技术领域
[0001] 本公开涉及气体传感器。更详细地，本公开涉及至少具备对包含检测对象的气体成分的空气进行吸引的吸引器的气体传感器。
相关背景技术
[0002] 在专利文献1中，公开了一种可燃性气体浓度测定装置，包含：气体吸气单元，对可燃性气体进行吸气；空气吸气单元，对空气进行吸气；混合部，将气体和空气混合；气体传感器，检测气体的浓度；和泵，将气体提供给气体传感器。在该气体传感器中，能够通过吸气单元和泵来将存在于检测对象的空间的气体提供给气体传感器，通过气体传感器来检测气体的浓度。
[0003] 在先技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1：日本特开2006‑119061号公报
具体实施方式
[0012] (1.概要)
[0013] 以下，参照图1来说明本实施方式的气体传感器100。其中，下述的实施方式仅仅是本公开的各种实施方式的一部分。下述的实施方式若能够达成本公开的目的，则能够根据设计等来进行各种变更。此外，下述的实施方式中说明的各附图是示意性的附图，图中的各结构要素的大小以及厚度各自的比未必反映实际的尺寸比。
[0014] 本实施方式的气体传感器100构成为：在暴露于包含检测对象的气体成分例如挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds)的气氛的情况下，至少对检测对象的挥发性有机化合物进行检测。本实施方式的气体传感器100具备：吸引口10、容器11、气体传感器阵列12、吸引器13a。吸引器13a具有至少一个吸引部13。第一吸引是经由吸引口10来向气体传感器阵列12传送空气中包含的气体成分。第二吸引是以比第一吸引小的流量向气体传感器阵列12传送空气中包含的气体成分。吸引部13同时重叠进行第一吸引和第二吸引。通过第二吸引来使气体传感器阵列12进行动作。
[0015] 在本实施方式中，吸引口10与容器11连通，通过吸引口10来向容器11吸引包含挥发性有机化合物的空气。在容器11的一端设置气体传感器阵列12。通过气体传感器阵列12对空气中包含的挥发性有机化合物进行检测。通过吸引部13，经由吸引口10来将空气送向容器11。
[0016] 吸引部13在感知对象的空气存在的空间中，从吸引口10吸引空气。本公开中所谓的气体成分例如可包含生物、食物、机械、人体发出的臭味、对人来讲感到不快的气体成分。
[0017] 吸引部13作为第一吸引，对经由吸引口10而从气体传感器100的外部向处于容器11的内部的气体传感器阵列12传送的空气之中占大部分的空气进行吸引。并且，通过气体传感器阵列12来感知吸引的空气中的气体成分。
[0018] 吸引部13作为第二吸引，以比第一吸引小的流量，向气体传感器阵列12传送气体成分。第二吸引通过与第一吸引重叠，能够对第一吸引添加调制。
[0019] 气体传感器阵列12具有针对气体成分例如挥发性有机化合物的反应相互不同的多种气体传感器元件12a，多个气体传感器元件12a被排列为一维、二维或者三维。在图1所示的气体传感器阵列12中，16种气体传感器元件12a被二维地排列。根据气体成分而从气体传感器阵列12输出的信号形成多个气体传感器元件12a的输出被一维、二维或者三维地排列而构成的模式(pattern)。例如通过机器学习算法来识别该形成的模式，从而对导入的空气中的气体成分的种类以及浓度进行感知。通过识别模式，从而对导入的空气中的挥发性有机化合物的组合进行感知。
[0020] 气体传感器100将气体成分与构成气体传感器阵列12的各个气体传感器元件的反应转换为电信号。从气体传感器元件输出的信号能够成为与气体成分的反应、特别是吸附较大的重要因素。作为吸附现象中最重要的物理量即吸附量n根据平衡温度T、压力P，通过n＝F(P，T)来定义。
[0021] 另一方面，根据伯努利的定理，在流体的速度、压力和外力的势能的关系中，力学的能量被保存。因此，众所周知从气体传感器元件12a输出的信号根据包含气体成分的流体的速度即流量而变化。换句话说，由于通过第一吸引以及第二吸引而产生的空气的流动，从气体传感器元件12a输出的信号可能会变化。由于通过第一吸引以及第二吸引而产生的空气的压力，从气体传感器元件12a输出的信号可能会变化。
[0022] 此外，在本实施方式中，气体传感器阵列12使用机器学习算法。一般地，已知预先取得的学习数据的数据数量越多，检测精度越容易提高。吸引部13通过第一吸引来向气体传感器阵列12传送空气。进一步地，通过第二吸引，以比第一吸引小的流量，并且将第二吸引与第一吸引重叠，从而向气体传感器阵列12传送空气。除了基于第一吸引的空气的流动，还添加基于第二吸引的新的空气的流动，从而针对包含相同的挥发性有机化合物的空气，也能够生成用作为学习数据的较多的多个模式。相比于以一定的流速从外部导入空气，具有容易提高检测对象的挥发性有机化合物的检测精度的优点。除了基于第一吸引的空气的压力变化，还添加基于第二吸引的新的空气的压力的变化，针对包含相同的挥发性有机化合物的空气，也能够生成用作为学习数据的较多的多个模式。相比于以一定的压力从外部导入空气，具有容易提高检测对象的挥发性有机化合物的检测精度的优点。
[0023] (2.详细)
[0024] 以下，对本实施方式的气体传感器100详细进行说明。图2至图4是气体传感器100的动作原理的说明图，是表示送到气体传感器阵列12的空气的流量的概念图。以下，着眼于包含多种吸引部13的气体传感器中的一个气体传感器100来进行说明。
[0025] 吸引口10是连通大气和容器11的开口。是用于从气体传感器100的外部向容器11获取包含作为检测对象的挥发性有机化合物的空气的开口。虽然将吸引口10的个数设为1个，但气体传感器100也可以具有分别从气体传感器100的外部向容器11获取空气的多个吸引口10。在吸引口10，设置限制流量的开闭阀或者流量控制装置。
[0026] 容器11是对包含挥发性有机化合物的空气进行容纳的空间。此外，容器11是用于在内部设置气体传感器阵列12的空间。容器11为了抑制挥发性有机化合物的吸附，能够由玻璃、工程塑料、硅、金属、碳材料、陶瓷、特氟龙(注册商标)构成。容器11的形状可以是圆筒形、纺锤形，长方形。为了高效地更换传送的空气，容器11的容积可以是1000mL以下，更加优选为100mL以下。
[0027] 气体传感器阵列12具备多种气体传感器元件12a。气体传感器元件例如是半导体式传感器、电化学式传感器、表面弹性波元件、场效应晶体管生物传感器(FET生物传感器)、化学电阻变化传感器或者光学传感器。在本实施方式中，气体传感器阵列12具备具有相互不同的检测特性的多个气体传感器元件12a。由此，能够根据挥发性有机化合物，使用从气体传感器阵列12输出的信号来进行模式识别。气体传感器阵列12至少包含两种以上的气体传感器元件12a。为了使信号处理容易，能够包含2的乘数、例如4种、8种、16种的气体传感器元件12a。气体传感器阵列12能够包含相同种类的多个气体传感器元件12a。
[0028] 吸引部13包含：延伸泵、螺旋桨泵、粘性泵、往复式泵、旋转泵、柱塞泵、齿轮泵、螺旋泵、叶轮泵、蜗壳泵、涡轮泵、轴流泵、斜流泵、级联泵、隔膜泵、西洛克风扇、桨叶风扇、涡轮风扇、斜流风扇、轴流风扇、横流风扇。
[0029] 吸引部13作为第一吸引，能够使用具有连续传送大量的空气的能力的非容积式泵。通过使用非容积式泵能够将旋转机械所具有的动能变化为传送气体的动能，因此能够高效地传送气体。
[0030] 吸引部13作为第二吸引，能够使用能够定量地传送微量的空气的容积式泵。容积式泵能够将机械能量直接变换为传送气体的势能，因此自给能力较高。吸引部13能够将非容积式泵与容积式泵组合。优选进行第二吸引的容积式泵的最大排出量比进行第一吸引的非容积式泵的最大排出量小。
[0031] 为了抑制挥发性有机化合物污染吸引部13的内表面，优选吸引部13设置于容器11的下游侧。吸引部13为了高效地向气体传感器阵列12传送空气，也可以设置于容器11的内部。
[0032] 吸引部13优选10L/分钟以下的流量，或优选1L/分钟以下的流量，以使得能够向气体传感器阵列12传送充足量的挥发性有机化合物。吸引部13具有能够在1分钟以下更换存在于容器11的内部的几乎全部的空气的流量，以使得能够缩短检测时间。吸引部13优选能5
够将容器11的压力设为大气压、即1.0×10Pa以上。吸引部13为了能够更多地得到通过气体传感器阵列12而得到的模式的数量，能够使容器11的内部减压。
[0033] 吸引部13的至少一部分能够执行脉动少的吸引。通过执行脉动少的吸引，能够有效地执行重叠的其他的吸引。另外，所谓脉动少，是指表示瞬间流速相对于时间为几乎一定的值。例如，为了减少脉动，能够使用多连型往复式泵。具体地说，通过使用3台隔膜泵，将3个偏心轴各偏置120度，能够使从各泵吸引的吸引波形为直线状。为了减少脉动也可以使用空气室即脉动衰减器。所谓空气室，是指利用容器内的空气的压缩性来抑制往复泵的脉动，制作稳定的气体的流动的机构。
[0034] 吸引部13能够包含非容积式的轴流风扇。轴流风扇通过叶轮的旋转而被连续吸引，因此可抑制脉动。
[0035] 所谓第一吸引，对经由吸引口10而从气体传感器100的外部向设置于容器11的内部的气体传感器阵列12传送的空气之中占大半的空气进行吸引。图2表示气体传感器阵列12的位置处的瞬间流量的时间变化。作为第一吸引，吸引部13在时间t1至时间t2的期间，吸引流量V1的空气。优选流量V1一定。
[0036] 所谓第二吸引，对经由吸引口10而从气体传感器100的外部向设置于容器11的内部的气体传感器阵列12传送的空气之中占一部分的空气进行吸引。作为第二吸引，吸引部13以比第一吸引小的流量，吸引空气，以使得与第一吸引重叠。如图2所示，作为第二吸引，吸引部13在时间t1至时间t2的期间，将流量ΔV的变动与第一吸引重叠。由于流量ΔV容易进行气体感知，因此也可以相对于时间具有一定的周期(参照图2)。流量ΔV也可以相对于时间具有不规则的周期。第二吸引中的流动ΔV可以一定，也可以变化。
[0037] 第二吸引的波形可以如图2所示那样为三角波，也可以如图3所示那样为正弦波。如图3所示，也可以在第一吸引在时间t3到时间t6被执行的区间的一部分，在时间t4到时间t5的期间执行第二吸引。第二吸引如图4所示那样，具有在时间t1到时间t2的期间单调变化的流量ΔV。第二吸引也可以具有单调增加或者减少的流量ΔV。
[0038] 作为第一吸引而被吸引的流量V1比作为第二吸引而被吸引的流量ΔV小。流量ΔV相对于流量V1的比ΔV/V1设为3以上，从而能够容易从气体传感器阵列12得到模式。流量V1设定为能够向容器11适量地吸入空气，向气体传感器阵列12进行传送。
[0039] (3.动作)
[0040] 以下，参照图2对本实施方式的气体传感器100的动作、换句话说气体感知方法的一连串的流程的一个例子进行说明。首先，气体传感器100在预先进行了气体传感器100的动作准备后，在时间t1开始第一吸引的执行。在第一吸引的执行开始后开始执行第二吸引。第一吸引的执行开始与第二吸引的执行开始也可以同时。
[0041] 然后，在执行第二吸引的期间，在图2所示的测定点20a通过气体传感器阵列12来进行空气中包含的挥发性有机化合物的感知。在执行第二吸引的期间，在多个测定点20a、20b、20c、20d进行挥发性有机化合物的感知。测定点至少是2点以上。如图2所示，在多个测定点20a、20b、20c、20d，从气体传感器阵列12得到各个模式21a、21b、21c、21d。图2所示的模式21a、21b、21c、21d中，黑点表示与气体成分反应并输出信号的气体传感器元件12a，白点表示不与气体成分反应并不输出信号的气体传感器元件12a。
[0042] 本公开中所谓的“模式”，是构成气体传感器阵列12的多个气体传感器元件12a的响应的集合。模式21a、21b、21c、21d根据流量而分别相互不同。模式21a、21b、21c、21d之中的一部分的模式也可以相互相同。气体传感器元件12a的响应可以是平衡状态的响应，也可以是过渡状态的响应。
[0043] 接下来，结束第二吸引。进一步地，结束第一吸引。第一吸引与第二吸引也可以同时结束。
[0044] 在本实施方式中，能够在区分第一吸引和第二吸引的基础上，感知空气中包含的挥发性有机化合物。因此，容易通过第一吸引来将空气向容器11吸引，并且对通过第二吸引而吸引的空气中包含的挥发性有机化合物进行感知。
[0045] (4.变形例)
[0046] 上述的实施方式仅仅是本公开的各种实施方式之一。上述的实施方式若能够达成本公开的目的，则能够根据设计等来进行各种变更。以下，列举上述的实施方式的变形例。以下说明的变形例能够适当组合并应用。图5是表示本公开的一实施方式的变形例所涉及的气体传感器100a的概要的俯视图。在图5中，对与图1所示的气体传感器100相同的部分赋予相同的参照编号。
[0047] 在本公开中的气体传感器100a中，吸引器13a包含多个吸引部13。多个吸引部13经由分别连通的流路13b而与容器11连接。也可以在流路13b设置开闭阀或者流量控制装置。
[0048] 如图5所示，气体传感器100a包含对多个吸引部13进行控制的吸引控制部14。吸引控制部14通过对吸引部13赋予吸引控制信号，来控制吸引部13的状态。在本实施方式中，吸引控制部14控制多个吸引部13，以使得在第一吸引以及第二吸引的任一者中，在规定时间成为动作状态。吸引控制部14也可以通过对多个吸引部13之一的吸引部13赋予吸引控制信号，来控制第一吸引以及第二吸引的执行。例如，吸引控制部14也可以控制多个吸引部13，以使得一个吸引部13进行一定的流量的第一吸引，其他的吸引部13进行将第一吸引调制的变化的流量的第二吸引。
[0049] 气体传感器100a具有传感器控制部15。传感器控制部15通过对气体传感器阵列12赋予传感器控制信号，来控制气体传感器阵列12的状态。传感器控制部15也可以从气体传感器阵列12接受输出信号。也可以在传感器控制部15设置存储部。存储部例如具备EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory)等的可电改写的非易失性存储器以及RAM(Random Access Memory)等的易失性存储器等。存储部按照每个规定时间，存储来自气体传感器阵列12的输出信号、吸引部13的动作、气体传感器阵列12的位置处的流量、容器11中的空气的状态的信息例如温度、压力、湿度、表示感知的挥发性有机化合物的种类以及浓度的信息。
[0050] 也可以在气体传感器100a设置流量感知器。流量感知器也可以设置于吸引口10、容器11、吸引部13的一端。
[0051] 如图5所示，气体传感器阵列12也可以设置于距容器11的中心位置11c具有偏离的位置。气体传感器阵列12也可以设置于从连结吸引口10的容器11侧的端面与吸引部13的容器侧的端面的线上具有偏离的位置。在具有多个吸引部13的气体传感器100中，气体传感器阵列12也可以设置于一个吸引部13的附近。
[0052] 吸引部13为了与包含成为感知对象的挥发性有机化合物的空气进行比较，也可以吸引比较用气体。本公开中所谓的“比较用气体”，可以是通过使吸引的空气通过过滤器而得到的气体，也可以通过从吸引口10吸引而得到的气体。此外，本公开中所谓的“比较用气体”也可以是预先储藏于储气瓶的气体。比较用气体例如是净化的空气、氮气、氦气。吸引部13也可以通过第一吸引以及第二吸引来吸引比较用气体。气体传感器阵列12也可以对通过第一吸引以及第二吸引而吸引的比较用气体，取得模式。气体传感器阵列12也可以对通过第一吸引以及第二吸引而吸引的比较用气体中包含的挥发性有机化合物进行感知。
[0053] (5.总结)
[0054] 如以上所述，第1方式所涉及的气体传感器具有：吸引口、容器、气体传感器阵列、吸引部。吸引部将经由吸引口而向气体传感器阵列传送空气中的气体成分的第一吸引、和以比第一吸引小的流量向气体传感器阵列传送气体成分的第二吸引重叠，通过第二吸引来使所述气体传感器阵列进行动作。
[0055] 通过该方式，具有容易提高感知对象的气体成分即挥发性有机化合物的检测精度这一优点。
[0056] 在第2方式所涉及的气体传感器中，吸引部是多个，通过多个吸引部之中的至少一个吸引部来进行第二吸引。
[0057] 通过该方式，由于通过至少一个吸引部能够形成比第一吸引小的流量的流动，因此具有容易吸引空气这一优点。
[0058] 在第3方式所涉及的气体传感器中，气体传感器阵列针对通过第二吸引而吸引的空气中包含的气体成分取得多个模式。
[0059] 通过该方式，气体传感器阵列能够取得多个模式，因此具有能够提高检测精度这一优点。
[0060] 第4方式所涉及的气体传感器的对吸引部的动作状态进行控制的吸引控制部向控制气体传感器阵列的传感器控制部提供信号。
[0061] 通过该方式，具有反映吸引部的动作状态，能够通过气体传感器阵列来高效地取得模式这一优点。
[0062] 在第5方式所涉及的气体传感器中，吸引部对包含气体成分的空气、用于与空气的比较的比较用气体进行吸引。
[0063] 通过该方式，由于能够以比较用气体为基准来检测气体成分，因此具有能够提高检测精度这一优点。
[0064] 关于第2～第5方式所涉及的结构，不是气体传感器所必须的结构，能够适当省略。
[0065] 产业上的可利用性
[0066] 本公开的气体传感器在各种的气体或者气味的检测中有用。
[0067] ‑符号说明‑
[0068] 100 气体传感器
[0069] 10 吸引口
[0070] 11 容器
[0071] 12 气体传感器阵列
[0072] 13 吸引部
[0073] 14 吸引控制部
[0074] 15 传感器控制部
[0075] 20a、20b、20c、20d 测定点
[0076] 21a、21b、21c、21d 模式。
