JP2004340946A - 頑丈なケミレジスタセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】標的分析物を検出するためのケミレジスタセンサの提供。
【解決手段】プローブは、第１の制御面３６および第１の制御面内で後退した第２の制御面３８をもつ本体を含む。センサフィルム２２は第２の表面上に配置された多数の導電性粒子５４を含む。フィルムは親和性を示す１以上の分析物を吸収して膨張し、導電性粒子をより分散させ、粒子間の抵抗を増加させる。フィルムの厚さは第１の表面と第２の表面との間の距離Ａと等しい。従って、制御面相互間の距離を変化させることによって厚みを制御することができる。センサプローブの頑丈さは、フィルムと端子との間の化学結合剤と共にまたはこれに代えて、ポーラスまたはメッシュ電極５８を配置することによって増強する。頑丈さはまた、ダイオードをセンサ回路と直列に配置することによって改善される。
【選択図】図３
【解決手段】プローブは、第１の制御面３６および第１の制御面内で後退した第２の制御面３８をもつ本体を含む。センサフィルム２２は第２の表面上に配置された多数の導電性粒子５４を含む。フィルムは親和性を示す１以上の分析物を吸収して膨張し、導電性粒子をより分散させ、粒子間の抵抗を増加させる。フィルムの厚さは第１の表面と第２の表面との間の距離Ａと等しい。従って、制御面相互間の距離を変化させることによって厚みを制御することができる。センサプローブの頑丈さは、フィルムと端子との間の化学結合剤と共にまたはこれに代えて、ポーラスまたはメッシュ電極５８を配置することによって増強する。頑丈さはまた、ダイオードをセンサ回路と直列に配置することによって改善される。
【選択図】図３
Description
本発明は、一般にケミレジスタセンサ(chemiresistor sensor)に関する。特に、本発明は、標的分析物を検出するセンサフィルムをもつケミレジスタセンサプローブに関する。
特定の標的分析物、または化学コンパウンドの検出は、例えば分析物の濃度が引火性限界を超えているか否かを検出することを含む多くの用途にとって重要である。標的分析物は、この分野で知られる様々な検出機構により動作するセンサによって検出される。ほとんどのセンサは、環境中に存在する特定の分析物の存在中で物理的に変化するセンシング部品を使用する。すなわち、センサは、典型的にはセンシング部品とプローブ本体のハウジングとの両方を含むプローブを具備する（出力を伝えるための端子を含む）。端子は、典型的にはプロセッサ（センサの一部であって、センサプローブから受け取った出力を分析する）と連結される。このようなプロセッサは、ユーザーインターフェース（典型的には表示デバイスを含む）に連結され、表示デバイスは分析物の濃度が閾値を上回るときに信号を伝える。
多くのセンサは、センシング部品としてセンサフィルムを使用する。多くのセンサフィルムは、分析物の存在中で膨張する（体積を増す）。この分野で利用可能な様々なセンサは、センサフィルムの物理的変化を利用して分析物の存在濃度を決定する。そのようなセンサは光センサ、例えば光ファイバセンサを含み、光のビームを光ファイバを通してセンサフィルムクラッディング（sensor film cladding）に投射し、フィルムの物理的変化（例えば、屈折率または色）をモニターする。そのような屈折率の変化は、分析物が吸収されてクラッディングの物理的性質（体積変化を含む）を変化させるときに起こる。他のセンサとしては、音波センサ（ＳＡＷＳ）を含む。これはトランスデューサーの間にあるセンサフィルムに超音波を通し、同様にセンサフィルムの性質のあらゆる変化を検出し（主として質量）、これらの変化を、存在する分析物の濃度に変換する。
センサフィルムの他のタイプは、コンダクショメトリックセンサ(conductiometric sensor)、特に、ポリマー吸収ケミレジスタセンサである。ポリマー吸収ケミレジスタは、標的分析物（化学コンパウンド）を含む周囲大気にさらされるポリマーフィルムセンサを有する。電荷は、ポリマーフィルムを通して印加される。ポリマーは標的分析物を吸収し、フィルムの体積変化を生じるので、フィルムの電気抵抗を生じる。さらに、導電性粒子をポリマーフィルム全体に分散させ、ポリマーの体積が変化する際に材料中の抵抗変化に対する感度を増強させる。
従来のケミレジスタセンサはその使用目的を十分に果たすが、改良の必要がある。具体的には、センサフィルムの体積が標的分析物の存在に応じて長期にわたり膨張および収縮するので、センサフィルムと端子との間の機械的結合は弱くなり、フィルムを徐々に端子から分離させる。フィルムが端子から分離するとき、フィルムと端子との間の電気的結合も弱くなる。このフィルムと端子との間の電気的結合の弱体化は、端子を通してフィルムの抵抗の変化を分析するプロセッサの能力を低下させるので、センサの性能を低下させる。従って、端子とセンサフィルムとの間で増強された機械的結合及び／又は化学結合を提供し、センサの頑丈さおよび標的分析物に対するセンサの反応性の両方を増強する改良されたケミレジスタへの要求がある。
従来のケミレジスタセンサはまた、制御された厚さのセンサフィルムをもつセンサプローブを提供することができないという点で不十分である。センサフィルムの厚さは、標的分析物を検出するためのプローブの能力に関連している。具体的には、厚いセンサフィルムの使用は望ましくない。なぜなら、厚いフィルムは標的分析物を吸収するために余分な時間を必要とし、従って、センサフィルムが膨張し、標的分析物の存在を示す抵抗の変化を生み出すために必要とされる時間を増加させるからである。しかしながら、過度に薄いセンサフィルの使用も望ましくない。なぜなら、過度に薄いフィルムは耐久性がなく、製造が難しく、不安定だからである。従って、制御された厚さのセンサフィルムをもつセンサプローブを具備するケミレジスタへの要求がある。
さらに、ゴミまたは表面水の形成は従来のセンサプローブの端子を汚染し、センサの不正確な読み取りを引き起こしてしまう。具体的には、表面水はセンサプローブと並列抵抗のバイパス抵抗を実効的に作り出す。このバイパス抵抗は、典型的にはセンサの感度を低下させる。特に、バイパス抵抗が十分に小さい場合、並列にあるバイパス抵抗とセンサプローブとの合成抵抗は、バイパス抵抗によってより影響を受けてしまう。センサプローブには非常に低いレベルの電流しか流れなくなってしまうであろう。従って、バイパス抵抗に対して鈍感な回路をもつセンサプローブを具備するケミレジスタセンサへの要求がある。
本発明は先行技術を改良するものであり、第１の制御面および第２の制御面をもつケミレジスタセンサプローブを提供することによって、センサフィルムの厚さを制御することができる。第１の制御面内での後退面が第２の制御面である。センサフィルムは第２の制御面上に配置され、第１の制御面を越えては広がらない。センサフィルムの厚さは、第２の制御面が第１の制御面内で後退した距離と等しい。従って、第２の制御面が第１の制御面内で後退した距離を変化させることによって、フィルムの厚さを制御することができるようになる。
本発明のセンサプローブはまた、従来のプローブよりも頑丈である。本発明のプローブがより頑丈につくられるのは、センサフィルムとそのセンサフィルムと電気的に接触する端子との間の増強された機械的結合及び／又は化学結合による。増強された機械的結合は、好ましくはセンサフィルムと端子との間に配置されたポーラスまたはメッシュ電極によって提供される。化学結合は、センサフィルムと端子との間につけられた適切な化学接着剤によって提供される。電極及び／又は化学接着剤はまた、センサフィルムと端子との間の電気的接続を増強する。従って、標的分析物に対するプローブの応答性を高める。
本発明の更なる適用分野は、以下に示す詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明および特定の例は、例示の目的で示したに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではないことに留意されたい。
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解することができるだろう。
好ましい実施形態の以下の説明は本質的に単に代表例にすぎず、本発明、その用途または使用を限定することを決して意図していない。
図１は、一般に代表的なケミレジスタセンサ10の主要な構成部品を示す。センサ10は、一般にケミレジスタセンサプローブ12、制御ユニット14、およびユーザーインターフェース16から構成される。センサプローブ12は外部環境17と相互作用し、分析物すなわち標的化学組成物18の存在を検出する。センサプローブ12は、外部環境17中の分析物18の連続的な検出に基づいた生の出力信号19aを発生する。生の出力信号19aは、制御ユニット14によって処理される。制御ユニット14は、ユーザーインターフェース16に計算された出力信号19bを送信し、センサプローブ12からの生の出力信号19aの解析を中継する。ユーザーインターフェース16は、センサ10の周りの外部ユーザーに情報を提供する。情報は、単一の警告信号から複雑なコンピュータ処理された画像にまでわたる。
図２は、第１の好ましい実施形態に基づいたセンサプローブ12の詳細な図解を提供する。センサプローブ12は、一般にプローブ本体20、導電性センサフィルム22（図３および４）、プローブ本体20から伸びる１対の端子24、および保護キャップ26を含む。
プローブ本体20は、第１の直径部28および第２の直径部30を含み、第１の直径部28は第２の直径部30よりも小さい直径をもつ。第１の直径部はセンシング領域32を含む。センシング領域32は、第１の制御面36内に位置する２つのアパーチャ34から構成される。
アパーチャ34相互の間には第２の制御面38がある。第２の制御面38は、センシング領域32を横切って伸びており、第１の制御面36内でわずかに後退している。
端子24はプローブ本体20内に埋め込まれ、アパーチャ34から第１の直径部28および第２の直径部30の両方を通して伸びている。端子24は、第２の直径部30の底面40でプローブ本体20から突き出ている。端子24は導電性材料、好ましくは金属から作られる。
図３に見られるように、端子24は、各々第１の水平部42を含む。これは第１の制御面36と平行であり、アパーチャ34の１つの幅とほぼ等しい。第１の垂直部44は、第１の水平部42から伸びている。第１の垂直部44は、第１の直径部28を通過して、第２の直径部30に伸びており、第１の垂直部44は第２の水平部46に移行する。
第１の垂直部44と第２の水平部46との間の移行地点で、端子24は各々開放部４８をもつ。開放部48は、製造中にアライメントロッド（図示せず）を受け、プローブ本体20内で端子24の正確なアライメントを可能にする。成形工程中のアライメントロッドの使用は、プローブ本体20の下側40にボア50の形成を生じる。プローブ本体20を製造するプロセスを以下に詳細に説明する。
第２の垂直部52は、第２の水平部46から伸びている。第２の垂直部52は、第２の直径部30の下側40から伸びている。第２の垂直部52は、適切な長さでプローブ本体20から伸びており、制御ユニット14と通信する対応アウトレット（図示せず）による端子24の受け取りを可能にする。
図４に最もはっきりと図示したように、センサフィルム22は、任意の適切な方法、例えば溶液堆積によってセンシング領域32に結合または固定され、センサフィルム22がアパーチャ34を充填し、第２の制御面38をまたがるようにする。フィルム22はアパーチャ34を充填し、フィルム22が直接のまたは間接のいずれかの物理的接触を介して両端子24と電気的に接触するようにする。フィルム22は、フィルム22全体に配置された複数の導電性粒子54から構成される。フィルム22は、架橋結合したポリマーマトリックスとするのが好ましいが、所定の１以上の異なる分析物18（例えば液体、蒸気、または気体）を吸収するあらゆるタイプのセンサフィルムとすることができる。
センシング領域32は、センサフィルム22の厚さを制御する。最も薄い地点で、フィルム22は、第１の制御面36と第２の制御面38との間の距離とちょうど等しい厚さである（図４で距離Ａとして示す）。フィルム22の厚さは、第１の制御面36と第２の制御面38との間の距離(距離Ａ)を変化させることによって制御することができる。距離Ａは任意の適当な距離とすることができるが、１０００分の２〜３インチとするのが好ましい。フィルム22の有効厚さを制御するために、距離Ａで厚さを制御することは重要である。フィルム22全体の有効厚さは、主にその最も薄い地点でのフィルム22の厚さ（距離Ａ）に依存しているからである。
保護キャップ26は、プローブ本体20の第１の直径部28を覆って挿入することができる任意の適当な覆いであり、異質な物質または物体によって妨害または破損されることからセンシング領域32を保護する。さらに、保護キャップ26は、分析物18がフィルム22によって吸収されるためにキャップ26を通過することができるものでなければならない。キャップ26を通した標的分析物18の通過を可能にするために、キャップ26は、好ましくは１以上のポアまたは通しボア56を備える。キャップ26は任意の適切な方法でプローブ本体20に固定することができるが、好ましくは適当な接着剤を使用して固定する。
プローブ12の頑丈さは、フィルム22と端子24との間の強い機械的結合を提供することによって向上され得る。機械的結合は、フィルム22と端子24との間にポーラスまたはメッシュ電極58を挿入することによって提供するのが好ましい。電極58は、任意の適当な導電性材料から作られるが、金属が好ましい。図４に見られるように、電極58は、上部表面60および底部表面62をもつ。上部表面60は、ポーラスまたはメッシュ表面64を含む。底部表面62は、端子24と電気的および機械的に接触し、任意の適切な方法、例えば焼結を通して端子24に固定される。
上部表面60は、フィルム22と電気的および機械的に接触する。ポーラスまたはメッシュ表面64は、上部表面60に大きなポーラスまたはメッシュの表面積を提供するので、フィルム22がその中に浸透して表面60と連結される。従って、上部表面60とフィルム22との間に強い機械的結合を提供する。さらに、上部表面60とフィルム22との間の接続の表面積を増加させることによって、ポーラスまたはメッシュ表面64は、上部表面60とフィルム22との間の結合数を増加する。電極58の使用は、センサプローブ12の寿命を延ばす。これは、フィルム22がフィルム22によって吸収される標的分析物18に応じて膨張および収縮するとき、長期にわたりフィルム22の端子24からの分離を防ぐことによる。
端子24とフィルム22との間の化学カップリング剤の使用はまた、フィルム22と端子24との間の機械的および電気的結合を増強する。すなわち、より頑丈なセンサプローブ12を提供し、端子24がフィルム22の抵抗の変化をより正確かつより迅速に検出することを可能にする。カップリング剤はまた、フィルム22を端子24と結合させることができ、一方で端子24とフィルム22との間で電荷を通過させる任意の適当な接着剤とすることができる。適切なカップリング剤は、モノアルコキシチタネートカップリング剤、例えばイソプロピルトリ−イソステアロイルチタネート、イソプロピルトリ（ジオクチル）ホスフェート、およびイソプロピル（４−アミノ）ベンゼンスルホニルジ（ドデシル）ベンゼンスルホニルチタネート；キレートチタネートカップリング剤、例えばジ（ジオクチル）ピロホスフェートオキソエチレンチタネート、ジメチアクリルオキソエチレン、およびジ（ジオクチル）ピロホスフェートエチレンチタネート；quatチタネートおよびジルコネートカップリング剤、例えばジ（ジオクチル）ピロホスフェートオキソエチレンチタネートの2-n,N-ジメチル-アミノイソブタノールアダクツ；配位(coordinate)チタネートおよびジルコネートカップリング剤、例えばテトライソプロピルジ（ジオクチル）ホスファイト(phosphito)チタネート、テトラ（2,2ジアリオキシメチル）ブチル、およびジ（ジトリデシル）ホスファイトジルコネート；ネオアルコキシチタネートカップリング剤、例えばネオペンチル（ジアリル）オキシ、およびトリ（ジオクチル）ピロ-ホスファト(phosphato)チタネート；シクロヘテロ原子(cycloheteroatom)ネオアルコキシチタネートカップリング剤、例えばシクロ（ジオクチル）ピロホスファトジオクチルチタネート；ネオアルコキシジルコネートカップリング剤、例えばネオペンチル（ジアリル）オキシ、トリ（ジオクチル）ホスファトジルコネート；アルミネートカップリング剤、例えばジイソブチル（オレイル）アセチルアルミネートおよびジソプロピル（オレイル）アセトアセチルアルミネート；およびシランカップリング剤、例えばアリルトリエトキシシランおよびジメチルエトキシシランを含む。
プローブ12の代わりの好ましい実施形態100は、図５〜７に図示する。プローブ12のように、プローブ100は、一般的にはプローブ本体102、センサフィルム104（図６および7）、１対の端子106（図５および６）、および保護キャップ108（図５）を含む。以下、プローブ100をさらに詳細に説明する。
図５および６に見られるように、プローブ本体102は、ネック部110およびベース部112を含む。ネック部110は、第１の制御面114をもつセンシング領域113を含む。第１の制御面114内の後退面は、第２の制御面116である。第２の制御面116は、２つのアパーチャ118を含み、端子106がアパーチャ118から伸びている。
端子106は、アパーチャ118からネック部110およびベース部112の両方を通して伸びている。端子106は、ベース部112の内空120（図6）で終わる。内空120は、制御ユニット14の対応アウトレット（図示せず）を受けることができるような大きさとし、アウトレットは内空120まで伸びる端子106の部分と結合する。センサフィルム104は、アパーチャ118を覆うように第２の制御面116上に配置され、端子106と電気的に接触する。端子106は、センサフィルム104の複数の導電性粒子122相互間の抵抗の変化を検出できるようになる。
第１の制御面114および第２の制御面116は、センサフィルム104の厚さの制御を与える。具体的には、最初に、フィルム104が第1の制御面114を超えて広がるように第2の制御面116全体にフィルム104を余分につける。続いて、フィルム104が第1の制御面114を超えて広がらないように余分なフィルム104を取り除く。すなわち、フィルム104の厚さは、第２の制御面116が第１の制御面114から後退している距離と等しい（図７に距離Ｂとして示す）。距離Ｂは、任意の適当な距離とすることができるが、１０００分の２〜３インチとするのが好ましい。
保護キャップ108は、ネック部110を覆って挿入することができる任意の適当な覆いであり、異質な物質または物体によって妨害または破損されることから第１の制御面114およびセンシングフィルム22を保護する。保護キャップ26と同様に、保護キャップ108は、1以上のポアまたは通しボア124を含む。キャップ108は任意の適切な方法でセンサプローブ本体102と固定することができるが、好ましくは適当な接着剤を使用して固定する。
プローブ100の頑丈さは、センサフィルム104と端子106との間に強い機械的結合を作り出すことによって増強され得る。機械的結合は、例えば電極58（図４）のように、フィルム104と端子106との間にポーラスまたはメッシュ電極を配置することによって提供するのが好ましい。フィルム104は、電極の大きなポーラスまたはメッシュの表面積の内部に浸透し、電極とフィルム104との間に多数の強い機械的結合を提供する。電極はプローブ100の寿命を延ばす。これは、フィルム104が、フィルム104によって吸収される標的分析物18の存在に応じて膨張および収縮するとき、長期にわたりフィルム104の端子106からの分離を防ぐことによる。
端子106とセンサフィルム104との間に電極を配置することによって提供される機械的結合に加えて、またはこれに代えて、プローブ100の頑丈さは、端子106とフィルム104との間に化学結合を導入することによって増強してもよい。化学結合は、フィルム104を端子106に結合することができ、一方で端子106とフィルム104との間に電荷を通過させる任意の化学カップリング剤によって提供する。使用可能な化学カップリング剤は、上記センサプローブ12に関する説明の中で記載したものを含む。
プローブ本体20の製造プロセスを以下に詳細に説明する。プローブ本体20の製造工程は、実質的にプローブ本体102の製造工程と類似しているので、以下の説明は、プローブ本体102にもあてはまる。プローブ本体20を、好ましくは任意の適切なプラスチック成形技術、例えばインサート成形を使用して製造する。成形工程は、任意の適当な成形材料、例えば30％ガラス繊維強化ポリブチレンテレフタラート（商品名VALOX420(GE Plastics製)として販売）を使用して行う。成形材料を乾燥し、あらかじめ形成された型にインサートし、所望の形と大きさのプローブ本体20を提供する。型は、具体的には第１の制御面36より下にわずかに後退した第２の制御面38をもつプローブ本体20を提供するように設計する。型の寸法を変えることによって、第２の制御面38が第1の制御面36から後退している距離も変化する。上記に説明したように、第２の制御面38が第１の制御面36から後退している距離（図３の距離Ａ）は、その最も薄い部分でフィルム104の厚さと等しい。従って、型を改造し、第２の制御面38を第１の制御面36から異なる距離で後退させたプローブ12を生産することによって、フィルム22の厚さを制御することができる。
成形材料を型に挿入する前に、端子24を型に挿入し、成形材料を挿入して硬化させる際、端子24をプローブ本体20内に閉じ込め、その場で成形する。端子24のプローブ本体20内での適正な位置決めを確実にするために、端子24を、各々端子24の開放部48によって受けられる別々のロッド（図示せず）に型内で取り付ける。プローブ本体20を端子24の周りに成形する際、端子24をロッドに取り付けているので、ボア50が各プローブ本体20の下側40内に形成される。フィルム22およびオプションとしての機械的結合および化学結合剤を端子24につける前に、端子24をきれいにしてその性能を高めることもある。
プローブ本体20を端子24の周りに成形し、およびその成形工程の結果としてセンシング領域32を形成した後、オプションの機械的結合材、例えばポーラスまたはメッシュ電極58は、端子24の第２の垂直部52上の各アパーチャ34内に挿入される。ポーラスまたはメッシュ電極58は、あらゆる適切な方法、例えば焼結または溶接を通して端子24に固定される。アパーチャ34の深さおよび電極58の厚さにもよるが、電極58が第１の制御面36または第２の制御面38から突き出ないように電極58を圧縮する必要があるだろう。
センサフィルム22と端子24との間を化学結合してもよい。化学結合は、機械的結合に加えてまたはこれに代えて使用してもよい。化学結合は、フィルム22と端子24との間に配置された化学カップリング剤によって提供される。カップリング剤は、フィルム22と端子24との間を化学結合することができる任意の適当なカップリング剤、例えば上記に示した化学カップリング剤としてもよい。
オプションの機械的または化学カップリング剤を端子24の上につけた後、液体またはペースト状のセンサフィルム22を第１の制御面36および第２の制御面38全体につける。フィルム22は、アパーチャ34を完全に充填するように、第２の制御面38をまたがるように、および第１の制御面36を超えて広がるように余分につける。次に、フィルム22が第１の制御面36を超えて広がらないように余分なセンサフィルム22を取り除く。余分なフィルム22は、任意の適切な方法、例えばかみそりの刃を第１の制御面36一面に走らせることによって取り除いてもよい。
フィルム22をつけた後、保護キャップ26を第１の直径部28を覆うように配置し、任意の適切な方法でプローブ本体20に固定する。フィルム22を第１の制御面36および第２の制御面38につけた後、フィルム22をオーブン硬化する。オーブン硬化工程は好ましくは１２０℃で３時間行う。
センサプローブ12の作動を以下に説明する。プローブ100の作動はプローブ12の作動と実質的に同様であり、以下の説明はプローブ100の作動にもあてはまる。外部環境17中の１以上の標的分析物18にセンサプローブ12がさらされると、分析物18はフィルム22によって吸収され、フィルム22を膨張させる。電極58によって提供される機械的結合、及び／又はフィルム22と端子24との間に位置する化学結合は、フィルム22の繰り返される膨張および収縮の間に、フィルム22が端子24から剥離することを防ぐ。すなわち、フィルム22と端子24との間の電気的接続を維持および増強し、より頑丈なセンサプローブ12を生産する。
フィルム22が膨張したとき、導電性粒子54相互間の距離が増加する。すなわち、両方の端子106を介して制御ユニット14によって測定されるフィルム22の抵抗および生の出力信号19aを増加させる。端子24間の抵抗の増加を検出すると、制御ユニット14は、ユーザーインターフェース16に計算された出力19bを伝送し、ユーザーインターフェースに指示して標的分析物18がプローブ12によって検出されたことをユーザーに警告する。ユーザーインターフェース16は、ユーザーに警告を与えることができる任意の適切なインターフェースである。インターフェース16は、複雑さにおいて、単純な警告音から音声および視覚的な警告を与える複雑なコンピュータまでにわたっている。
図８は、センサ10に使用される典型的なセンサ回路120を図示する。回路120は、AC電圧源Vt、抵抗Rfvs、バイパス抵抗Rc、および抵抗Rfvsと直列に連結されたダイオードD1を含む。抵抗Rfvsは、バイパス抵抗Rcと並列に連結されたセンサプローブ12の抵抗を示す。バイパス抵抗Rcは、プローブ12を汚染するゴミまたは表面水の形成を意味する。周知のように、AC電圧源Vtは、正弦波周期の正および負側を含む。
起動中、AC電圧源は電流Itを送り、電流Itはバイパス抵抗Rcおよび抵抗Rfvsの両方によって受け取られる。具体的には、電流Icはバイパス抵抗Rcを通して流れ、および電流Ifvsは直列のダイオードD1および抵抗Rfvsの両方に流れる。すなわち、回路120の全電流は、電流Icおよび電流Ifvsの和と等しい。ダイオードD1および抵抗Rfvsの両方に流れる電流Ifvsは、AC電圧源Vtからの正弦波周期の正側にある。ダイオードD1は、ACサイクルの負側が抵抗Rfvsを通過するのを妨げる。バイパス抵抗Rcに流れる電流Icは、正弦波周期の正および負側の両方で受け取られる。正弦波周期の正側の全電流、Ic＋Ifvsは決定される。また、正弦波周期の負側の電流Icも決定される。すなわち、全電流It＝Ic＋（Ic＋Ifvs）である。２つの未知数をもつ２つの方程式があるので、抵抗RfvsおよびRcの抵抗値は、既知の数式を使用して決定することができる。抵抗RfvsおよびRcの抵抗値は、制御ユニット14を通して決定することができ、周知の測定装置、例えばマルチメーターによって測定することができる。
回路120は、センサプローブ12の端子24を汚染する、すなわちセンサ10の感度を低下させる表面水を有効に考慮に入れる。従って、回路120を使用する改良されたケミレジスタセンサ10は、センサプローブ12の抵抗の正確な読み取りを提供する。
本発明の説明は本質的に代表例にすぎず、従って、本発明の要旨から離れない変形例は、本発明の範囲内にあることを意図している。そのような変形例は、本発明の精神および範囲からの逸脱としてみなされるべきではない。
Claims (39)
- １以上の分析物の存在を検出するためのケミレジスタセンサプローブであって、
プローブ本体と、
前記プローブ本体の外面上に位置する第１の制御面と、
前記第１の制御面内で後退した第２の制御面と、
１対の端子と、
前記第２の制御面上に位置するセンサフィルムと
を具備し、前記センサフィルムは、前記第２の制御面と前記第１の制御面との間の距離と等しい厚さをもち、前記１対の端子と電気的に接触するケミレジスタセンサプローブ。 - 前記第１の制御面内に配置された少なくとも２つのアパーチャをさらに含み、前記第２の制御面は前記アパーチャ間に位置する請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記端子と前記センサフィルムとの間に機械的結合をさらに含む請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記端子は、各々前記センサフィルムと電気的に接触する導電性プレートをさらに含み、前記導電性プレートは、前記センサフィルムと前記端子との間に機械的結合を提供する、請求項３のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記端子は、各々前記センサフィルムと電気的に接触する導電性メッシュプレートをさらに含み、前記導電性メッシュプレートは、前記センサフィルムと前記端子との間に機械的結合を提供する、請求項３のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記端子と前記センサフィルムとの間に化学結合をさらに含む請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 製造中に前記プローブ本体内で前記端子を配置するための位置決めロッドの受け取りのために、各々の前記端子内に少なくとも１つの開放部をさらに含む請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記プローブ本体は成形されたポリマーから構成される請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記第１の制御面上に配置される保護キャップをさらに含む請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記センサフィルムは、架橋したポリマーマトリックスである請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- ダイオードをもつセンサ回路をさらに含み、バイパスリークが前記センサプローブの性能に悪影響を与えることを防ぐ請求項１のケミレジスタセンサプローブ。
- １以上の分析物の存在を検出するためのセンサプローブを製造する方法であって、前記方法が、
型内に少なくとも２つの端子を配置する工程（前記型は第１の制御面および前記第１の制御面内で後退した第２の制御面をもつプローブ本体を製造するようにあらかじめ形成されている）と、
前記型内に成形材料を注入し、前記端子を前記プローブ本体内に固定させて前記プローブ本体を形成する工程と、
前記第２の制御面にセンサフィルムをつける工程（前記センサフィルムは前記第２の制御面と前記第１の制御面との間の距離と等しい厚さをもつ）と
を含む方法。 - 前記センサフィルムが架橋したポリマーマトリックスである請求項１２の方法。
- 前記センシングフィルム内に複数の導電性材料を配置し、前記フィルムが前記分析物を吸収して膨張する際、前記導電性材料は前記フィルム内でより分散され、前記端子によって測定される前記フィルムの抵抗を増加させることをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記フィルムを余分につけ、前記第１の制御面を超えて広がる前記フィルムの部分を除去し、前記フィルムの前記厚さが前記第２の制御面と前記第１の制御面との間の前記距離と等しくなるようにすることをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記センサフィルムと電気的に接触する導電性プレートを前記端子に提供し、前記導電性プレートが前記端子と前記フィルムとの間に機械的結合を作り出すことをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記センサフィルムと電気的に接触する導電性メッシュプレートを前記端子に提供し、前記導電性メッシュプレートが前記端子と前記フィルムとの間に機械的結合を作り出すことをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記端子と前記フィルムとの間に化学結合剤をつけることをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記フィルムを前記第２の制御面上に配置した後に前記フィルムをオーブン硬化することをさらに含む請求項１２の方法。
- 前記端子を、ダイオードをもつセンサ回路と電気的に接触するように配置し、バイパスリークが前記センサプローブの性能に悪影響を与えることを防ぐ請求項１２の方法。
- 分析物の存在を検出するためのケミレジスタセンサであって、
第１の制御面をもつプローブ本体と、
第１の制御面内で後退した第２の制御面と、
前記第２の制御面上に堆積されたセンサフィルム（前記フィルムは前記第２の制御面が前記第１の制御面内で後退している距離と等しい厚さをもつ）と、
前記プローブ本体からの出力（前記出力は前記分析物の有無を表示する）を受け取る制御ユニットと、
前記制御ユニットからの信号（前記信号は前記分析物の有無を表示する）を受け取り、前記分析物の存在を示す警告を提供するユーザーインターフェースと
を含むケミレジスタセンサ。 - 前記センサフィルム内に配置された複数の導電性材料をさらに含み、前記フィルムが前記物質を吸収して膨張する際、前記導電性材料は前記フィルム内でより分散され、前記端子によって測定される前記フィルムの抵抗を増加させる請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 前記フィルムが架橋したポリマーマトリックスである請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 前記センサフィルムと電気的に接触する導電性プレートをさらに含み、前記導電性プレートが前記センサフィルムと前記端子との間に機械的結合を提供する請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 前記センサフィルムと電気的に接触する導電性メッシュプレートをさらに含み、前記導電性メッシュプレートが前記センサフィルムと前記端子との間に機械的結合を提供する請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 前記端子と前記フィルムとの間に堆積され、前記端子と前記フィルムとの間に化学結合を形成するための化学結合剤をさらに含む請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 最初に、前記フィルムを前記第２の制御面に余分につけ、続いて、前記第１の制御面を超えて広がる前記フィルムの部分を取り除き、前記フィルムを、前記第２の制御面が前記第１の制御面内で後退している前記距離と等しい厚さをもつようにする、請求項２１のケミレジスタセンサ。
- 前記プローブ本体と連結されたセンサ回路をさらに含み、前記センサ回路は、バイパスリークが前記センサの性能に悪影響を与えることを防ぐ請求項２１のケミレジスタセンサ。
- １以上の分析物の存在を検出するためのケミレジスタセンサプローブであって、
プローブ本体と、
前記プローブ本体上に位置するセンシング表面と、
前記センシング表面上に位置するセンサフィルムと、
前記センサフィルムと電気的に接触する導電性プレートをもつ１対の端子とを具備し、前記導電性プレートが前記センサフィルムと前記端子との間に機械的結合を提供するケミレジスタセンサプローブ。 - 前記センシング表面内で後退した制御面をさらに含み、前記センサフィルムが前記センシング表面と前記制御面との間の距離と等しい厚さをもつ請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記導電性プレートがメッシュプレートである請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記導電性プレートとセンサフィルムとの間に化学結合をさらに含む請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 製造中に前記プローブ本体内で前記端子を配置するための位置決めロッドの受け取りのために、各々の前記端子内に少なくとも１つの開放部をさらに含む請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記プローブ本体が成形されたポリマーから構成される請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記センシング表面上に配置された保護キャップをさらに含む請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- 前記センサフィルムが架橋されたポリマーマトリックスである請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- センサ回路をさらに含み、前記センサ回路はダイオードを有し、バイパスリークが前記センサプローブの性能に悪影響を与えることを防ぐ請求項２９のケミレジスタセンサプローブ。
- １以上の分析物の存在を検出するためのケミレジスタセンサプローブであって、
プローブ本体と、
前記プローブ本体の外面上に位置する高分子マトリックスを含むセンサフィルムであって、あらかじめ決定されおよび制御された厚さをもつセンサフィルムと、
複数の導電性端子と
を具備し、前記各々の端子が前記センサフィルムと電気的に接触し、前記端子の少なくとも１つが、前記センサフィルムと前記少なくとも１つの端子を機械的に連結するための手段を含むケミレジスタセンサプローブ。 - センサ回路をさらに含み、前記センサ回路はダイオードを有し、バイパスリークが前記センサプローブの性能に悪影響を与えることを防ぐ請求項３８のケミレジスタセンサプローブ。
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