JP3429493B2 - Ｓａｗセンサ - Google Patents
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- G—PHYSICS
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- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
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- G—PHYSICS
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Description
【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。
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。
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。
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。
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０４７７
６８４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。
６８４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。
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。
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。
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。
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。
（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ＰＩＮダイオードによっても達成すること
ができる。
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ＰＩＮ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。
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。
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。
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 gatearray）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。
ＦＰＧＡ（free programmable gatearray）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。
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。
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。
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ＬＣ、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。
位相シフト回路の構成がローパスＬＣ、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、Ｒ
Ｃ、ＲＬ、ＬＣ素子により実現することもできる。
Ｃ、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。
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。
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ＬＣπローパスＤ１、Ｄ９、Ｌ１、Ｃ４１、Ｃ２５か
ら成っている。
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ＬＣπ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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−２１ｄＢ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。
を有する。これは−２１ｄＢ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。
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、ＳＭＤ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。
およびスイッチオフされると、ＳＭＤ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］
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
(56)参考文献 特開 平７−218481（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−238243（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−131335（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−178713（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−178714（ＪＰ，Ａ)
米国特許5076094（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 29/00 - 29/28
G01N 5/02
G01N 27/00 - 27/24
Claims (7)
- 【請求項１】 検査すべき媒体が供給され除去されるケ
ーシング内に設けられたセンサであって、 測定発振器としての少なくとも２つの発振器回路から成
り、 発振器回路の各出力側に増幅器が設けられており、該増
幅器の出力側がそれぞれ振動性の受動素子の入力側に接
続されているセンサにおいて、 発振器回路の入力側に少なくともそれぞれ１つずつ可変
の位相シフト素子が設けられており、 位相の変化の範囲は前記増幅器が動作するたびに振動が
スイッチオンおよびスイッチオフされる大きさであるこ
とを特徴とするセンサ 。 - 【請求項２】 前記振動性の受動素子は表面波素子（Ｓ
ＡＷ）である、請求項１記載のセンサ。 - 【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。 - 【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。 - 【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ＬＣ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。 - 【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。 - 【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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