JP2001521149A - Ｓａｗセンサ - Google Patents

Ｓａｗセンサ

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Abstract

(57)【要約】 本発明は少なくとも２つの発振性の受動素子から成るセンサに関しており、このセンサは測定発振器としての発振器を有しており、この発振器は検査すべき媒体が供給ないし除去されるケーシング内に配置されている。本発明の目的は、発振器のクロストークが回避されるセンサを提供し、感度の低下および長い無駄時間のないようにすることである。この目的を解決するために、発振器回路はそれぞれ少なくとも１つの可変の位相シフト素子を有している。これにより位相の変化領域は、増幅器が動作する際に各発振器をスイッチオンまたはおよびスイッチオフすることができるだけの充分な大きさとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に記載のセンサに関する。このセンサはドイツ
連邦共和国特許出願第４４１７１７０号明細書から公知である。
【０００２】 修正された音響表面波素子またはサーフィスアコースティックウェーブＳＡＷ
素子を気体または液体の化学的センシングに使用可能である。というのはこの素
子には相応の化学反応によるコーティング部が設けられているからである。分析
物を吸収または吸着すると、このコーティング部の物質とその弾性パラメータは
変化し、これにより表面波の音速も同様に変化する。表面波の音速の変化をでき
る限り正確に、しかも簡単に測定するためには、通常の場合コーティングされた
ＳＡＷ素子を発振器回路の周波数を検出する素子として接続する必要がある。
【０００３】 音速変化から良好に近似に比例する発振器周波数の変化が得られ、これを典型
的には１０-6ｍの高い分解能で測定することができる。相応に吸収層を選択する
ことにより、この技術を用いてほぼ任意の数の気体状の分析物を検査することが
できる。主たる対象物はここでは、他の化学的なマイクロセンサでは定量検出お
よび定性検出を行うことが困難な物質である。すなわち有機溶剤、例えば炭化水
素（ヘクサン、オクタン、デカン、種々の燃料）、アルコール（メタノール、エ
タノール）、ハロゲン化炭化水素（塩化炭化水素、塩化フッ化炭化水素）、およ
び芳香族（ベンゼン、トルエン）である。
【０００４】 ヨーロッパ特許出願公開第０５０９３２８号明細書から、３個のＳＡＷセンサ
を相互に前後して配置した装置が公知である。これにより個々のセンサで異なる
流れ特性が得られる。
【０００５】 さらにヨーロッパ特許出願公開第０４７７６８４号明細書から、相互に異なる
コーティング部を有する２個以上のＳＡＷセンサの装置が公知である。ただしこ
こではセンサの特殊な配置のしかたは示されていない。
【０００６】 複数の発振器を狭い空間に対してほぼ等しい周波数で駆動すると、これらの発
振器は相互に電磁的なクロストークにより強く影響しあう。これは極端な場合に
は“ロックイン”をもたらし、複数の発振器が同一の周波数で振動する。こうし
た特性は近似の周波数でのＨＦ発振器の微細化の可能性を制限する。この問題は
発振器がスイッチオンおよびスイッチオフされる際に頻繁に発生することがある
。発振器を再スイッチオンする場合、この発振器は熱変化のためにドリフトし、
これにより冒頭に言及した形式のセンサの測定感度が悪化する。これを回避する
には、再スイッチオンのたびごとに熱平衡が生じるまでのかなり長い間待機しな
ければならない。このことによりきわめて長い無駄時間が生じる。
【０００７】 本発明の課題は、冒頭に言及した形式のセンサを提供して発振器のクロストー
クを回避し、感度の損失および長い無駄時間がないようにすることである。
【０００８】 この課題は請求項１の特徴部分の構成により解決される。従属請求項にはセン
サの有利な実施形態が示されている。
【０００９】 本発明の特に有利な点は、コイルおよび可変容量ダイオードを用いた減衰を許
容する発振器（高い増幅度を有する能動素子）と発振器の遮断手段とが組み合わ
せ可能であることである。これによりセンサ装置全体内で発振器の原理を用いる
ことができ、センサチャンバを電磁的に分離する必要がなくなる。なぜならここ
での発振器はマルチプレクスされ、最適な位相ポイントで同時に駆動できるから
である。
【００１０】 この種の回路構成はセンサ発振器アレイ（ＢＡＷ（ＱＭＢ）、ＳＡＷ、容量的
な発振器の原理）の微細化に高い能力を示し、発振器の最適な動作点（位相）を
選択することにより、同時に感度を高めることができる。
【００１１】 増幅器の前方の発振器の入力側または出力側には、可変容量ダイオードを介し
て電気的に調整可能な位相シフト回路が接続されている。所定の電圧を印加する
ことにより、発振器を所定の位相条件で振動させることができる。つまりそれぞ
れの目的に対して最適なフィードバック部の受動素子の位相ポイントをセットす
るか、またはこの位相シフト回路を印加された電圧で強く離調させることにより
受動素子の伝送領域から完全に移行させることができる。その場合発振のための
位相条件はもはや満足されず、発振器は遮断される。同じ“切り換え”特性はＰ
ＩＮダイオードによっても達成することができる。
【００１２】 同様の原理は水晶安定化ＶＣＯ（電圧制御形発振器）でも適用される。ただし
この場合位相のみがシフトされ、発振器は切り換えられない。
【００１３】 本発明を以下に実施例に則し、図を用いて詳細に説明する。
【００１４】 図１にはセンサの原理が示されており、図２には発振器増幅器の例が示されて
おり、図３には表面波素子（ＳＡＷ素子）の透過特性が示されている。
【００１５】 マイクロエレクトロニクス回路、ここではＦＰＧＡ（free programmable gate
array）は、６個の測定発振器の出力側１．．．６にそれぞれ可変容量ダイオー
ドを制御する信号を送出する。測定発振器はそれぞれＳＡＷおよび発振器回路か
ら成る。さらに測定発振器はそれぞれの管路に時間的に同期された迅速なカウン
タを有している。活性の発振器の個々のＨＦ信号は持続的に発振する基準発振器
によってダウンコンバートされ、低周波数の差信号ｄＦがＦＰＧＡカウンタに供
給される。
【００１６】 つまり個々の発振器をスイッチオンおよびスイッチオフすることによりそれぞ
れＳＡＷの振動周波数を測定することができる。検査すべき媒体はここでは図示
されていない管路を介してシーケンシャルまたはパラレルに個々のＳＡＷに供給
される。
【００１７】 図２にはＳＡＷアレイの開発段階にあるプロトタイプの回路プランが示されて
いる。
【００１８】 π位相シフト素子の回路網がそれぞれの発振器増幅器の入力側に明確に示され
ている。ポテンショメータを用いて発振器回路の最適な位相が調整され、一定の
制御電圧Ｕｓｔ ｘでのスイッチオンおよびスイッチオフによりそれぞれの発振 器が切り換えられる。
【００１９】 図２の回路図では本発明の発振器における位相シフト回路の構成がローパスＬ
Ｃ、ＰＩフィルタとして示されており、ここではカットオフ周波数が可変容量ダ
イオードにより調整される。
【００２０】 位相シフト回路はＰＩＮダイオード、ＲＣ、ＲＬ、ＬＣ素子により実現するこ
ともできる。
【００２１】 回路構成はハイパス、ローパス、オールパスまたは共振回路として行われる。
【００２２】 Ｒ１、Ｐ１を有するＣ１〜Ｃ９はローパスとして作用し、発振器の高周波数を
電圧入力側Ｕｓｔ１で分離するために利用される。Ｕｓｔ１には発振器のスイッ
チオンおよびスイッチオフのための切換パルスが印加される。
【００２３】 トリマ素子Ｐ１により位相シフト回路の制御電圧、ひいては発振器の位相状態
をＳＡＷセンサの最適な感度に適合するように調整できる。位相シフト回路はＬ
ＣπローパスＤ１、Ｄ９、Ｌ１、Ｃ４１、Ｃ２５から成っている。
【００２４】 Ｃ１７、Ｃ３３、Ｃ４９は直流電圧を高周波数電圧から直流電圧分離するため
に用いられる。
【００２５】 Ｒ９を介して高周波数増幅器ＩＣ１は駆動電流を得る。同時にＲ９を介して発
振器周波数は高オーム的に分離される。
【００２６】 ＳＡＷ（４３３ＭＨｚ、位相１８０゜）に代えて任意の別の周波数を決定する
受動素子（例えば水晶発振器、位相位置０゜）またはＬＣ素子を使用することが
できる。この場合ＩＣ１に対する別の増幅器を選択しなければならない。位相シ
フト回路の調整領域内で発振に対する位相条件を保証するには、増幅器はその位
相位置でフィードバック分岐の受動素子に適合されていなければならない。
【００２７】 本発明のセンサヘッドで８個のセンサが相互にマルチプレクスされ、個々の高
周波数と連続的に発振する基準センサとがダウンコンバートされる。
【００２８】 比較的低い周波数の混合周波数は迅速なディジタルカウンタ、例えばレシプロ
カウンタにより処理することができる。
【００２９】 切り換えられた発振器をこのように構成することにより、センサを空間的に密
に配置することができ、このため大きな微細化が達成される。このことにより測
定容量を著しく小さくすることができ、そのことは化学分析における複数の適用
分野にとって有利である。
【００３０】 センサをシーケンシャルにプローブ化する場合、ガスの通流条件が等しければ
測定容量は段階的に低減される。なぜなら同一のガス流がセンサヘッドの全ての
センサに達するからである。ここで流束および線路長に依存するセンサ信号の時
間遅延は大した欠点ではない（本発明のセンサヘッドではセンサ１とセンサ８と
の間で約１ｓである）。センサヘッドがマルチプレクス制御される方向がガスの
流れ方向にともなう場合、種々の時間オフセットは流速を相応に選択する際に較
正され、全てのセンサから同時に応答を受け取る。これは評価ソフトウェアがセ
ンサ信号の上昇ダイナミクスを秒ごとにオンラインで処理するためには重要であ
る。
【００３１】 図３には本発明で使用されるＳＡＷ構成素子の典型的な伝達特性が示されてい
る。上方には周波数と振幅経過、下方には周波数と位相経過が示されている。
【００３２】 発振器が確実に発振するためには、２つの条件を満足しなければならない。
【００３３】 １）位相条件：発振器は増幅器がフィードバック分岐の受動素子の減衰率を上昇
させる場合にのみ発振可能となることが記述されている。
【００３４】 ＶVerstaerker＊ＶPassives Bauelement≧１ ２）位相条件：発振器回路の位相全体がｎ＊２πである場合にのみ発振が生じる
ことが記述されている。
【００３５】 φVerstaerker＋φPassives Bauelement＝ｎ＊２π ここでｎ∈（０，１，２，．．．） 本発明によって使用された増幅器は約２１ｄＢの増幅度を有する。これは−２
１ｄＢまでの減衰率を有する受動素子を用いた場合に発振器が確実に振動するこ
とを意味する。
【００３６】 電気的に駆動可能な位相シフト回路を発振器回路内で使用することにより、発
振器の位相ポイントひいては発振器周波数を受動素子の伝達特性曲線内で選択す
ることができる。付加的に発振器回路を調整して、振幅条件または位相条件が満
足されず発振器が遮断されるようにしてもよい。
【００３７】 本発明の発振器の能動素子がスイッチオンおよびスイッチオフされると、ＳＭ
Ｄ構成素子の電力収容量および熱容量により約１．．．１０ｋＨｚ／ｓの強いド
リフトが発振器のスイッチオン時に生じる。このドリフトは約３０Ｈｚの本発明
のグラウンドノイズを係数３０から３００以上まで劣化させる。この係数分だけ
センサの検出感度は変化する。
【００３８】 これに対して能動素子をスイッチオンし、位相シフト回路により発振器回路の
位相をオフセットして発振を遮断するかまたは再始動させる場合、相応に迅速な
過渡時間が得られる。この過渡時間は１ｓの所定の測定時間中グラウンドノイズ
（３０Ｈｚ）によって消費されるものである。このように切り換えられる発振器
に対して測定されたスイッチオン時間およびスイッチオフ時間は約２００μｓで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 センサの原理を示す図である。
【図２】 発振器増幅器を示す図である。
【図３】 表面波素子の透過特性を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 CA01 CB03 GA01 GA13 GB02 GB11 GB38 GF01 GG33

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所属の発振器回路を備えた測定発振器としてのケーシング内
    の少なくとも２つの振動性の受動素子から成っており、 該ケーシングに検査すべき媒体が供給され、かつケーシングから除去される センサにおいて、 前記発振器回路は少なくともそれぞれ１つずつ可変の位相シフト素子を有して
    おり、 位相変化の領域は、増幅器の動作時にそのつど振動をスイッチオンおよびスイ
    ッチオフできる大きさである、 ことを特徴とするセンサ。
  2. 【請求項２】 前記振動性の受動素子は表面波素子（ＳＡＷ）である、請求
    項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記振動性の受動素子は水晶発振器である、請求項１記載の
    センサ。
  4. 【請求項４】 前記振動性の受動素子はＬＣ素子である、請求項１記載のセ
    ンサ。
  5. 【請求項５】 前記可変の位相シフト素子は可変容量ダイオードを備えたＬ
    Ｃローパスπ素子である、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 可変容量ダイオードを選択的に駆動する回路を有する、請求
    項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 信号をダウンコンバートするための基準発振器を有する、請
    求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
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