JP2015127644A - Gas detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas detector that accurately corrects influences of variation in a resistance value due to experience in a middle-to-high humidity atmosphere by correcting a gas detection level while confirming a middle-to-high humidity atmosphere.SOLUTION: In an MEMS metal oxide semiconductor gas sensor, a metal oxide semiconductor whose resistance value is changed due to gas and a heater that heats the metal oxide semiconductor are provided on a bridge part on a cavity part of an Si chip or on a diaphragm; and a filter is provided. A gas detector determines that ambient humidity is not low and, if the ambient humidity is not low and the resistance value of the metal oxide semiconductor in air increases, increases an alarm level that indicates the resistance value of the metal oxide semiconductor in a detection object gas of predetermined concentration.

Description

この発明は、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサを有するガス検出装置に関する。この発明は特に、中高湿環境によるガスセンサの特性変動の補正に関する。   The present invention relates to a gas detection device having a MEMS type metal oxide semiconductor gas sensor. In particular, the present invention relates to correction of a variation in characteristics of a gas sensor due to a medium and high humidity environment.

特許文献１（特開2013-61227）は、SnO2等のガス感応層をPd-Al2O3等の選択燃焼層で被覆した、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサを開示している。ガスセンサは周期的にメタンの検出温度である500℃付近に加熱され、他の期間は室温に保たれる。そしてこのようなガスセンサは、電池駆動のガス警報器等に利用できる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-61227 discloses a MEMS type metal oxide semiconductor gas sensor in which a gas sensitive layer such as SnO 2 is covered with a selective combustion layer such as Pd—Al 2 O 3 . The gas sensor is periodically heated to around 500 ° C., which is the detection temperature of methane, and kept at room temperature for other periods. Such a gas sensor can be used for a battery-driven gas alarm device or the like.

特許文献２（特開2007-279061）は、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサが、高温高湿雰囲気を30日程度連続して経験すると、CO中の抵抗値が増加することがある、としている。そして特許文献２は、金属酸化物半導体であるSnO2薄膜にPdを担持させると、上記の抵抗値の増加（ドリフト）を抑制できるとしている。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-279061) states that when a MEMS type metal oxide semiconductor gas sensor experiences a high temperature and high humidity atmosphere continuously for about 30 days, the resistance value in CO may increase. . Patent Document 2 states that when Pd is supported on a SnO 2 thin film that is a metal oxide semiconductor, the increase (drift) in the resistance value can be suppressed.

特許文献３（特公昭61-6933）は、ガスセンサの出力への０点補正を行うことを開示している。   Patent Document 3 (Japanese Examined Patent Publication No. 61-6933) discloses performing zero point correction on the output of a gas sensor.

特開2013-61227JP2013-61227 特開2007-279061JP2007-279061 特公昭61-6933JP-66-1933

特許文献２は、SnO2-Pd系の金属酸化物半導体を用いることにより、高湿雰囲気中での抵抗値のドリフトを抑制できるとしている。しかし発明者の経験では、金属酸化物半導体の組成を選んでも、高湿中でのドリフトを充分に抑制することは困難であった。またドリフトは、高湿雰囲気で著しいが、中湿雰囲気でも起こることがある。
特許文献３のようにガスセンサへの０点補正を行うと、高湿中でのドリフトの影響を補正できるが、ガスセンサの抵抗値が増加するのは高湿雰囲気の影響とは限らない。無制限に抵抗値を補正すると、誤検出する、あるいは検出対象ガスを見逃すおそれがある。 Patent Document 2 states that the drift of the resistance value in a high-humidity atmosphere can be suppressed by using a SnO 2 —Pd-based metal oxide semiconductor. However, according to the experience of the inventors, it was difficult to sufficiently suppress the drift in high humidity even when the composition of the metal oxide semiconductor was selected. Drift is significant in a high humidity atmosphere, but may also occur in a medium humidity atmosphere.
When the zero point correction to the gas sensor is performed as in Patent Document 3, the influence of drift in high humidity can be corrected, but the increase in the resistance value of the gas sensor is not necessarily the influence of the high humidity atmosphere. If the resistance value is corrected indefinitely, there is a risk of erroneous detection or missed detection target gas.

この発明の課題は、中高湿雰囲気であることを確認しながら、ガスの検出レベルを補正することにより、中高湿雰囲気を経験したことによる抵抗値変動の影響を、的確に補正することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to accurately correct the influence of a resistance value variation caused by experiencing a medium / high humidity atmosphere by correcting the gas detection level while confirming that the medium / high humidity atmosphere is present.

この発明のガス検出装置は、Siチップの空洞部上の架橋部もしくはダイアフラムに、ガスにより抵抗値が変化する膜状の金属酸化物半導体と、金属酸化物半導体を加熱する膜状のヒータ、とが設けられ、かつフィルタを有するMEMS金属酸化物半導体ガスセンサと、
ヒータへ電力を供給し、金属酸化物半導体を室温からガスの検出温度へ加熱するヒータドライブと、
金属酸化物半導体に直列に接続されている負荷抵抗と、
金属酸化物半導体と負荷抵抗との直列片に検出電圧を加えるVcドライブと、
負荷抵抗に加わる電圧もしくは金属酸化物半導体に加わる電圧をAD変換することにより、金属酸化物半導体の抵抗値を表すセンサ出力をサンプリングする、ADコンバータと、
周囲の湿度が低湿ではないことを判別する湿度判別手段と、
周囲の湿度が低湿ではなく、かつ空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が増加している際に、前記検出温度で、所定濃度の検出対象ガス中での、金属酸化物半導体の抵抗値を表す警報レベルを増加させる警報レベル発生部、とを有する。 A gas detection device according to the present invention includes a film-like metal oxide semiconductor whose resistance value is changed by a gas, a film-like heater for heating the metal oxide semiconductor, and a bridge portion or a diaphragm on the cavity of the Si chip, And a MEMS metal oxide semiconductor gas sensor having a filter, and
A heater drive that supplies power to the heater and heats the metal oxide semiconductor from room temperature to a gas detection temperature;
A load resistor connected in series to the metal oxide semiconductor;
A Vc drive that applies a detection voltage to a series piece of a metal oxide semiconductor and a load resistor;
AD converter that samples the sensor output representing the resistance value of the metal oxide semiconductor by AD converting the voltage applied to the load resistance or the voltage applied to the metal oxide semiconductor; and
Humidity determination means for determining that the ambient humidity is not low; and
When the ambient humidity is not low and the resistance value of the metal oxide semiconductor in the air is increasing, the resistance of the metal oxide semiconductor in the detection target gas at a predetermined concentration at the detection temperature. And an alarm level generator for increasing an alarm level representing the value.

この発明では、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が増加していることと、周囲の湿度が低湿ではないことの双方に基づいて、警報レベルを増加させる。このため、湿度により金属酸化物半導体の抵抗値が増加した時に、的確に警報レベルを増加させることができる。なおセンサ出力は金属酸化物半導体の抵抗値でも、負荷抵抗への電圧自体等でも良い。同様に警報レベルは金属酸化物半導体の抵抗値でも、負荷抵抗への電圧等でも良い。この発明では、警報レベルは、抵抗値が増すと増加し、減ると減少するものとして示す。湿度は相対湿度で、金属酸化物半導体が経験している湿度である。この発明では、金属酸化物半導体は常時は室温におかれ、間欠的に短時間加熱されるので、金属酸化物半導体に影響するのは絶対湿度ではなく、相対湿度である。低湿と中高湿との境界は適宜に定めればよいが、例えば湿度50%未満を低湿、50%以上で80%未満を中湿、80%以上を高湿とする。なお、高湿でのみ警報レベルの増加をを許すようにしても良い。   In the present invention, the alarm level is increased based on both an increase in the resistance value of the metal oxide semiconductor in the air and that the ambient humidity is not low. For this reason, when the resistance value of the metal oxide semiconductor increases due to humidity, the alarm level can be accurately increased. The sensor output may be a resistance value of a metal oxide semiconductor or a voltage to the load resistance itself. Similarly, the alarm level may be a resistance value of a metal oxide semiconductor, a voltage to a load resistance, or the like. In the present invention, the alarm level is shown to increase as the resistance value increases and decrease as the resistance value decreases. Humidity is relative humidity, the humidity experienced by metal oxide semiconductors. In the present invention, since the metal oxide semiconductor is always kept at room temperature and is intermittently heated for a short time, it is not relative humidity but relative humidity that affects the metal oxide semiconductor. The boundary between the low humidity and the medium / high humidity may be determined as appropriate. For example, a humidity of less than 50% is low humidity, 50% or more, less than 80% is medium humidity, and 80% or more is high humidity. Note that an increase in alarm level may be allowed only at high humidity.

好ましくは、湿度判別手段は、金属酸化物半導体を室温から昇温させた際に、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数が、所定時間以上であることから、低湿ではないことを判別するように構成されている。   Preferably, the humidity discrimination means discriminates that the humidity is not low because the time constant at which the resistance value of the metal oxide semiconductor decreases when the temperature of the metal oxide semiconductor is raised from room temperature is a predetermined time or more. Is configured to do.

金属酸化物半導体の温度を室温等からガスの検出温度へ昇温させると、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する。抵抗値が減少する時定数は周囲の湿度の影響を受け、湿度が増すと時定数が長くなる。図６は室温から250℃へ昇温させた際の抵抗値の波形を、図７は室温から500℃へ昇温させた際の抵抗値の波形を示し、図６，図７のいずれでも湿度と共に時定数が長くなっている。湿度が低いと、時定数が短くなることの他に、抵抗値が極小値を示した後に再度増加する現象が見られ、高湿ではこの現象は見られず、中湿ではこの現象は見られないか弱くなる。そこで抵抗値の極小の有無と、その後の増加率とから、低湿かそうでないかを確認することもできる。ただし抵抗値の極小は、エタノール等の雑ガス中でも発生するので、時定数を用いずに、極小値の有無のみから低湿か否かを判別することは、好ましくない。   When the temperature of the metal oxide semiconductor is raised from room temperature or the like to the gas detection temperature, the resistance value of the metal oxide semiconductor decreases. The time constant at which the resistance value decreases is affected by the surrounding humidity, and the time constant increases as the humidity increases. 6 shows the waveform of the resistance value when the temperature is raised from room temperature to 250 ° C., FIG. 7 shows the waveform of the resistance value when the temperature is raised from room temperature to 500 ° C. As the time constant increases. When the humidity is low, in addition to the time constant being shortened, there is a phenomenon in which the resistance value increases again after showing the minimum value, and this phenomenon is not seen at high humidity, and this phenomenon is seen at medium humidity. Not or weaken. Therefore, it can be confirmed whether the humidity is low or not from the presence or absence of the minimum resistance value and the rate of increase thereafter. However, since the minimum resistance value occurs even in other gases such as ethanol, it is not preferable to determine whether or not the humidity is low based on the presence or absence of the minimum value without using a time constant.

また好ましくは、ガス検出装置は周囲の湿度を検出する湿度センサを備えている。湿度センサは、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサのSiチップ上に、感湿膜を設けたものでも良い。このようにすると、湿度センサを追加することにより、周囲の雰囲気が低湿か、中高湿かを判別できる。   Preferably, the gas detection device includes a humidity sensor that detects ambient humidity. The humidity sensor may be one in which a moisture sensitive film is provided on a Si chip of a MEMS metal oxide semiconductor gas sensor. In this way, by adding a humidity sensor, it is possible to determine whether the surrounding atmosphere is low humidity or medium high humidity.

あるいは好ましくは、ガス検出装置は季節を判別するためのタイマから成るカレンダーを備えている。即ち、タイマにより季節を判別すると、梅雨〜夏期は高湿期で、太平洋側では秋〜春は乾燥期（低湿期）、日本海側では秋と春は低湿期、等のように、季節により低湿かそうでないかを推定できる。   Alternatively, preferably, the gas detection device includes a calendar including a timer for determining the season. That is, when the season is determined by the timer, the rainy season to summer is a high humidity season, the Pacific side is autumn to spring the dry season (low humidity season), the Japan Sea side is autumn and spring is the low humidity season, etc. Can estimate low humidity or not.

特に好ましくは、警報レベルの初期値を記憶するメモリを備え、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が増加したため警報レベルを増加させた後に、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が減少している際に、警報レベルを初期値以上に保つように、警報レベル発生部が構成されている。   Particularly preferably, a memory for storing an initial value of the alarm level is provided, and the resistance value of the metal oxide semiconductor in the air is increased. The alarm level generation unit is configured to keep the alarm level at or above the initial value when it is decreasing.

警報レベルを初期値未満にすると、検出対象ガスを見逃す可能性が生じる。そこで警報レベルを初期値以上に保つことにより、検出対象ガスを見逃すように補正することが無くなる。なお警報レベルの初期値を記憶するとは、初期値自体を記憶することの他に、実施例での基準値の初期値R0等、警報レベルに換算し得る値を記憶することを含んでいる。   If the alarm level is less than the initial value, there is a possibility of missing the detection target gas. Therefore, by keeping the alarm level at or above the initial value, it is not necessary to make a correction so as to miss the detection target gas. Note that storing the initial value of the alarm level includes storing the value that can be converted to the alarm level, such as the initial value R0 of the reference value in the embodiment, in addition to storing the initial value itself.

実施例のガス検出装置のブロック図Block diagram of the gas detector of the embodiment MEMS金属酸化物半導体ガスセンサのブロック図Block diagram of MEMS metal oxide semiconductor gas sensor マイクロコンピュータのブロック図Microcomputer block diagram ガス検出装置の初期設定を示すフローチャートFlow chart showing initial setting of gas detector 警報レベルの補正を示すフローチャートFlow chart showing alarm level correction 25℃の空気中で、金属酸化物半導体を室温から250℃へ昇温させた際の、相対湿度毎の抵抗値の波形を示す特性図A characteristic diagram showing the waveform of the resistance value for each relative humidity when a metal oxide semiconductor is heated from room temperature to 250 ° C in air at 25 ° C 25℃の空気中で、金属酸化物半導体を室温から500℃へ昇温させた際の、中湿と高湿での抵抗値の波形を示す特性図Characteristic diagram showing the waveform of resistance values at medium and high humidity when the metal oxide semiconductor is heated from room temperature to 500 ° C in air at 25 ° C 湿度による金属酸化物半導体の抵抗値の変化を、模式的に示す図The figure which shows the change of the resistance value of the metal oxide semiconductor with humidity typically 空気中の抵抗値に基づく基準値RSTDと、警報レベルRbの推移を示す図Diagram showing transition of reference value RSTD based on resistance value in air and alarm level Rb

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。   In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.

図１〜図９に実施例を示す。図１はガス検出装置を示し、E1は電源の電池で、１次電池でも２次電池でも良く、T1、T2はトランジスタ等のスイッチ、SはMEMS金属酸化物半導体ガスセンサで、RLは負荷抵抗、μ1はマイクロコンピュータである。   1 to 9 show an embodiment. FIG. 1 shows a gas detection device, where E1 is a power source battery, which may be a primary battery or a secondary battery, T1 and T2 are switches such as transistors, S is a MEMS metal oxide semiconductor gas sensor, RL is a load resistance, μ1 is a microcomputer.

図２に、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサS（以下ガスセンサS）を、ハウジング等を省略して示す。Fはフィルタで、繊維状活性炭、粒状活性炭、シリカゲル、ゼオライト等から成り、エタノール等の雑ガス、シロキサン等の被毒ガスを吸着すると共に、水蒸気を吸着ないしは吸収して、金属酸化物半導体の周囲での湿度の変動を和らげる。フィルタFにPt等の酸化触媒を担持させ、雑ガスを酸化し、かつ被毒ガスを分解するようにしても良い。   FIG. 2 shows a MEMS metal oxide semiconductor gas sensor S (hereinafter referred to as gas sensor S) with the housing and the like omitted. F is a filter made of fibrous activated carbon, granular activated carbon, silica gel, zeolite, etc., and adsorbs miscellaneous gas such as ethanol, poison gas such as siloxane, and adsorbs or absorbs water vapor, around the metal oxide semiconductor. Relieves humidity fluctuations. The filter F may carry an oxidation catalyst such as Pt, oxidize miscellaneous gas, and decompose poisonous gas.

１はSiチップで、空洞部２上に絶縁膜から成る架橋部３が設けられ、架橋部３上にPt膜等のヒータ４と、SnO2の厚膜等の金属酸化物半導体５と、金属酸化物半導体５に接続した図示しない電極等が設けられている。なおSnO2に代えて、In2O3、WO3等の他の金属酸化物半導体を用いても良く、また金属酸化物半導体５にPt,Pd等の貴金属触媒を担持させても良い。金属酸化物半導体５を、厚膜に代えて薄膜とし、図示しない酸化触媒膜で被覆しても良い。さらにSiチップを金属酸化物半導体５の反対側からエッチングした貫通孔上にダイアフラムを設けて、ダイアフラム上にヒータ４と金属酸化物半導体５等を設けても良い。なお発明者の経験では、SnO2の厚膜への添加物を選んでも、中高湿によるドリフトを解消することはできなかった。 Reference numeral 1 denotes a Si chip, and a bridging portion 3 made of an insulating film is provided on the cavity 2, a heater 4 such as a Pt film, a metal oxide semiconductor 5 such as a thick film of SnO 2 , and a metal An electrode (not shown) connected to the oxide semiconductor 5 is provided. Instead of SnO 2 , other metal oxide semiconductors such as In 2 O 3 and WO 3 may be used, and a noble metal catalyst such as Pt and Pd may be supported on the metal oxide semiconductor 5. The metal oxide semiconductor 5 may be formed as a thin film instead of a thick film and covered with an oxidation catalyst film (not shown). Furthermore, a diaphragm may be provided on the through hole obtained by etching the Si chip from the opposite side of the metal oxide semiconductor 5, and the heater 4 and the metal oxide semiconductor 5 may be provided on the diaphragm. In addition, according to the inventor's experience, even when an additive to the thick film of SnO 2 was selected, the drift due to medium and high humidity could not be eliminated.

図３はマイクロコンピュータμ1を示し、１２はヒータドライブでスイッチT1を制御して、ヒータ４へ電力を供給する。Vcドライブ１４はスイッチT2を制御して、金属酸化物半導体５と負荷抵抗RLの直列片に検出電圧Vcを加える。ADコンバータ１６は例えば負荷抵抗RLへの電圧をAD変換し、ガスセンサSの出力VRLとする。波形解析部１８は、室温から昇温させる際の金属酸化物半導体５の抵抗値Rsの時定数から、湿度の程度を例えば低湿と、中高湿の２段階、あるいは低湿あるいは中湿と、高湿の２段階等に判別する。   FIG. 3 shows a microcomputer μ1, and 12 is a heater drive that controls the switch T1 to supply power to the heater 4. The Vc drive 14 controls the switch T2 to apply the detection voltage Vc to the series piece of the metal oxide semiconductor 5 and the load resistor RL. The AD converter 16 AD converts, for example, the voltage to the load resistor RL, and uses it as the output VRL of the gas sensor S. From the time constant of the resistance value Rs of the metal oxide semiconductor 5 when the temperature is raised from room temperature, the waveform analysis unit 18 sets the humidity level to, for example, two stages of low humidity and medium / high humidity, or low humidity or medium humidity, and high humidity. Are classified into two stages.

基準値更新部２０は、空気中での金属酸化物半導体５の抵抗値に対応する基準値RSTDを更新する。更新は例えば１時間に１回〜１月に１回、好ましくは１日に１回〜１月に１回程度の頻度で行い、湿度が中高湿で低湿ではなく、かつ空気中での抵抗値Ｒairが基準値RSTDよりも大きい時に、基準値RSTDを増加させる。空気中での抵抗値は湿度、雑ガス等により変動する。複数回サンプリングした抵抗値の内で、抵抗値が大きいものをサンプリングして、空気中での抵抗値Rairとする。例えば１日に２５６回程度ランダムにサンプリングした抵抗値の内で、抵抗値が高いものを６４個取り出し、これらの平均値を空気中での抵抗値Rairとする。あるいは前記の複数個の抵抗値の内で、高抵抗側から所定の順位、例えば上位10%目の抵抗値等を、空気中での抵抗値Rairとしても良い。   The reference value update unit 20 updates the reference value RSTD corresponding to the resistance value of the metal oxide semiconductor 5 in the air. The renewal is performed at a frequency of, for example, once an hour to once a month, preferably once a day to once a month. When Rair is larger than the reference value RSTD, the reference value RSTD is increased. The resistance value in air varies depending on humidity, miscellaneous gas, and the like. Of the resistance values sampled a plurality of times, the one with the larger resistance value is sampled to obtain the resistance value Rair in air. For example, of the resistance values randomly sampled about 256 times a day, 64 of the resistance values having a high resistance value are taken out, and the average value thereof is taken as the resistance value Rair in the air. Alternatively, among the plurality of resistance values, a predetermined order from the high resistance side, for example, the resistance value of the upper 10% may be used as the resistance value Rair in air.

空気中での抵抗値Rairが基準値RSTDよりも大きいときに、基準値RSTDを増加させる。ここで古い基準値RSTDoと定数Ｋ（Ｋは正で、例えば0.1〜0.5程度）とにより、新しい基準値RSTDｎを （Rair-RSTDo）・Ｋ＋RSTDo とする等により、基準値RSTDが空気中での抵抗値Rairの増加に遅れながら追随するようにすることが好ましい。これによって空気中での抵抗値Rairの一時的な変動の影響を小さくできる。また中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値の増加は例えば１月以上の時定数で進行するが、Ｋの値を選ぶことにより、基準値を更新する速度を、中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値の増加に見合ったものにし、一時的な抵抗値の変動の影響を小さくすることができる。   When the resistance value Rair in air is larger than the reference value RSTD, the reference value RSTD is increased. The old reference value RSTDo and constant K (K is positive, for example, about 0.1 to 0.5), and the new reference value RSTDn is (Rair-RSTDo) · K + RSTDo. It is preferable to follow the delay while increasing the value Rair. As a result, the influence of temporary fluctuation of the resistance value Rair in the air can be reduced. The increase in the resistance value of the metal oxide semiconductor at medium and high humidity proceeds, for example, with a time constant of one month or more, but by selecting the value of K, the rate of updating the reference value can be increased. It is possible to match the increase in the resistance value of the semiconductor, and to reduce the influence of temporary resistance value fluctuations.

警報レベル発生部２２は、基準値RSTDに合わせて、警報レベルRb（金属酸化物半導体５の抵抗値換算）を発生させる。ここではガス洩れに相当する濃度のメタンを検出対象とし、初期値Raよりも警報レベルRbを低下させることは行わない。   The alarm level generator 22 generates an alarm level Rb (converted to the resistance value of the metal oxide semiconductor 5) in accordance with the reference value RSTD. Here, methane having a concentration corresponding to gas leakage is targeted for detection, and the alarm level Rb is not lowered below the initial value Ra.

ガス検出部２４は、メタンの検出温度（500℃付近）での金属酸化物半導体の抵抗値が警報レベル以下であることから、ガス漏れを検出する。外部出力は、ブザー、LED、ネットワーク等を介して、ガス検出装置の状態とガス漏れの有無等を外部へ出力する。不揮発性メモリ２８は、空気中での抵抗値の初期値R0と警報レベルの初期値Ra等を記憶する。ガス検出部２４は、ガスセンサの出力を図示しないサーミスタ等により、周囲温度に応じて補正しても良い。   The gas detector 24 detects a gas leak because the resistance value of the metal oxide semiconductor at the methane detection temperature (around 500 ° C.) is equal to or lower than the alarm level. The external output outputs the state of the gas detection device and the presence or absence of gas leakage to the outside via a buzzer, LED, network, and the like. The nonvolatile memory 28 stores an initial value R0 of resistance value in air, an initial value Ra of alarm level, and the like. The gas detection unit 24 may correct the output of the gas sensor according to the ambient temperature using a thermistor (not shown).

なお波形解析部１８により湿度を判別する代わりに、図示しない湿度センサと、湿度センサドライブ３０とにより、湿度を判別しても良い。またガス検出装置の初期設定時等から休まずに動作するタイマを備えるカレンダー部３２により、湿度が低湿か否かを判別しても良い。湿度センサドライブ３０あるいはカレンダー部３２を設ける場合、波形解析部１８は不要である。しかし湿度センサドライブ３０を設けると、湿度センサとそのドライブとが必要になり、カレンダー部３２を設けると、初期設定から実際の使用開始までの間も電池E1の電力を消費する。   Instead of determining the humidity by the waveform analyzer 18, the humidity may be determined by a humidity sensor (not shown) and the humidity sensor drive 30. Further, whether or not the humidity is low may be determined by the calendar unit 32 including a timer that operates without a break from the initial setting of the gas detection device. When the humidity sensor drive 30 or the calendar unit 32 is provided, the waveform analysis unit 18 is not necessary. However, if the humidity sensor drive 30 is provided, the humidity sensor and its drive are required. If the calendar unit 32 is provided, the power of the battery E1 is consumed from the initial setting to the actual start of use.

ガス検出装置の動作は例えば30秒周期で、その内の100msecの間、ヒータに電力を加えて、メタンの検出温度へ昇温させ、他は室温に放置する。なおメタンの検出温度へ昇温させる前に、湿度の検出温度（例えば150〜300℃）へ昇温させても良い。また湿度の検出温度へは、例えば空気中の抵抗値をサンプリングする際にのみ昇温させ、あるいは１日１回程度昇温させても良く、メタンの検出温度で湿度を判別し、250℃程度（湿度の検出温度）への昇温を省略しても良い。そしてVcドライブ１４は、ガスセンサの出力VRLを読み込むときに検出電圧Vcを加える。   The operation of the gas detection device is, for example, in a cycle of 30 seconds, and power is applied to the heater for 100 msec, the temperature is raised to the detection temperature of methane, and the others are left at room temperature. Note that the temperature may be raised to a humidity detection temperature (for example, 150 to 300 ° C.) before the temperature is raised to the methane detection temperature. The humidity detection temperature may be raised only when sampling the resistance value in the air, for example, or it may be raised once a day. The humidity is discriminated based on the detected methane temperature, and about 250 ° C. The temperature rise to (humidity detection temperature) may be omitted. The Vc drive 14 adds the detection voltage Vc when reading the output VRL of the gas sensor.

図４は、ガス検出装置の初期設定を示す。ステップ１で、空気中の抵抗値の初期値R0を読み込み、ステップ２で、検出温度での警報濃度のガス（メタン）中の抵抗値を読み込み、これらを不揮発性メモリに記憶する。   FIG. 4 shows an initial setting of the gas detection device. In step 1, the initial value R0 of the resistance value in the air is read. In step 2, the resistance value in the gas (methane) having the alarm concentration at the detected temperature is read and stored in the nonvolatile memory.

図５〜図９に警報レベルRbの補正を示し、ガス検出装置は初期設定済みとする。ステップ１１で空気中の抵抗値Rairをサンプリングし、ステップ１２で、昇温時に金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数から、低湿と中高湿とを判別する。   FIG. 5 to FIG. 9 show the correction of the alarm level Rb, and the gas detection device is initially set. In step 11, the resistance value Rair in the air is sampled, and in step 12, low humidity and medium / high humidity are determined from the time constant at which the resistance value of the metal oxide semiconductor decreases when the temperature rises.

図６は室温から250℃へ金属酸化物半導体を昇温させた際の抵抗値の波形を示し、図７は室温から500℃へ金属酸化物半導体を昇温させた際の抵抗値の波形を示す。いずれの図でも、湿度が低いほど、抵抗値が減少する時定数が短く、かつ抵抗値のアンダーシュートが見られる。なお金属酸化物半導体の種類はSnO2-（Pt-Pd）である。 FIG. 6 shows a resistance waveform when the temperature of the metal oxide semiconductor is raised from room temperature to 250 ° C., and FIG. 7 shows a waveform of the resistance value when the temperature of the metal oxide semiconductor is raised from room temperature to 500 ° C. Show. In any of the figures, the lower the humidity, the shorter the time constant at which the resistance value decreases, and an undershoot of the resistance value is observed. Note that the type of the metal oxide semiconductor is SnO 2 — (Pt—Pd).

そこでアンダーシュートの程度、即ち抵抗の極小値の深さ、極小値からの抵抗の増加率等により、低湿であることを確認することが好ましい（ステップ１３）。なおステップ１１〜１３は３０秒周期に行う必要はなく、またステップ１２、１３を実行する頻度はステップ１１の実行頻度よりも低くても良く、ステップ１３は省略可能である。   Therefore, it is preferable to confirm the low humidity by the degree of undershoot, that is, the depth of the minimum value of resistance, the increase rate of resistance from the minimum value, and the like (step 13). Steps 11 to 13 need not be performed in a 30-second cycle, and the frequency of executing steps 12 and 13 may be lower than the execution frequency of step 11, and step 13 may be omitted.

図８は、金属酸化物半導体の抵抗値への湿度の影響を示す。湿度に対して短期的には可逆に応答し、湿度が増すと金属酸化物半導体の抵抗値が減少し、増加すると抵抗値が減少する。しかし湿度の高い状態が長期間続くと、金属酸化物半導体の抵抗値が増加する。   FIG. 8 shows the influence of humidity on the resistance value of a metal oxide semiconductor. It responds reversibly to humidity in the short term, and when the humidity increases, the resistance value of the metal oxide semiconductor decreases, and when it increases, the resistance value decreases. However, when the high humidity state continues for a long time, the resistance value of the metal oxide semiconductor increases.

現在の基準値RSTDとサンプリングした空気中の抵抗値Rairとを比較し（ステップ１４）、 Rair＞Ｋ1・RSTD （Ｋ1は１よりも大きな定数）の場合、基準値RSTDを増加させ、
Rair＜Ｋ2・RSTD （Ｋ2は１未満の正の定数）の場合、基準値RSTDを減少させ、
Rairがこれらの中間の抵抗値の場合、基準値RSTDを変更しない（ステップ１５，１６）。ステップ１４〜１６は３０秒周期で行う必要はなく、例えば１日１回〜１月に１回、より広くは１時間に１回〜１月に１回程度行えばよい。そして基準値RSTDに合わせて警報レベルRbを補正し、例えばRSTD／Rb＝R0／Raとなるように補正する。ただし補正の手法は任意である。ここにR0は空気中の抵抗値の初期値、Raは警報レベルの初期値である。なお警報レベルRbは警報レベルの初期値Ra未満にはしない。図９に示すように、RbをRaよりも増加させた後に、RSTDが低下した場合、Rbはそのままにして低下させ無くても、あるいはRaまでの範囲で低下させても良い。 Compare the current reference value RSTD and the resistance value Rair in the sampled air (step 14). If Rair> K1 · RSTD (K1 is a constant greater than 1), increase the reference value RSTD,
If Rair <K2 · RSTD (K2 is a positive constant less than 1), decrease the reference value RSTD,
When Rair is an intermediate resistance value, the reference value RSTD is not changed (steps 15 and 16). Steps 14 to 16 need not be performed in a cycle of 30 seconds, and may be performed, for example, once a day to once a month, more broadly about once an hour to about once a month. Then, the alarm level Rb is corrected according to the reference value RSTD, for example, so that RSTD / Rb = R0 / Ra. However, the correction method is arbitrary. Here, R0 is the initial value of the resistance value in the air, and Ra is the initial value of the alarm level. The alarm level Rb is not less than the initial alarm level Ra. As shown in FIG. 9, when RSTD decreases after increasing Rb above Ra, Rb may be left as it is without decreasing, or may be decreased within the range up to Ra.

実施例では以下の効果が得られる。
1) 中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値のドリフトを補正できる。
2) 湿度が低湿ではないことを判別して補正するので、低湿中で何からの原因で抵抗値がドリフトしても、補正することは無い。
3) 湿度センサ等は不要で、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサの信号を用いて、湿度が低湿ではないことを判別できる。
4) 補正は抵抗値の増加を補正する側に行うので、誤検出の原因となる可能性はあるが、検出対象ガスを見逃す原因とはならない。 In the embodiment, the following effects can be obtained.
1) The resistance drift of metal oxide semiconductors at medium and high humidity can be corrected.
2) Since it is determined and corrected that the humidity is not low, there is no correction even if the resistance drifts for any reason in low humidity.
3) A humidity sensor is not required, and it can be determined that the humidity is not low by using the signal of the MEMS metal oxide semiconductor gas sensor.
4) Since correction is performed on the side that corrects the increase in resistance value, it may cause false detection, but it does not cause detection gas to be missed.

S MEMS金属酸化物半導体ガスセンサ
E1 電池
T1,T2 スイッチ
RL 負荷抵抗
μ１ マイクロコンピュータ
F フィルタ

１ Siチップ
２ 空洞部
３ 架橋部
４ ヒータ
５ 金属酸化物半導体
１２ ヒータドライブ
１４ Vcドライブ
１６ ADコンバータ
１８ 波形解析部
２０ 基準値更新部
２２ 警報レベル発生部
２４ ガス検出部
２６ 外部出力
２８ 不揮発性メモリ
３０ 湿度センサドライブ
３２ カレンダー部 S MEMS Metal oxide semiconductor gas sensor
E1 battery
T1, T2 switch
RL Load resistance μ1 Microcomputer
F filter

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Si chip 2 Cavity part 3 Bridging part 4 Heater 5 Metal oxide semiconductor 12 Heater drive 14 Vc drive 16 AD converter 18 Waveform analysis part 20 Reference value update part 22 Alarm level generation part
24 Gas detector 26 External output 28 Non-volatile memory 30 Humidity sensor drive 32 Calendar unit

Claims (5)

Siチップの空洞部上の架橋部もしくはダイアフラムに、ガスにより抵抗値が変化する膜状の金属酸化物半導体と、前記金属酸化物半導体を加熱する膜状のヒータ、とが設けられ、かつフィルタを有するMEMS金属酸化物半導体ガスセンサと、
前記ヒータへ電力を供給し、前記金属酸化物半導体を室温からガスの検出温度へ加熱するヒータドライブと、
前記金属酸化物半導体に直列に接続されている負荷抵抗と、
前記金属酸化物半導体と負荷抵抗との直列片に検出電圧を加えるVcドライブと、
前記負荷抵抗に加わる電圧もしくは前記金属酸化物半導体に加わる電圧をAD変換することにより、前記金属酸化物半導体の抵抗値を表すセンサ出力をサンプリングする、ADコンバータと、
周囲の湿度が低湿ではないことを判別する湿度判別手段と、
周囲の湿度が低湿ではなく、かつ空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が増加している際に、前記検出温度で、所定濃度の検出対象ガス中での、金属酸化物半導体の抵抗値を表す警報レベルを増加させる警報レベル発生部、
とを有するガス検出装置。 The bridge portion or diaphragm on the cavity of the Si chip is provided with a film-like metal oxide semiconductor whose resistance value is changed by gas, and a film-like heater for heating the metal oxide semiconductor, and a filter. A MEMS metal oxide semiconductor gas sensor having
A heater drive for supplying electric power to the heater and heating the metal oxide semiconductor from room temperature to a gas detection temperature;
A load resistance connected in series to the metal oxide semiconductor;
A Vc drive that applies a detection voltage to a series piece of the metal oxide semiconductor and a load resistor;
By sampling the sensor output representing the resistance value of the metal oxide semiconductor by AD converting the voltage applied to the load resistance or the voltage applied to the metal oxide semiconductor, an AD converter;
Humidity determination means for determining that the ambient humidity is not low; and
When the ambient humidity is not low and the resistance value of the metal oxide semiconductor in the air is increasing, the resistance of the metal oxide semiconductor in the detection target gas at a predetermined concentration at the detection temperature. An alarm level generator that increases the alarm level representing the value,
A gas detection device. 前記湿度判別手段は、前記金属酸化物半導体を室温から昇温させた際に、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数が、所定時間以上であることから、低湿ではないことを判別するように構成されていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。   The humidity determining means determines that the humidity is not low because a time constant at which the resistance value of the metal oxide semiconductor decreases when the temperature of the metal oxide semiconductor is raised from room temperature is equal to or longer than a predetermined time. The gas detection device according to claim 1, wherein the gas detection device is configured as described above. 周囲の湿度を検出する湿度センサを備えていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。   The gas detection device according to claim 1, further comprising a humidity sensor that detects ambient humidity. 季節を判別するためのタイマから成るカレンダーを備えていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。   The gas detection apparatus according to claim 1, further comprising a calendar including a timer for determining a season. 警報レベルの初期値を記憶するメモリを備え、
空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が増加したため警報レベルを増加させた後に、空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が減少している際に、警報レベルを初期値以上に保つように、前記警報レベル発生部が構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのガス検出装置。 It has a memory that stores the initial value of the alarm level,
When the resistance level of the metal oxide semiconductor in the air is decreased and the resistance level of the metal oxide semiconductor in the air is decreased after the alarm level is increased because the resistance value of the metal oxide semiconductor in the air has increased. The gas detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the alarm level generation unit is configured to maintain.
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