JP2000500861A - センサの呼び掛け - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 センサの呼び掛け方法が記載され、それは、センサに周期的電気信号を加える工程と、そこから信号を取得する工程と、取得した信号を処理して複数の周波数におけるセンサ応答を取得する工程と、を備え、前記処理は前記信号の周波数領域への変換または前記信号に関連する量への変換を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 センサの呼び掛け 本発明は、センサの呼び掛けのための方法および装置に関し、特に−排他的で はないが−半導体有機ポリマーに基づくガスセンサに関連する。 ガス感知応用分野における半導体有機ポリマーの使用に大きな現在の関心があ り、それは、そのようなポリマーが迅速なガス吸収／脱離速度論、比較的高い感 度、および人間の嗅覚システムの反応を広く擬態した反応を示すからである（例 えば、Persaud KC,Bartlett JGおよびPelosi Pの“ロボットおよび生物学的シス テム：新たな生体工学へ向けて？”、Eds.Dario P、Sandini GおよびAebisher P 、NATO ASI series F：コンピュータおよびシステムサイエンス102(1993)579を 参照）。典型的なセンサは、少なくとも半導体有機ポリマーの一層により橋絡さ れた一組の電極を備え;通常、センサの直流抵抗の変化を測定することにより変 換が達成され、これらの変化はガス状の種のポリマーへの吸着により引き起こさ れる。 英国特許GB2203553は改善された呼び掛け方法を開示し、そこでは交流電気信 号をセンサに印加し、抵抗、リアクタンス、またはキャパシタンスなどの交流イ ンピーダンス量の変化を交流周波数の関数として測定する。このアプローチの一 つの長所は、単一のセンサから得られる情報の増加である：直流変換手法と共に 行われる単一の測定とは対照的に、複数の測定がなされる（種々の交流周波数に おいて）。しかし、交流周波数の掃引は比較的煩わしいプロセスであり、高価な インピーダンスアナライザを必要とする。 本発明はセンサの多周波数測定を実行する改善された手段を提供し、それにお いては、時間領域測定手法が周波数領域への適切な変換を伴う。 本発明の一つの観点によれば、センサの呼び掛け方法が提供され、その方法は 、センサに周期的電気信号を加える工程と、そこから信号を取得する工程と、取 得した信号の処理を実行して複数の周波数におけるセンサ応答を取得する工程と 、を備え、前記処理は前記信号の周波数領域への変換または前記信号に関連する 量への変換を含む。 センサを、ガスセンサとし、半導体有機ポリマーを含むように構成することが できる。 その代わりに、ガスセンサを、金属酸化物、バルク音波または弾性表面波デバ イスを含むように構成することができる。 周期的電気信号を疑似ランダム２進信号（ＰＲＢＳ）とし、ｍ系列の形態とす ることができる。 周期的電気信号はゴレー(Golay)符号、ウォルシュ(Walsh)関数またはあらゆる 関連する周期的符号とすることができる。 処理はフーリエ変換を含むことができる。 多周波数センサ応答関数を取得するために相互相関を使用することができる。 センサ応答は、前記信号の干渉性復調により取得することができる。 その代わりに、多周波数センサ応答関数を取得するために共分散を使用するこ とができる。 本発明の第２の観点によれば、センサ呼び掛け装置が提供され、その装置は、 前記センサに周期的電気信号を加える周期的電気信号生成手段と、前記センサか ら電気信号を取得する信号収集手段と、および、取得した電気信号を周波数領域 に変換するように構成された時間−周波数領域変換手段と、を備える。 センサをガスセンサとし、半導体有機ポリマーを含むように構成することがで きる。 その代わりに、ガスセンサを金属酸化物、バルク音波または弾性表面波デバイ スとすることができる。 信号収集手段は負荷抵抗を有することができる。 時間−周波数領域変換手段は、干渉性復調手段を有することができる。 時間−周波数領域変換手段は、フーリエ変換の実行に適する手段を有すること ができる。 周期的電気信号生成手段は、ＰＲＢＳ発生器を有することができ、それ自身が シフトレジスタを有することができる。 周期的電気信号生成手段は、ゴレー符号、ウォルシュ関数発生器またはあらゆ る関連する周期的符号の発生器を有することができる。 本発明による方法および装置の実施形態を添付図面を参照して以下に説明し、 添付図面 において： 図１は、呼び掛け装置の第１実施形態を示し； 図２は、干渉性復調器を示し； 図３は、多周波数データ取得カードの回路図を示し； 図４は、ａ）入力ＰＲＢＳ全体、およびｂ）その拡大部分を示し； 図５は、図４ａの入力ＰＲＢＳのフーリエ変換を示し； 図６は、ａ）センサを空気にさらした時の出力ＰＲＢＳ全体、およびｂ）その 拡大部分を示し； 図７ａおよび７ｂは、図６ａの出力ＰＲＢＳのフーリエ変換スペクトルを示し ； 図８は、ａ）センサをメタノール蒸気にさらした時の出力ＰＲＢＳ全体、およ びｂ）その拡大部分を示し； 図９ａおよび９ｂは、図８ａの出力ＰＲＢＳのフーリエ変換スペクトルを示し ；および 図１０は、センサを、ａ）空気、およびｂ）メタノール蒸気にさらした時に得 られた散逸率を示す。 図１および２は、センサの呼び掛け方法および装置を示し、そこでは： 周期的電気信号をセンサに加え； そこから信号を取得し；および 前記信号を干渉的に復調して複数の周波数におけるセンサ応答を取得する。 図１は、ガスセンサ１２についての本発明による呼び掛けシステムを示し、そ れはＰＲＢＳ発生器１０、負荷抵抗１４、および干渉性復調器１６を備える。そ のシステムはさらに、タイミングおよび制御回路１８、データ取得カード２０、 電源２２およびガスサンプリングシステム２４を備える。 電源２２は、ＰＲＢＳ発生器１０、干渉性復調器１６、タイミングおよび制御 回路１８、データ取得カード２０、ならびにガスサンプリングシステム２４のた めの電力を提供する。タイミングおよび制御回路１８は、ＰＲＢＳ発生器１０の ための安定なクロックパルスを提供し、水晶発振器およびプログラマブル分周器 （図示せず）を介して干渉性復調器１６のための中間周波数（以下に定義する） を提供する。回路１８はさらに、ガスサンプリン グシステム２４およびデータ取得カード２０を制御するための制御信号を提供す る。システムの機能は、ｉ）多周波数センサ１２の応答を導き出すこと、および 、ｉｉ）センサをガスにさらした時のこの応答の変化を監視すること、である。 ガスサンプリングシステム２４は、関心のあるガスへのそのようなセンサ１２の 露出を可能とし、センサ１２の清掃および基準ガス（清掃ガスとすることができ る）の導入を可能とする。 ＰＲＢＳ発生器１０は、タイミングおよび制御回路１８からクロックパルスを 受け取り、Ｎ＝２^n-1の最大長系列（ｍ系列）を生成し、ここでｎは整数であり 、この例では４である。クロック周波数がｆ_cであり、対応する時間間隔Δｔを 伴うとならば、発生されるＰＲＢＳは以下に示す周期Ｔ_oを有し； 対応する基本周波数ｆ_pは： 中間周波数、または倍振動数ｆ_iは、 であり、ここでｉ＝１、２、．．．．．２ⁿ−２である。 この第１実施形態において、ＰＢＲＳ発生器１０は、４重２入力排他的論理和 ゲートを伴う４ビット並列アクセスシフトレジスタである。ＯＲゲートは、シフ トレジスタの第３および第４ビットの排他的論理和結合によりシフトレジスタへ の入力信号を生成し、そうしてその回路は１５の状態の最大を経験する。 それにより生成されたＰＲＢＳはセンサ１２へ与えられ、そのセンサ１２は、 ポリピロールなどの半導体有機ポリマーが２つの金属電極上またはその間に蒸着 されて電気的接続 を実現するようなタイプとすることができる。次に、負荷抵抗に加わる信号を、 干渉性復調器１６により、中間周波数ｆi＝ｆc／ｉで干渉的に復調し、ここでｉ ＝１、２、．．．．８（すなわち、高調波が−３ｄＢまで採用される）。それに より、これらの周波数におけるセンサ応答が得られる。 干渉性復調器（本質的には２チャンネル相互相関演算器である）の概略図を図 ２に示す。入力２６−負荷抵抗１４に加わる電圧−が一つのチャンネルでsin(w_i )と乗算され、第２のチャンネルでcos(w_i)と乗算され、ここでｗ_iは周期的振動 数ｆ_iに対応する角振動数である。これらの乗算機能は、プログラム可能な４チ ャンネルオペアンプに基づいて直角振幅変調器により実行される。変調信号は２ 次のアクティブローパスフィルタ２８、３０により低域フィルタされ、加算オペ アンプ３２により相互に加算される。 結果として得られる、変調器１６からの出力信号は、適当なレートでサンプル され、ディジタル信号に変換され、データ取得カード２０によりメモリ内にロー ドされる。更なる処理および表示のために、そこからデータをコンピュータへ送 ることができる。変調器１６を使用して選択周波数におけるシステム応答を取得 することができ、または一組のラインを選択し、復調を並行して行う。位相角デ ータから更なる情報を得ることができる。 周期的信号の２つの主要な長所は、ノイズ中でそれらを認識することの容易さ 、および、それらが提供するシステム応答−この場合はセンサの多周波数応答− の実質的に非バイアスの推定である。そのような周期的信号の特に好ましい実施 形態は、疑似ランダム２進信号であり、それは、そのパルス形状が決定性である ので、系列の開始時刻および長さが既知であれば希望に応じて再生成することが できる。 ＰＲＢＳ系列の周波数は、使用されるガスセンサにより命ぜられる。典型的に 、０．１−１．０ＭＨｚの範囲内の周波数が要求されるが、この範囲を限定的な ものと考えるべきではない。μＨｚから１００ＭＨｚの間、またはそれ以上の周 波数を普通に生成することができる。ＰＲＢＳは好ましくは±０．１から１．０ Ｖの間の電圧レベルにおいて双極性であるが、これも限定的な要求であると考え るべきではない。 第２実施形態においては、４センサの半導体有機ポリマーアレイを多周波数取 得カードに接続する。図３はそのカードの回路図である。ＰＲＢＳがＰＲＢＳ発 生器（図示せず） により生成され、ＰＲＢＳ入口３４および取得入口３６を通じてカードへ入力さ れる。この段階ではＰＲＢＳ信号は０−５ＶのＴＴＬ信号の形態である。回路３ ８がこの入力信号を、振幅±０．２５Ｖの双極性ＰＲＢＳコードに変換する。単 極性信号はセンサ出力にドリフトを生じさせるので、双極性信号の使用が好まし い。 回路４０は、同調インダクタ４２およびＤＩＰスイッチ４４を有し、４センサ アレイ（図示せず）中のあらゆる選択されたセンサへのＰＲＢＳの適用を制御す る。選択されたセンサからの電圧出力は１０ＫΩの負荷抵抗４６を通じて取得さ れる。回路４８は、最大レンジ±２Ｖの双極性出力を生成する。この出力は、コ ンピュータでの記憶のために取り出される。その後の分析もコンピュータ上で実 行される。 コンピュータは、システムの変数を制御するソフトウェアをもサポートする。 この例では、１６のシフトレジスタ段が使用され（タップポイントは第４段）、 ６５５３５クロックパルスの系列長を生成する。ＡＤＣプリスケーラを２０ＭＨ ｚの取得周波数に設定し、８のＰＲＢＳプリスケーラ値を使用した（すなわち、 シフト周波数は２．５ＭＨｚであり、各データポイントは０．４μｓに対応する ）。 図４ａは、ガスセンサに適用されるＰＲＢＳ全体を示す。このスケールにおい て、そのような図示はあまり意味深いものではない。図４ｂはＰＲＢＳ列の拡大 部を示す。 図５は、コンピュータにより図４ａのＰＲＢＳに対して高速フーリエ変換（Ｆ ＦＴ）を実行した場合に得られるスペクトルを示す。これは、センサ入力の周波 数領域等価物である。ＰＲＢＳは、エネルギーを主として約２００ＫＨｚまでの 領域に集中することを意図している。 図６は、センサを空気にさらした時の、負荷抵抗４６に渡って測定したセンサ 出力を示す（図１に関して説明したのと同様のガスサンプリングシステムを使用 した）。図６ａは完全なＰＲＢＳ出力−それはこのレベルの解像度においてさえ も図４ａの入力信号と明確に異なる−を示し、図６ｂは拡大部を示す。興味深い ことに、デルタ関数に類似したＰＲＢＳのスパイクは、ここでは外観において幾 分歪んでいる：これは、疑いなく、センサの有限インダクタンスおよびキャパシ タンスによるものである。図７ａおよび７ｂは、図６ａのデータにＦＦＴを実行 することにより得られる周波数領域スペクトルを示す。 図８ａおよび８ｂは、センサをメタノール蒸気にさらした時に得られる時間領 域出力信号を示す。図９ａおよび９ｂは、図９ａに示す出力に対してＦＦＴを実 行した時に得られる、対応する周波数領域スペクトルを示す。明らかに、このス ペクトルは空気中で得られたスペクトル（図７ａ）と異なり、この呼び掛け手法 がガス感知データを生成できることを示している。興味深いことに、図９ａの周 波数スペクトルの絶対的パワー、および図８ａの出力信号振幅は、空気について 得られた対応する値よりも小さい。これは、センサをメタノールにさらした時に 、従来の直流抵抗呼び掛け手法を使用して得た直流抵抗の増加と一貫している。 図１０ａおよび１０ｂは、それぞれ空気中およびメタノール中で得られた散逸 率を示す。散逸率は、周波数応答の実部を周波数応答の虚部で除することにより 得られる（０．０１のインクリメントを加えて、特異点の発生を防止する）。明 確に異なるピーク散逸率、すなわち、空気について約６０ＫＨｚ、メタノールに ついて約１５０ＫＨｚのピーク散逸率が得られる。 本発明を上記の例に限定することを意図するものではなく、本発明の視野から 逸脱することなく当業者に容易な多くの変形が可能であることが理解される。例 えば、他の形態の周期的信号をセンサに印加することができる。その例は、ゴレ ー(Golay)コードであり、それは一組の相補的な系列であり、等しい振幅で逆符 号の自己ノイズサイドローブを有する自己相関関数を示す。２つの別個の自己相 関関数の和は理想的なディラック(Dirac)のデルタ関数の正確な近似である（た とえば、Ding ZX and Payne PA,Meas.Sci.Technol.,1(1990)158を参照）。適当 な周期的信号の他の例はウォルシュ(Walsh)関数である。 他の方法を使用して、時間領域ＰＲＢＳ呼び掛けシーケンスから周波数領域応 答スペクトルを得ることができることに注意すべきである。一つのアプローチは 、時間領域ＰＲＢＳ入力ｘ（ｔ）およびセンサ出力ｙ（ｔ）を変換して周波数領 域入力Ｘ（ω）および出力Ｙ（ω）を生成することである。それから、センサの 周波数応答Ｓ（ω）は： 他のアプローチは、時間領域において相互相関付けおよび自己相関付けを行う こと、および、その相関を周波数領域に変換してスペクトル密度関数を生じさせ ることである。時間差τにおけるセンサ出力とＰＲＢＳ入力の間の自己相関関数 がＲ_xy（τ）であるならば、相互スペクトル密度関数Φ_xy（ω）は： であり、ここで実際上、積分の上限および下限は有限である。 ここでシステム応答Ｓ（ω）は： ここで、Φ_xx（ω）はパワースペクトル密度関数である。高速フーリエ変換（Ｆ ＦＴ）などの適切な変換をこれらの目的のために使用することができる。未知の ガスにさらした時のセンサ出力と、空気の基準流の存在中でのセンサ出力との間 の自己相関関数を計算することが望ましい。相互相関の代わりに共分散手法を適 用することができる。 さらに、本発明は半導体有機ポリマーに基づくセンサに限定されず、むしろ、 多周波数信号の適用により呼び掛けが可能なあらゆるセンサに拡張することがで きることに注意すべきである。そのようなセンサは、誘電性として扱われ、その 環境により影響されるあらゆる材料、例えば金属酸化物、非ポリマー半導体、お よび半導体でない有機ポリマーなどを含む。バルク音波および弾性表面波デバイ スも本発明の視野内である。ガス感知に特に関心があるが、もしそれらが、独立 に、もしくはガスまたはガス混合物の存在に対する可能な応答との関連において いずれかの応答を有するならば、本発明の方法および装置を使用することにより 他の作用、例えば温度または圧力などに対するセンサ応答を測定することができ る。いずれにしても、ガス感知における半導体有機ポリマーに基づくセンサの使 用は、臭気および揮発性の種の検出を含み、さらには、そのようなセンサを他の 応用、た とえば液相分析検出などに使用することができることが理解される。 図面を参照して説明した装置は実験室および現場計器に適当であるが、それを 例えばコンピュータ化したタグとして構成して食品の包装に含め、電磁放射技術 を使用して走査してその共振周波数を検出することができ、その共振周波数は包 装中のガスの組成変化により変化すると予測され、それは物品の寿命、もしくは 物品が推奨保管温度を超える温度にさらされてきたか否か、または包装の密閉が 低下したかなどのある他の要素を示すことができる。 関連する回路を伴うそれらのセンサは、安価で製造可能であり、倉庫やスーパ ーマーケットで使用される携帯型走査装置を使用して呼び掛けることができる。 走査装置は種々のセンサの予測される応答を示すデータベースを備えることがで き−たとえば、肉製品に使用するセンサは日常品または包装された野菜に使用さ れるセンサとは全く異なり、異なる特性の応答を有する。 時間領域から周波数領域への変換手段を有する上記のシステムは、呼び掛け信 号に応じてそのようなコンピュータ化されたタグにより放射された信号の分析に 非常に適当であるが、コンピュータ化されたタグは、センサ環境の特定の変化に より生じる認識可能な信号を放出し−または放出しない−特定の分析回路を含む ことができ、そのような他の分析方法を独立に、または本発明の時間領域から周 波数領域への変換に基づく分析との関連において使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 パイン ピーター アルフレッド イギリス国 チェシャー エスケー７ ３ エルエックス ブラムホール マノア ロ ード チェルワース マノア 13 (72)発明者 パーサウド クリシュナ チャンドラ イギリス国 マンチェスター エム21 ７ エヌティー チョールトン マーシー バ ンク アヴェニュー 65

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．センサの呼び掛け方法において、 センサに周期的電気信号を加える工程と、 そこから信号を取得する工程と、 取得した信号を処理して複数の周波数におけるセンサ応答を取得する工程と、 を備え、前記処理は前記信号の周波数領域への変換または前記信号に関連する量 への変換を含む方法。 ２．前記センサはガスセンサである請求項１に記載の方法。 ３．前記ガスセンサは、半導体有機ポリマーを含む請求項２に記載の方法。 ４．前記ガスセンサは、金属酸化物、バルク音波または弾性表面波デバイスを含 む請求項２に記載の方法。 ５．前記周期的電気信号は、疑似ランダム２進信号である請求項１乃至４のいず れかに記載の方法。 ６．前記疑似ランダム２進信号は、ｍ系列の形態である請求項５に記載の方法。 ７．前記周期的電気信号はゴレー符号、ウォルシュ関数またはあらゆる関連する 周期的符号である請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。 ８．前記処理はフーリエ変換を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。 ９．多周波数センサ応答関数を取得するために相互相関を使用する請求項１乃至 ８のいず れかに記載の方法。 １０．前記センサ応答は、前記信号の干渉性復調により取得される請求項１乃至 ７のいずれかに記載の方法。 １１．多周波数センサ応答関数を取得するために共分散を使用する請求項１乃至 ７のいずれかに記載の方法。 １２．センサ呼び掛け装置において、 前記センサに周期的電気信号を加える周期的電気信号生成手段と、 前記センサから電気信号を取得する信号収集手段と、および 取得された電気信号を周波数領域に変換するように構成された時間−周波数領 域変換手段と、を備える装置。 １３．前記センサはガスセンサである請求項１２に記載の装置。 １４．前記ガスセンサは半導体有機ポリマーを含む請求項１３に記載の装置。 １５．前記ガスセンサは、金属酸化物、バルク音波または弾性表面波デバイスで ある請求項１３に記載の装置。 １６．前記信号収集手段は負荷抵抗を有する請求項１２乃至１５のいずれかに記 載の装置。 １７．前記時間−周波数領域変換手段は、干渉性復調手段を有する請求項１２乃 至１６のいずれかに記載の装置。 １８．前記時間−周波数領域変換手段は、フーリエ変換の実行のために適する手 段を有す る請求項１２乃至１６のいずれかに記載の装置。 １９．周期的電気信号生成手段は、疑似ランダム２進信号発生器を有する請求項 １２乃至１８のいずれかに記載の装置。 ２０．前記疑似ランダム２進信号発生器はシフトレジスタを有する請求項１９に 記載の装置。 ２１．前記周期的電気信号生成手段は、ゴレー符号、ウォルシュ関数発生器また はあらゆる関連する周期的符号の発生器を有する請求項１２乃至１８のいずれか に記載の装置。