JP5666597B2 - 固体及び流体の物体の成分の測定において使用するためのインピーダンス検知システム及び方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年9月22日出願の「Impedance sensors and their use for analyzing object’s compositions」と題された米国仮出願第61/244,584号に対する優先権を主張する。上記仮出願は、参照によって全文を本明細書に援用する。
該当なし
該当なし
類似する設計のセンサのアレイにおいて用いることができる電気共振センサであって、各センサが2つのコイルを含み、そのうちの1つが励振コイルであり、他のコイルが検知コイルであり、無線周波数(RF)範囲において対象パラメータとセンサ表示とを強く関連付けるために選択された所定の共振周波数で動作する被試験物体と電磁結合する電気共振センサ;及び前記センサを用いて、リアルタイムで接触することなしに被試験対象の物理的性質及び組成を測定する方法。
(A)前記センサの自己共振周波数及び振幅を測定する工程と;
(B)少なくとも1つのアナライトを含む被試験物体を配置する工程と;
(C)前記物体の存在下で前記センサの共振周波数及び振幅を測定する工程と;
(D)前記センサと前記物体との間の電磁相互作用によって誘導される振幅及び共振周波数の変化を計算して、前記被試験物体のインピーダンスを求める工程と;
(E)所定の較正データを用いて前記インピーダンスを整合させて、前記被試験物体の化学的性質及び物理的性質を求める工程と
を含む方法を提供する。好ましいインピーダンスセンサは、本発明のセンサの態様に記載されるセンサである。
A)被試験物体について考えられる変動を網羅している既知の組成の標的成分を含むサンプルのセットを調製する;
B)広い周波数範囲に亘って走査することによって前記サンプルの各々について電気インピーダンススペクトルを求める;
C)前記スペクトルを分析して、前記スペクトル間の差が標的成分の部分の変化と相関し、前記成分が異なる比率でインピーダンスの一因となる周波数のセットを見出すが、選択する周波数の数は、調べる成分の数と少なくとも等しくなければならない;
D)工程Cの結果に基づき、動作周波数を有するセンサのセットを構築する;
E)被試験物体に近接して前記センサのセットを組み立てる;
F)工程Aで調製したサンプルのセットを用いて較正データを収集し、保存する;
G)データ処理アルゴリズムを推敲し、実行する。
W=V2/R
(式中、Wは、データ収集の入力抵抗において消失するエネルギーであり、Vは、有用な信号の電圧であり(本発明のDAQでは、0.5V〜11Vである)Rは、検知コイルに接続される機器(例えば、DAQ)の入力抵抗である)。
次に図6を参照して、ボビンを有しなくてもよく、又はフルオロポリマー等の高RF周波数で電気透過率が最低(ε約2)になる非伝導性材料で作製される短い管として一般的に形成される支持部材63を有していてもよい本発明の1つの実施形態の断面図を示す。支持部材63は、センサ容量を更に最小化するために壁が薄くなければならない。
図15は、ベアシリコンウエハの存在下で32MHz〜43MHzの周波数範囲に亘るインダクタンスセンサの出力信号151のスコープスクリーンショットを示す。共振周波数は、33.8MHzであり、共振振幅は、10,067mVである。線152は、厚み5,000Åのアルミニウム膜によって被覆されている同じシリコンウエハの存在下における、同じインピーダンスセンサについての振幅周波数曲線である。この場合、共振周波数は、41MHzであり、共振振幅は、1,673mVである。線151及び152の比較によって、共振周波数及び特に電圧振幅が大きく異なることが分かる。この実施例は、本発明に係る高感度の新規インピーダンス検知システムを例証している。
液体(例として水)中における可変濃度の様々な成分の較正及び測定のための試験取付品を図14に示し、ここでは、インピーダンスセンサが、テフロン(登録商標)で製造されることが好ましい小さな容器、即ち、サンプラーを取り囲んでいる。
塩化ナトリウム(NaCl)水溶液の適切な動作周波数を求めるために、広範囲の動作周波数:20MHz、70MHz、370MHz、及び480MHzに亘って調和電磁場をプローブすることによって予備実験を行った。20MHz付近の周波数が最も優れた結果を示した。
図20は、アルミニウム膜厚測定の試験結果を表す(オングストローム範囲で示す)。検知システムは、図7に示すセンサに類似する開心共振センサを用いた。周波数範囲は、34MHz〜43MHzに設定した。プロットにおける出発点は、アルミニウム膜を有しないベアシリコンウエハに対応する。
水銀は、飲料水において最も危険な汚染物質のうちの1つである。この汚染物質は、非常に低い濃度ではあっても高度に局在する。したがって、水中の水銀(Hg)濃度を測定するために一連の実験を実施した。
本発明の実施形態の振幅−周波数相互作用の調節におけるインピーダンス共振装置のキャパシタの役割について本発明者らが導いた上記結論を確認するために、前記装置の共振回路がキャパシタを含むことを除いて実施例3に記載の通りNaCl溶液を用いて一連の実験を実施した。
Claims (38)
- 多重コイルの開心型又は空心型インダクタである共振型インピーダンスセンサであって、少なくとも2つのコイルを含み、前記少なくとも2つのコイルのうちの少なくとも1つのコイルが、周波数掃引を行う少なくとも1つの交流源に接続可能であり、他端が接地される少なくとも1つの励振コイルであり、前記少なくとも2つのコイルのうちの少なくとも1つの他のコイルが、少なくとも1つのデータ処理システム及びデータ収集ユニット(“DAQ”)の少なくともいずれかに接続可能であり、他端が接地される少なくとも1つの検知コイルであり、ここで、
(i)前記交流源に電気接続したとき、前記少なくとも1つの励振コイルが前記少なくとも1つの検知コイルにエネルギーを伝播することが可能であり、前記少なくとも1つの検知コイルがプローブ電磁場を生じさせることが可能であり、
(ii)前記少なくとも1つの検知コイルの固有インダクタンスL、固有キャパシタンスC及び固有抵抗Rのパラメータが、所定の周波数又は所定の周波数領域において被試験物体のインピーダンスを測定するための共振条件を提供可能であるように、前記少なくとも1つの検知コイルが設計されており、且つ
(iii)前記少なくとも1つの検知コイルが、その固有(分布)キャパシタンスのみを用いており、且つキャパシタンス手段に接続されておらず、且つ前記少なくとも1つの検知コイルが、前記少なくとも1つの検知コイルの検知領域内にある前記被試験物体の少なくとも一部のコンダクタンス、コンダクティビティー及び1つ以上の絶縁特性の少なくとも1つを測定することが可能であることを特徴とする共振型インピーダンスセンサ。 - 更に、
(i)少なくとも1つの励振コイルに電気的に接続されている周波数掃引を行う少なくとも1つの交流源と、
(ii)少なくとも1つの検知コイルと通信する少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれかを含み、ここで前記少なくとも1つの検知コイルのLCRパラメータが、所定の周波数又は所定の周波数領域において被試験物体のインピーダンスを測定するための共振条件を提供するものである請求項1に記載のセンサ。 - 次の(i)及び(ii)の少なくともいずれかである請求項2に記載のセンサ:
(i)少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれかが、高いインピーダンス入力を有する、
(ii)前記インピーダンス入力が10MΩよりも高い。 - 少なくとも1つの交流源が、調整可能な電流出力を有する請求項2から3のいずれかに記載のセンサ。
- センサが、円筒形多重コイルインダクタとして形成される請求項1から4のいずれかに記載のセンサ。
- 円筒形多重コイルインダクタが、強磁性開心を有する請求項5に記載のセンサ。
- 強磁性開心が、ハーフポットコアとして形成される請求項6に記載のセンサ。
- 更に、支持要素を含み、少なくとも2つのコイルが前記支持要素に実装される請求項1から4のいずれかに記載のセンサ。
- 次の(i)及び(ii)の少なくともいずれかである請求項8に記載のセンサ。
(i)多重コイルインダクタが、平面状である、
(ii)支持要素が、プリント回路基板(PCB)型又は可撓性の支持要素である。 - 更に、支持要素を含み、センサの少なくとも2つのコイルが前記支持要素に実装された多重コイルインダクタで形成される請求項5から7のいずれかに記載のセンサ。
- 支持要素が、次の(i)及び(ii)の少なくともいずれかである請求項8及び10のいずれかに記載のセンサ。
(i)前記支持要素が、低い誘電係数を有する、
(ii)前記支持要素が、実装された多重コイルインダクタと接触しているフッ素化ポリマーを含む。 - 更に、センサの動作周波数を調整する調整手段を含む請求項1から11のいずれかに記載のセンサ。
- 調整手段が、次の(i)から(v)の少なくともいずれかである請求項12に記載のセンサ。
(i)調整可能なターン間ステップである、
(ii)少なくとも1つの検知コイルにおける調整可能な直径である、
(iii)少なくとも1つの検知コイルにおける調整可能なターン数である、
(iv)少なくとも1つの検知コイルにおける調整可能な固有又は分布キャパシタンスである、
(v)少なくとも1つの検知コイルの自己キャパシタンスを増減する変更可能なバスケット巻線である。 - 更に、次の(i)から(iii)の少なくともいずれかと通信及び電気接続の少なくともいずれかがなされる位相検出器を含む請求項2から13のいずれかに記載のセンサ。
(i)少なくとも1つの交流源、並びに、少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれか、
(ii)少なくとも1つの検知コイル、及び、少なくとも1つの励振コイル、
(iii)少なくとも1つの検知コイルのみ。 - 少なくとも1つの検知コイルの一部及び少なくとも1つの励振コイルの一部が、互いに空間的に分離されている請求項1から14のいずれかに記載のセンサ。
- 被試験物体が、導体、半導体及び絶縁体の少なくともいずれかである請求項1から15のいずれかに記載のセンサ。
- 少なくとも1つの励振コイル及び少なくとも1つの検知コイルが、分離した巻線であり、且つ電磁気的に結合している請求項1から16のいずれかに記載のセンサ。
- 少なくとも1つの励振コイル及び少なくとも1つの検知コイルが、単巻であり、且つ電磁気的に結合している請求項1から16のいずれかに記載のセンサ。
- 少なくとも1つの励振コイル及び少なくとも1つの検知コイルが、直列に配置されており、且つ電磁気的に結合している請求項18に記載のセンサ。
- 少なくとも1つの励振コイル及び少なくとも1つの検知コイルが単巻の1以上のターンの少なくとも一部を共有しており、電磁気的に結合している請求項18に記載のセンサ。
- 気体、流体及び固体の物体の標的とする化学的性質及び物理的性質を非接触的且つ非侵襲的に測定及び分析するためのインピーダンス検知システムであって、
(A)請求項1から20のいずれかに記載の少なくとも1つの共振型インピーダンスセンサと、
(B)少なくとも1つの励振コイルに電気的に接続されている周波数掃引を行う少なくとも1つの交流源と、
(C)前記少なくとも1つの共振型インピーダンスセンサ又は少なくとも1つの検知コイルと通信する、少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれかと、
但し、ここで前記少なくとも1つの検知コイルのLCRパラメータは所定の周波数又は所定の周波数領域において被試験物体のインピーダンスを測定するための共振条件を提供するものであり、
(D)少なくとも1つの交流源、並びに前記少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれかと通信する制御システムと、
を含むことを特徴とするインピーダンス検知システム。 - 更に、少なくとも1つの検知コイルによって誘起される電磁場が被試験物体を透過することができるように、前記被試験物体をセンサに近接して配置させる固定具を含む請求項21に記載のインピーダンス検知システム。
- 更に、気体、液体、又はバルク材料の被試験物体を収容するための容器を含む請求項21から22のいずれかに記載の検知システム。
- 次の(i)から(ii)の少なくともいずれかである請求項23に記載の検知システム。
(i)少なくとも1つのセンサが、容器を取り囲むようになっており、前記センサが、円筒形多重コイルインダクタとして形成される。
(ii)少なくとも1つのセンサが、容器の外壁又は内壁に実装される。 - 更に、パイプ部分を含み、少なくとも1つのセンサが、前記パイプ部分に設置される請求項21から24のいずれかに記載の検知システム。
- 更に、少なくとも1つのバイパス管又はチャンネル群を含み、少なくとも1つのセンサが、前記少なくとも1つのバイパス管又はチャンネル群に設置される請求項21から25のいずれかに記載の検知システム。
- 更に、測定誤差の補正に使用可能なレファレンス情報を提供するために被試験物体の外側の環境条件を測定する手段を含む請求項21から26のいずれかに記載の検知システム。
- 環境条件を測定する手段が、少なくとも1つの更なるインピーダンスセンサを含む請求項27に記載の検知システム。
- 次の(i)及び(ii)の少なくともいずれかである請求項21から28のいずれかに記載の検知システム。
(i)少なくとも1つのデータ処理システム及びDAQの少なくともいずれかが、高いインピーダンス入力を有する、
(ii)前記インピーダンス入力が10MΩよりも高い。 - 少なくとも1つの交流源が、調整可能な電流出力を有する請求項21から29のいずれかに記載の検知システム。
- 請求項1から20のいずれかに記載の少なくとも1つの共振型インピーダンスセンサによって物体の化学的性質及び物理的性質を測定する方法であって、
(A)被試験物体のないところで、前記センサの共振周波数(自己共振周波数)及び振幅を測定する工程と、
(B)前記センサによって誘起される電磁場が被試験物体を透過することができるように少なくとも1つのアナライトを含む前記被試験物体を前記センサに近接して配置する工程と、
(C)前記被試験物体の存在下で前記センサの共振周波数及び振幅を測定する工程と、
(D)前記センサと前記被試験物体との間の電磁相互作用によって誘導される前記振幅及び前記共振周波数の変化を計算して、前記被試験物体のインピーダンスを求める工程と、
(E)前記インピーダンスを所定の較正データと整合させて、前記被試験物体の化学的性質及び物理的性質を求める工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項14に記載の少なくとも1つの共振型インピーダンスセンサにより被試験物体の化学的性質及び物理的性質を測定する方法であって、
(A)被試験物体の無いところで、前記少なくとも1つのセンサの検知コイルの共振周波数近傍における所定の周波数のところで、少なくとも以下のいずれかを測定する工程と、
(i)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの振幅、及び前記検知コイルの電圧と電流との間の位相変位、
(ii)前記少なくとも1つのセンサの励振コイルに相関する前記検知コイルの位相変位、
(B)前記少なくとも1つのセンサによって誘起される電磁場が被試験物体を透過することができるように、少なくとも1つのアナライトを含む前記被試験物体を前記少なくとも1つのセンサに近接して配置する工程と、
(C)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの共振周波数近傍における所定の周波数のもとで前記被試験物体があるところで、少なくとも以下のいずれかを測定する工程と、
(i)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの振幅、及び前記検知コイルの電圧と電流との間の位相変位、
(ii)前記少なくとも1つのセンサの前記励振コイルに相関する前記検知コイルの位相変位、
(D)前記少なくとも1つのセンサと前記被試験物体との間の電磁相互作用によって誘起される前記振幅及び前記共振周波数の変化を計算して、前記被試験物体のインピーダンスを求める工程と、
(E)前記インピーダンスを所定の較正データと整合させて、前記被試験物体の化学的性質及び物理的性質を求める工程と、
を含む方法。 - 請求項21から30のいずれかに記載の少なくとも1つの検知システムにより物体の化学的性質及び物理的性質を測定する方法であって、
(A)被試験物体のないところで、センサの共振周波数(自己共振周波数)及び振幅を測定する工程と、
(B)前記センサによって誘起される電磁場が被試験物体を透過することができるように少なくとも1つのアナライトを含む前記被試験物体を前記センサに近接して配置する工程と、
(C)前記被試験物体の存在下で前記センサの共振周波数及び振幅を測定する工程と、
(D)前記センサと前記被試験物体との間の電磁相互作用によって誘起される前記振幅及び前記共振周波数の変化を計算して、前記被試験物体のインピーダンスを求める工程と、
(E)前記インピーダンスを所定の較正データと整合させて、前記被試験物体の化学的性質及び物理的性質を求める工程と、
を含む方法。 - 請求項21から30のいずれかに記載の少なくとも1つ検知システムにより物体の化学的性質及び物理的性質を測定する方法であって、
(A)被試験物体の無いところで、前記少なくとも1つのセンサの検知コイルの共振周波数近傍における所定の周波数のところで、少なくとも以下のいずれかを測定する工程と、
(i)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの振幅、及び前記検知コイルの電圧と電流との間の位相変位、
(ii)前記少なくとも1つのセンサの励振コイルに相関する前記検知コイルの位相変位、
(B)前記少なくとも1つのセンサによって誘起される電磁場が被試験物体を透過することができるように、少なくとも1つのアナライトを含む前記被試験物体を前記少なくとも1つのセンサに近接して配置する工程と、
(C)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの共振周波数近傍における所定の周波数のもとで前記被試験物体があるところで、少なくとも以下のいずれかを測定する工程と、
(i)前記少なくとも1つのセンサの前記検知コイルの振幅、及び前記検知コイルの電圧と電流との間の位相変位、
(ii)前記少なくとも1つのセンサの前記励振コイルに相関する前記検知コイルの位相変位、
(D)前記少なくとも1つのセンサと前記被試験物体との間の電磁相互作用によって誘起される前記振幅及び前記共振周波数の変化を計算して、前記被試験物体のインピーダンスを求める工程と、
(E)前記インピーダンスを所定の較正データと整合させて、前記被試験物体の化学的性質及び物理的性質を求める工程と、
を含む方法。 - 更に、インピーダンスの時間変化をモニターする工程と、被試験物体の化学的性質及び物理的性質をインピーダンスの前記時間変化に関連付ける工程とを含む請求項31から34のいずれかに記載の方法。
- 更に、少なくとも1つのセンサの感度を高めるために被試験物体に更に外部影響を与える工程を含む請求項31から32のいずれかに記載の方法。
- 更に、検知システムの感度を高めるために被試験物体に更に外部影響を与える工程を含む請求項33から34のいずれかに記載の方法。
- 更なる外部影響が、UV、IR、磁場、静電場、及び音波(超音波)からなる群より選択される請求項36から37のいずれかに記載の方法。
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