates the polar gas from the other gas based on the comparison of the first output ratio and the second output ratio. Based on the first output ratio or the second output ratio, the second fractionation means 105 is a first polar gas having an output ratio of about five times regardless of the energization interval, for example, ethanol. And a second polar gas having an output ratio of about 10 to 13 times, for example, acetic acid.
[0064]
The sensor drive control means 170 controls the energization of the drive power source 20 to the catalytic combustion type gas sensor 40, and a drive pulse having energization intervals of 10 seconds and 30 seconds as shown in FIG. It is generated continuously until there is. In the drive pulse shown in FIG. 9, the level of the drive pulse corresponding to OFF is not necessarily zero. That is, a DC bias may be applied to the drive pulse so that a desired sensor output can be easily acquired by the sensor output acquisition unit 101.
[0065]
The correcting unit 180 supplies a sensor output obtained by performing predetermined correction on a detection output from a bridge circuit described later to the sensor output acquiring unit 101. That is, the detection output from the bridge circuit in pure air by the drive pulse shown in FIG. 9 is measured in advance as an initial detection output, and this initial detection output is subtracted from the detection output actually obtained from the bridge circuit. Is supplied to the sensor output acquisition means 101 as the sensor output.
[0066]
Since the drive power supply 20 is the same as that described in the first embodiment of FIG. 1, the description thereof is omitted here. The gas detection output means 300 receives the gas type classification results from the first and second classification means 104 and 105 of the controller 100 and outputs the classification results. The gas detection output means 300 includes, for example, a known speaker or LED that emits a gas leak alarm by sound or light emission display, and a driver circuit thereof. If the determination result indicates acetic acid or ethanol, they are harmless to the human body, so that no alarm is issued from the gas detection output means 300. Or, do not issue a sound alarm only by display. The above judgment result is H 2 In the case of indicating, etc., it is an abnormal situation, so that an audio alarm or both an audio alarm and a display alarm are issued. In addition, in order to distinguish the detection of acetic acid or ethanol, you may make it display LED of a different color.
[0067]
The catalytic combustion type gas sensor 40 has the same configuration as that shown in the first embodiment of FIG. 1 and FIG. 4, and only the drive pulses supplied are different. When using this catalytic combustion type gas sensor 40, the variable resistance Rv is adjusted so that the sensor output supplied from the correction means 180 to the sensor output acquisition means 101 becomes zero before the detection operation is started.
[0068]
Furthermore, the output ratio that is the determination criterion for the gas type classification of the gas sensor with the gas type classification function will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a graph showing respective sensor outputs when ethanol is used as a test substance and the drive interval of the catalytic combustion type gas sensor is set to 1 second, 10 seconds, and 30 seconds. FIG. 11 is a graph showing output ratios of a plurality of gases when the gas concentration and the driving interval are changed. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the elapsed time from the pulse ON point (time point 0 in the figure) when the drive pulse as shown in FIG. 9 is supplied to the catalytic combustion type gas sensor 40. Moreover, in FIG. 11, the numerical value below a horizontal axis shows a driving interval-gas concentration.
[0069]
In FIG. 10, H1 shows the sensor output characteristic of ethanol in the energization period D1 of 400 ms immediately after setting the driving interval to 1 second. Similarly, H10 represents the ethanol sensor output characteristic in the 400 ms energization period D10 immediately after the drive interval of 10 seconds, and H30 represents the ethanol sensor output characteristic in the 400 ms energization period D30 immediately after the drive interval of 30 seconds. . As shown in FIG. 10, when the pulse driving interval is changed from 1 second to 10 seconds, the sensor output, in particular, the peak value changes greatly, but even if the pulse driving interval is changed from 10 seconds to 30 seconds, the sensor output is not changed. It can be seen that there is a saturation characteristic that hardly fluctuates. This shows that the saturated adsorption time of ethanol is 10 to 30 seconds. It has been found that the saturation adsorption time of polar gases other than ethanol is almost 10 to 30 seconds. On the other hand, nonpolar gases such as methane, hydrogen, carbon monoxide and the like have been found to have no such characteristic of saturated adsorption time of 10 to 30 seconds because their adsorption power is smaller than that of polar gases. Thus, the polar gas can be separated by utilizing the fact that the polar gas has a saturated adsorption time of about 10 to 30 seconds.
[0070]
FIG. 11 shows output ratios of a plurality of types of gases when the gas concentration and the driving interval are changed. This output ratio is generally expressed by the maximum adsorption combustion output / contact combustion output. The contact combustion output (corresponding to the steady value of claim 5) is an output value when the sensor output is in a steady state, and the maximum adsorption combustion output is a value obtained by subtracting the contact combustion output from the peak output. In the example of this figure, the energization period is 400 ms, the catalytic combustion output is the sensor output when 300 ms elapses from the pulse ON, and the peak output is the maximum value of the sensor output during the energization period. Then, the drive pulse drive intervals are set to 10 seconds and 30 seconds, and data on the output ratio of ethanol, acetic acid, cotton wick, and wood smoke is collected and calculated. In addition, in each driving interval, data collected and calculated by setting three gas concentrations are also shown.
[0071]
As shown in FIG. 11, the output ratio of ethanol depends on the set driving interval and gas concentration, and the output ratio is almost 5 times and constant. The output ratio of acetic acid is about 10 to 13 times depending on the set driving interval and gas concentration. That is, since these polar gases have a saturation adsorption time of about 10 to 30 seconds, it can be seen that the output ratio is stable regardless of the driving interval. On the other hand, it can be seen that other cotton lanterns and wood smoke have a correlation between the driving interval and gas concentration in the above-described driving interval and gas concentration. Using such characteristics, polar gases such as ethanol and acetic acid can be separated from other types of gases and smoke. Furthermore, separation of ethanol and acetic acid becomes possible by utilizing the output ratio characteristics of ethanol and acetic acid. As described above, by using the output ratio, it is possible to classify the gas types only by using the contact combustion type gas sensor used for detecting one gas leak.
[0072]
The processing operation performed by the controller 100 to perform gas type separation using the output ratio characteristics of each gas as shown in FIG. 11 will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a flowchart showing the processing operation according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, using the drive pulse as shown in FIG. 9, the catalytic combustion output is acquired when 300 ms elapses from the pulse ON, and the maximum value of the sensor output during the 400 ms energization period is acquired as the peak output. Then, ethanol, acetic acid and others are separated by comparing the output ratios of the driving intervals of 10 seconds and 30 seconds. The driving intervals of 10 seconds and 30 seconds are set based on the saturation adsorption time of a polar gas such as acetic acid or ethanol.
[0073]
In step P101 of FIG. 11, for example, a total of 80 sensor outputs W10 are acquired every 5 ms in the energization period D10 immediately after 10 seconds of the drive interval shown in FIG. In Step P102, similarly, a total of 80 sensor outputs W30 are acquired in the energization period D30. These acquired sensor outputs are temporarily stored in the storage unit of the controller 100.
[0074]
Next, in step P103, the maximum value and the steady value (contact combustion output) are acquired from the 80 sensor outputs W10 in D10 that are temporarily stored. In step P104, (maximum value−steady value) / steady value is calculated as the first output ratio using the maximum value and the steady value acquired in step P103. In addition, the said step P103 and step P104 are corresponded to the 1st sensor output acquisition means and 1st output ratio calculation means of Claim 6, respectively.
[0075]
Similarly, in step P105, the maximum value and the steady value (contact combustion output) are acquired from the 80 sensor outputs W30 in D30 stored temporarily, and in step P106, the maximum value acquired in step P105. Using the value and the steady value, (maximum value−steady value) / steady value is calculated as the second output ratio. The first output ratio and the second output ratio are temporarily stored in the storage unit of the controller 100. Steps P105 and P106 correspond to second sensor output acquisition means and second output ratio calculation means according to claim 6, respectively.
[0076]
In step P107, the temporarily stored first output ratio and second output ratio are read out, and the polar gas is separated from other gases based on the comparison of the first output ratio and the second output ratio. Is done. This separation is detected, for example, by using the output ratio characteristic shown in FIG. 11 if the first output ratio and the second output ratio are within a fluctuation range of about 20%, that is, detected. The gas is determined to be a polar gas such as acetic acid or ethanol, and the process proceeds to Step P108. Otherwise, there is a change, that is, the gas is determined to be a gas other than the polar gas, and the process proceeds to Step P111. The step P107 corresponds to the first sorting means of claim 6.
[0077]
In Step P108, the ethanol and acetic acid are separated based on either the first output ratio or the second output ratio using the output ratio characteristic shown in FIG. That is, if the first output ratio (or the second output ratio) is about 5, the detected gas is determined to be ethanol, and the process proceeds to Step P109. If it is about 10 to 13, the detected gas is acetic acid. Is determined, and the process proceeds to Step P110. As a precautionary explanation, both ethanol and acetic acid have a specific output ratio regardless of the energization interval. Therefore, the determination in step P108 may use either the first output ratio or the second output ratio. Good. The step P108 corresponds to the second sorting means of claim 7.
[0078]
When ethanol, acetic acid, and others are separated in this way, ethanol detection output processing, acetic acid detection output processing, and other detection processing are performed in Step P109, Step P110, and Step P111, respectively. In the ethanol detection output process and the acetic acid detection output process in Step P109 and Step P110, since they are harmless to the human body, no alarm is issued from the gas detection output means 300. Or, do not issue a sound alarm only by display. Or in order to distinguish ethanol detection and acetic acid detection, you may make it display LED of a different color in step P109 and step P110. Step P109, step P110 and step P111 correspond to the gas detection output means of claim 6.
[0079]
On the other hand, in the other detection output processing in Step P111, the detected gas is a cotton lantern shown in FIG. 11, smoke caused by combustion of wood, nonpolar gas such as methane gas or hydrogen gas, or polarity is very high. May correspond to a small gas. In reality, smoke caused by the burning of the above-mentioned cotton lantern or wood is generated at the time of fire, and nonpolar gas such as methane gas or hydrogen gas, or gas with very low polarity is generated at the time of gas leakage. Conceivable. In other words, since reaching step P111 may be an abnormal situation, the gas detection output means 300 issues a sound alarm or both a sound alarm and a display alarm. When issuing this alarm, for example, methane gas or hydrogen gas is detected using the method of the first embodiment, and the output ratio is as shown in the graph corresponding to the cotton wick and wood of FIG. A tendency to increase as the concentration increases may be detected, smoke due to fire may be detected, and the manner of alarming may be changed according to the result. However, since there is a possibility that the normal state which does not belong to such an abnormality detection may be the step P111, for example, in order to distinguish this normal state from the abnormal state, for example, a sensor output of a 300 ms time point output during the energization period. To prevent alarms in normal conditions.
[0080]
In this flowchart, only the process corresponding to one cycle of the drive pulse shown in FIG. 2 is shown. However, in reality, the above-described process is continuously performed by continuously generating the drive pulse. To. Thereby, gas separation can be performed more reliably.
[0081]
As described above, according to the second embodiment, when the conduction interval is set in consideration of the saturated adsorption time of polar gas such as acetic acid and ethanol, the fact that the output ratio of polar gas becomes stable is utilized. Thus, it is possible to separate polar gas from others only by using one catalytic combustion type gas sensor for detecting gas leakage. Further, among polar gases, there are a gas generated due to ethanol having an output ratio of about 5 regardless of the energization interval and a gas generated due to acetic acid having an output ratio of about 10-13. Separation is possible. That is, since it is possible to separate the gas generated due to ethanol and acetic acid generated from alcohol and seasonings on a daily basis and other gases, a highly reliable gas sensor with few false alarms can be obtained. Of course, gas separation can be performed by using only one catalytic combustion type gas sensor, and it is needless to say that a small, low-cost and high-performance gas sensor with a gas type separation function can be obtained as in the first embodiment. Furthermore, the contact combustion type gas sensor having a small heat capacity as shown in FIG. 4 is used to acquire the sensor output during the rising period and to use the instantaneous combustion reaction, so that the gas type can be separated at high speed. become.
[0082]
Note that the present invention does not limit the acquisition time, energization interval, energization time, and the like of each sensor output to the values exemplified in the first and second embodiments. These values can be changed as appropriate without departing from the scope of the present invention. In addition to ethanol and acetic acid exemplified as polar gases in the second embodiment, the present invention can be applied to a gas having a specific output ratio.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the sensor output in the rising period from the energization start point to the steady point exhibits a peak waveform specific to a specific type of gas. Since the species are separated, a plurality of gas species can be separated by using only one contact combustion type gas sensor 40. Further, a gas type separation filter or the like is not required. As a result, a small, low-cost and high-performance gas sensor with a gas type separation function can be obtained. Furthermore, since the sensor output during the rising period is used, the gas type can be separated at high speed.
[0084]
Also, Paying attention to the sensor output during the rising period of the catalytic combustion type gas sensor 40, the presence / absence of the peak waveform is detected by the first peak presence / absence detection means 12 and the second peak presence / absence detection means 13, 14, so Three different kinds of gases can be separated by using only one catalytic combustion type gas sensor 40. As a result, a small, low-cost and high-performance gas sensor with a gas type separation function can be obtained.
[0085]
Claim 2 According to the described invention, a gas generated due to acetic acid, a gas generated due to ethanol, and other gases can be separated. Since the gas generated due to acetic acid and ethanol is likely to be generated from liquor and seasonings on a daily basis, the fact that these can be separated can provide a highly reliable gas sensor with few false alarms. It turns out that.
[0086]
Claim 3 According to the described invention, in the catalytic combustion type gas sensor 40, the heater element and the catalyst layer are formed on the insulating film supported on the silicon wafer, and further, the thin film diaphragm Ds is formed by etching from the back surface of the silicon wafer. Therefore, the heat capacity can be reduced. As a result, the power consumption is reduced, the gas response changes at high speed, and the measurement accuracy is further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a first embodiment of a gas sensor with a gas type separation function according to the present invention.
FIGS. 2A and 2B are time charts showing examples of drive waveforms according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing determination criteria and gas determination patterns for gas type classification according to the first embodiment of the present invention.
4A, 4B, and 4C are a plan view, a rear view, and a cross-sectional view taken along line AA of the contact combustion gas sensor, respectively.
FIG. 5 is a graph showing sensor output characteristics of nonpolar gas by the catalytic combustion type gas sensor.
FIG. 6 is a graph showing sensor output characteristics of polar gas by the contact combustion type gas sensor.
FIG. 7 is a flowchart showing a processing operation according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a basic configuration of a second embodiment of the gas sensor with a gas type separation function of the present invention.
FIG. 9 is a time chart showing an example of a driving waveform according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing sensor outputs when the driving interval of the catalytic combustion type gas sensor is changed.
FIG. 11 is a graph showing output ratios of a plurality of gases when the gas concentration and the driving interval are changed.
FIG. 12 is a flowchart showing a processing operation according to the second embodiment of the present invention.
FIGS. 13A and 13B are schematic views of a sensitive element portion and a compensating element portion of a conventional catalytic combustion gas sensor, respectively.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between gas concentration and sensor output by a conventional catalytic combustion gas sensor.
[Explanation of symbols]
10, 100 controller
20 Drive power supply
30, 300 Gas detection output means
40 Contact combustion gas sensor
42, 44 Pt heater
43 Pd / Al 2 O Three Catalyst layer
45 Al 2 O Three Catalyst layer
Rs sensitive element part
Rr compensation element

Claims (3)

接触燃焼式ガスセンサの通電開始時点から前記接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力が安定する定常時点までの立上り期間における前記センサ出力が、特定種のガスに対して固有のピーク波形を呈することを利用してガス種を分別するガス種分別機能付ガスセンサであって、
前記通電開始時点からこの通電開始時点と前記定常時点との間の特定の立上り初期時点までの第1立上り期間、及び前記立上り初期時点から前記定常時点までの間の第2立上り期間においてそれぞれ、前記センサ出力のピーク波形を有する第1ガスと、前記第2立上り期間においてのみ前記センサ出力のピーク波形を有する第2ガスと、前記立上り期間において前記センサ出力が単調に増加する第3ガスとを分別して分別結果を出力するガス種分別機能付ガスセンサにおいて、
前記第1立上り期間における前記センサ出力のピーク波形の有無を検出する第1ピーク有無検出手段と、
前記第2立上り期間における前記センサ出力のピーク波形の有無を検出する第2ピーク有無検出手段と、
前記第1ピーク有無検出手段及び前記第2ピーク有無検出手段によるそれぞれのピーク波形有無検出結果に基づいて、前記第1ガス、前記第2ガス及び前記第3ガスを分別するガス種分別手段と、
前記ガス種分別手段による分別結果を出力するガス検知出力手段と、
を含むことを特徴とするガス種分別機能付ガスセンサ。
Utilizing the fact that the sensor output in the rising period from the start of energization of the catalytic combustion type gas sensor to the steady time when the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor is stable exhibits a specific peak waveform for a specific type of gas. A gas sensor with a gas type separation function for separating gas types,
In the first rising period from the energization start time to the specific rising initial time point between the energization starting time and the steady time point, and in the second rising period from the initial rising time point to the steady time point, respectively, A first gas having a sensor output peak waveform, a second gas having a sensor output peak waveform only in the second rising period, and a third gas in which the sensor output monotonously increases in the rising period are separated. In the gas sensor with gas type separation function that outputs the separation result separately,
First peak presence / absence detecting means for detecting the presence / absence of a peak waveform of the sensor output in the first rising period;
Second peak presence / absence detecting means for detecting presence / absence of a peak waveform of the sensor output in the second rising period;
Gas type separation means for separating the first gas, the second gas, and the third gas based on the respective peak waveform presence / absence detection results by the first peak presence / absence detection means and the second peak presence / absence detection means;
A gas detection output means for outputting a classification result by the gas type separation means;
Gas species sorting function with a gas sensor characterized in that it comprises a.
請求項1記載のガス種分別機能付ガスセンサにおいて、
前記第1ガスは酢酸を起因として発生するガスであり、前記第2ガスはエタノールを起因として発生するガスである
ことを特徴とするガス種分別機能付ガスセンサ。
In the gas sensor with a gas type separation function according to claim 1,
The gas sensor with a gas type separation function, wherein the first gas is a gas generated due to acetic acid, and the second gas is a gas generated due to ethanol .
請求項1又は2記載のガス種分別機能付ガスセンサにおいて、
前記接触燃焼式ガスセンサは、
シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更に前記シリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムが形成されている
ことを特徴とするガス種分別機能付ガスセンサ。
In the gas sensor with a gas type separation function according to claim 1 or 2 ,
The catalytic combustion gas sensor is
A gas sensor with a gas type separation function, wherein a heater element and a catalyst layer are formed on an insulating film supported by a silicon wafer, and a thin film diaphragm is formed by etching from the back surface of the silicon wafer .
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