JP2018077232A - 多階層構造を有する化学抵抗器型ガス・センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学抵抗器型ガス検知素子CHI、CH2を積層し、各検知素子を通る孔を設けることによって多階層ガス・センサが構成され、ガスは、ある検知素子から次の検知素子へと、検知層52を通過する。様々な組合せの検知層が活性化される時点、所与の検知層が様々な温度に加熱される、もしくは様々な加熱プロファイルに従って加熱される時点、および/または、選択された検知層がUV光に曝される時点での測定値を取得することにより、様々な検知素子用の材料の適切な組合せを選択し、様々なガス検知素子の動作条件を変化させることによって豊富なデータ集合を得ることができる。持続時間が制御されたUVパルスを加えることによって、センサの感度および選択度を向上させることができ、UV照射時点での検知層の過渡応答に基づいて標的ガス種を検出することができる。
【選択図】図5
Description
a)ガス・センサ装置全体における様々な階層のうちの検知層用の材料の特定の組合せを選択すること、
b)積層体内の検知層の特定の組合せが活性化される(その他が非活性化される)ときに測定値を取得すること、および
c)積層体内のある位置での検知層がインピーダンスの特定の変化を経る時刻と、積層体内の異なる位置での検知層がインピーダンスの関連する変化を経る時刻との間の時間差を測定すること、
が含まれるが、上記の方法に限定されない。
一般に、材料の数および選択、ならびに、本発明による多階層装置の様々な階層でのそれらの相対的な位置は、特定目標用途に応じてセンサ装置全体の判別能力を向上させるように設計される。特に、様々な半導体金属酸化物材料および導電性高分子材料と様々なガスとの反応性を鑑みると、共通の常識的な知識に基づいて、当業者には数多くの構成が思いつくことになる。例を示すために、本発明による多階層センサでの様々な階層の検知層で使用するための材料の組合せを選択することによって、干渉ガスが存在する場合の標的ガスの識別をどのようにしてより容易にするかについての一例を以下で議論する。
本発明が提供する多階層構造の利点の1つは、この構造により、直列に配置されたセンサを介したガス拡散率の違いを(ガスを識別するために)利用することが可能になることである。各階層を介した拡散率は、検知層の材料自体およびその動作温度に依存する。したがって、どんな種類の材料を使用するのか、また動作温度をどうするのかが重要である。これは、拡散率を制御するのに動作シーケンスが非常に重要であることを意味する。多階層構造は、温度における様々な動作シーケンスで使用することができる。標的ガスに対して干渉ガスを取り除くには、動作温度を良好に制御しなければならない。しかし、特定の用途について、シーケンスのプロファイルを実験的に決定することができる。
少なくとも2つの積層されたガス検知素子を備える一実施形態では、分析されるデータ点の集団のサイズを増大させるために実施することができ、多階層構造を使用することから得られるさらなる技法のうちの1つは、構造内のある階層の検知層が分析を受けるガスに反応する瞬間と、後続の階層(たとえば、ガス・フローの方向における次の階層)での検知層がガスに対して同等に反応する瞬間との間の時間差を測定することにある。ガスの流れが強制的でないとき、この時間差は、「ある」階層の検知層を通るガスの拡散速度の特徴を示すことができ、様々な材料を通る様々なガス種の拡散速度が知られていることを考えれば、分析を受ける試料中のガスを識別する助けとなる追加パラメータとして働くことができる。
本発明の第1の実施形態により、小さい構造を使用して豊富なデータ点を迅速に生成できるようになる。ガスを評価するために使用される測定値の集合におけるデータ点の数と多様性は、様々な方式、特に以下の方式で改善することができる。すなわち、
− ガス検知素子の数を増やすことによる。
− 検知層を形成する様々な材料の数を増やすことによる。
− 様々な検知層に適用可能な動作条件、特に、動作温度、UV光への曝露/非曝露を変化させること、動作温度の時間とともに変化する様々なプロファイルを適用すること(特に、様々な温度での短い時間間隔を含むプロファイルを適用すること、および検知層の短期間の反応を測定すること)、パルス電位差を測定電極に加えること、ならびにパルス周波数を変化させることによる)。
パターン1
a)バルブ1042を閉めたままでバルブ104iを開くことによって、ガスをチャンバ100に導く。
b)バルブ104iを閉じ、選択された時間の間、チャンバ100内にガスを保持する(矢印B’で示すように、この期間中、ガス種によっては、センサ101を介してチャンバ100から出ることになるガス種もある)。
c)バルブ1042を開いてチャンバ100を空にする。
d)必要に応じて、ステップa)〜c)を繰り返す。
測定期間中、ガスが装置を通って連続して流れるようにする。連続したガス・フローにおいて、バルブ104および1042の開放量を制御して、装置を刻々と流れる所望の量のガスを得る。バルブ1042が開いているとき、ガスは主に102から103に流れるが、一部分は、センサ101を通って流れる(図14の矢印B’)。有利には、バルブ1042を通る流量は十分に低く設定されて、チャンバ100内のガスの均質化を可能にする。
Claims (21)
- 多階層構造を有する化学抵抗器型ガス・センサ(50/70/80)であって、
絶縁層(53)上に設けられた検知層(52)、および前記検知層(52)に接触して設けられた測定電極(55)を備える第1の階層(CHl/71/81)と、
前記第1の階層(CHl/71/81)の前記検知層(52)から間隔を空けられた選択的に活性化可能な材料(52/75/85)の層を支持する支持層(53)を備える第2の階層(CH2/72/82)と、
前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)の活性化を制御するための活性化ユニットと
を備え、
前記第1および第2の階層(CH1/71/81、CH2/72/82)が直列に配置され、その結果、ガスが前記第2の階層(CH2/72/82)を通って前記第1の階層(CHl/71/81)まで連続的に通過し、前記第1の階層(CHl/71/81)の前記検知層(52)に到達する前記ガスを、前記第2の階層(CH2/71/81)の前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)を活性化することによって改質することができる、ガス・センサ。 - 前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)の層がそれぞれ活性化および非活性化される時点で、前記測定電極(55)を介して測定値を取得し、前記測定値を処理して、前記ガス・センサに供給されるガスを識別するように構成された制御手段を備える、請求項1に記載のガス・センサ(50)。
- 前記第1および第2の階層(CH1、CH2)がそれぞれ、化学抵抗器型ガス検知素子を構成し、前記第2の階層(CH2)上の選択的に活性化可能な材料(52)の前記層が第2の検知層であり、前記第2の階層(CH2)が、前記第2の検知層(52)と接触している第2の測定電極(55)を備え、
孔(58)または細孔が各階層(CH1、CH2)を通して形成されて、ある階層から次の階層へとガスを通過させる、請求項1または2に記載のガス・センサ(50)。 - 化学抵抗器型ガス検知素子(CH1、CH2)の積層体を備え、様々な材料が、前記積層体内の少なくとも2つの異なる階層の前記それぞれの検知層(52)を形成する、請求項3に記載のガス・センサ(50)。
- 各ガス検知素子(CH1、CH2)がマイクロホットプレート構造を有する、請求項3または4に記載のガス・センサ(50)。
- 前記第1および第2の階層が、その間にチャンバ(90)を画定し、
前記第1の階層(81)の前記検知層および前記第2の階層(82)の前記選択的に活性化可能な層(85)が、前記チャンバ(90)の両面に配置される、請求項1または2に記載のガス・センサ(80)。 - 少なくとも前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)が設けられる領域において、前記第2の階層(CH2/72/82)を通して孔または細孔が設けられて、前記第2の階層(CH2/72/82)の前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)を通して、前記第1の階層(CHI/71/81)の前記検知層までガスが通過できるようにする、請求項1または2に記載のガス・センサ(50/70/80)。
- 前記活性化ユニットがヒータ(56)を備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載のガス・センサ。
- 前記活性化ユニットが、前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)を紫外光のパルスに曝すように動作可能な紫外光の光源(76)を備え、前記ガス・センサが、前記ガス・センサによって検出される標的ガス種または干渉ガス種に基づいて、紫外光の前記光源によって加えられる前記紫外光パルスのデューティ・レシオまたは持続時間を制御するように構成された設置ユニットを備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載のガス・センサ。
- 前記活性化ユニットが、前記ガス・センサ内の検知層(52)を紫外光のパルスに曝すように動作可能な紫外光の光源(76)を備え、前記ガス・センサが、前記ガス・センサによって検出される標的ガス種に基づいて、紫外光の前記光源によって加えられる前記紫外光パルスのデューティ・レシオまたは持続時間を制御するように構成された設定ユニットを備える、請求項1〜9のいずれか一項に記載のガス・センサ。
- 前記センサ内の1つまたは複数の検知層を紫外光に曝すように動作可能な紫外光の光源と、
前記1つまたは複数の検知層と接触している測定電極を介して取得された測定値を解析して、紫外光を加えた時点での前記1つまたは複数の検知層の過渡反応を決定するように構成された解析ユニットと
を備える、請求項1〜10のいずれか一項に記載のガス・センサ。 - 多階層構造を有する化学抵抗器型ガス・センサを動作させる方法であって、前記センサが、絶縁層(53)上に設けられた検知層(52)、および前記検知層(52)に接触して設けられた測定電極(55)を備える第1の階層(CHl/71/81)、選択的に活性化可能な材料(52/75/85)の層を支持する支持層(53)を備える第2の階層(CH2/72/82)、および前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)の活性化を制御するための活性化ユニットを備え、前記第1および第2の階層(CHl/71/81、CH2/72/82)が直列に配置され、その結果、ガスが前記第2の階層(CH2/72/82)を通って前記第1の階層(CHl/71/81)まで連続的に通過し、前記第1の階層(CHl/71/81)の前記検知層(52)に到達する前記ガスを、前記第2の階層(CH2/71/81)の前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)を活性化することによって改質することができ、前記方法が、
前記活性化ユニットを制御して前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)を活性化するステップと、
前記ガス・センサがガスに曝され、前記第2の階層(CH2/72/82)の前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)が活性化されるときに、前記測定電極(55)を介して測定値を取得するステップと、
前記測定値取得ステップで取得された前記測定値を含む測定値を処理することにより、前記ガスを評価する結果を生成するステップと
を含む、方法。 - 前記ガス・センサがガスに曝され、前記第2の階層(CH2/72/82)の前記選択的に活性化可能な材料(52/75/85)が活性化されないときに、前記測定電極(55)を介して、他の測定値を取得するステップを含み、
前記結果生成ステップが、前記測定値取得ステップおよび他の測定値を取得する前記ステップで取得された前記測定値を含む測定値を処理することにより、前記ガスを評価する結果を生成するステップを含む、請求項12に記載のガス・センサ動作方法。 - ガス・センサ(50)を動作させるためのガス・センサ動作方法であって、前記第1および第2の階層(CH1、CH2)がそれぞれ、化学抵抗器型ガス検知素子を構成し、前記第2の階層(CH2)上の選択的に活性化可能な材料(52)の前記層が第2の検知層であり、前記第2の階層(CH2)が、前記第2の検知層(52)と接触している第2の測定電極(55)を備え、孔(58)または細孔が各階層(CH1、CH2)を通して形成されて、ある階層(CH2)から次の階層(CHI)へとガスを通過させ、前記方法がさらに、
前記ガス・センサ(50)内の前記ある階層(CH2)の前記検知層がガスに反応する時刻と、前記ガス・センサ(50)を通るガスの流れの方向における、前記ある階層(CH2)の後の階層(CHI)の前記検知層が前記ガスと同等に反応する時刻との間の時間差を決定するステップを含み、
前記結果生成ステップが、前記時間差を含む測定値を処理することにより、前記ガスを評価する結果を生成するように構成される、請求項12または13に記載のガス・センサ動作方法。 - 前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)を、第1のプロファイルによる時間にわたって変化する温度と、第2のプロファイルによる時間にわたって変化する温度とに曝すステップを含み、
前記結果生成ステップが、前記選択的に活性化可能な層(52/75/85)の温度が前記第1および第2のプロファイルに従って変化するときに、前記測定電極(55)を介して取得されたそれぞれの測定値を含む信号を処理することにより、前記ガスを評価するように構成される、請求項12〜14のいずれか一項に記載のガス・センサ動作方法。 - 前記第1の階層(CHI/71/81)の前記検知層(52)を加熱するためのヒータ(56)を備えるガス・センサを動作させるためのガス・センサ動作方法であって、前記結果生成ステップが、前記ヒータ(56)によって前記検知層(52)に加えられる熱の量を示す測定値を含む測定値を処理することにより、前記ガスを評価するように構成される、請求項12〜15のいずれか一項に記載のガス・センサ動作方法。
- 所定の持続時間および/またはデューティ・サイクルの紫外光のパルスを、前記ガス・センサ内の少なくとも1つの検知層に加えるステップを含み、
前記結果生成ステップが、前記UVパルス印加ステップにおいて取得された測定値を含む測定値を処理することにより、前記ガスを評価するように構成される、請求項12〜16のいずれか一項に記載のガス・センサ動作方法。 - ガス感応層(52/75/85)と、
前記ガス感応層(52/75/85)を紫外光のパルスに曝すように動作可能な紫外光の光源と
を備え、
前記ガス・センサが、前記ガス感応層上に吸着される標的ガス種に基づいて、紫外光の前記光源によって加えられる前記紫外光パルスのデューティ・レシオまたは持続時間を制御するように構成された設定ユニットを備えることを特徴とする、化学抵抗器型ガス・センサ。 - ガス感応層(52/75/85)を備える化学抵抗器型ガス・センサを動作させる方法であって、
デューティ・レシオおよび持続時間が前記ガス感応層上に吸着される標的ガス種に応じて設定される紫外光のパルスを、前記ガス感応層(52/75/85)に加えるステップを含む、方法。 - 絶縁層(53)上に設けられたガス感応層(52)と、
前記検知層(52)と接触して設けられた測定電極(55)と、
前記検知層(52)を紫外光に曝すように動作可能な紫外光の光源と
を備え、
前記ガス・センサが、前記測定電極を介して取得された測定値の分析によって、紫外光を加えた時点での前記検知層の過渡反応を決定するように構成された分析ユニットを備えることを特徴とする、化学抵抗器型ガス・センサ。 - 絶縁層(53)上に設けられたガス感応層(52)、前記検知層(52)と接触して設けられた測定電極(55)、および前記検知層(52)を紫外光に曝すように動作可能な紫外光の光源を備える化学抵抗器型ガス・センサを動作させる方法であって、
前記検知層(52)を紫外光に曝すステップと、
前記測定電極を介して取得された測定値を分析して、紫外光を加えた時点での前記検知層の過渡反応を決定するステップと
を含む、方法。
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