JP6714235B2 - 物質検出システム及び物質検出方法 - Google Patents
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Description
[物質検出システムの概要]
本実施の形態に係る物質検出システムは、被測定対象の物体から放出される汚染物質を含むガス(以下、アウトガスという)の有無を検出するとともに、アウトガスを検出した場合に、アウトガスの種別を特定するためのシステムである。物質検出システム1は、アウトガスがQCMセンサーモジュールに付着することによりQCMセンサーモジュールが有する水晶振動子の共振周波数が変化することにより、アウトガスを検出する。
物質検出システム1は、アウトガスに含まれる物質の種別を特定するために、QCMセンサーモジュールが有する水晶振動子の電極を徐々に加熱して、電極に付着したアウトガスが脱離する速度を測定する。
以下、QCMセンサーモジュール2の特徴的な構造について説明する。
従来、水晶基板は、ベース基板に導電性接着剤で電気的に接続されていた。しかしながら、導電性接着剤を用いると、導電性接着剤からアウトガスが発生してしまうため、被測定対象物から放出されるアウトガスの測定精度が低下してしまうという問題があった。また、導電性接着剤を用いると、リファレンス水晶振動子211及び検出用水晶振動子212の容量に差が生じてしまうことにより、特性が変化してしまうという問題もあった。そこで、本実施形態に係るQCMセンサーモジュール2においては、弾性を有する固定部材を用いて水晶基板21をベース基板22に固定している。
図5は、発振回路モジュール24の構成を示す図である。発振回路モジュール24は、図6に示す制御装置10が有する周波数測定部12の制御に基づいて、リファレンス水晶振動子211及び検出用水晶振動子212を、基本波周波数及び3倍波周波数で順次発振させる発振制御部として機能する。発振回路モジュール24は、スイッチ241と、スイッチ242と、基本波発振部243と、3倍波発振部244と、スイッチ245とを有する。発振回路モジュール24は、制御装置10から入力される制御情報に基づいて動作する。
(ステップ1)リファレンス水晶振動子211を基本波周波数で発振させる。
(ステップ2)リファレンス水晶振動子211を3倍波周波数で発振させる。
(ステップ3)検出用水晶振動子212を基本波周波数で発振させる。
(ステップ4)検出用水晶振動子212を3倍波周波数で発振させる。
発振回路モジュール24は、ステップ4の後に、ステップ1に戻る。なお、ステップ1からステップ4までの実行順序は任意である。
図6は、制御装置10の機能構成を示す図である。制御装置10は、電力供給部11と、周波数測定部12と、制御部13とを有する。制御部13は、例えばCPU(Central Processing Unit)や汎用PCであり、不揮発メモリやハードディスク等の記憶媒体(不図示)に記憶されたプログラムを実行することにより、電力制御部131、温度特定部132及び物質特定部133として機能する。
物質特定部133は、周波数測定部12が測定したリファレンス基本波周波数と検出用基本波周波数との差、又はリファレンス3倍波周波数と検出用3倍波周波数との差の少なくともいずれかと、温度特定部132が特定した温度とに基づいて、検出用水晶振動子212に付着したアウトガスが検出用水晶振動子212から脱離した温度を特定する。脱離した温度を特定することにより、アウトガスの種別を特定することができる。
図10は、制御装置10がアウトガスの脱離速度を特定する動作のフローチャートである。
まず、図10のフローチャートは、冷却装置4の内部が−190℃以下に冷却され、検出対象物質収容部3に収容された物体からアウトガスが発生し、ある量のアウトガスを検出用水晶振動子212に付着させた状態から開始する。
以上説明したように、物質検出システム1においては、電力制御部131が水晶基板21の表面温度を上昇させながら、発振回路モジュール24が、単一の水晶基板21に形成されたリファレンス水晶振動子211及び検出用水晶振動子212を、基本波周波数及び3倍波周波数で順次発振させる。そして、温度特定部132は、リファレンス水晶振動子211及び検出用水晶振動子212の少なくともいずれかの基本波周波数の偏差と、リファレンス3倍波周波数の偏差との差分に基づいて、水晶基板21の表面温度を特定する。
図11は、第2の実施形態に係るQCMセンサーモジュール2及び制御装置10の構成を示す図である。図11に示すQCMセンサーモジュール2は、水晶基板21に温度センサー214が設けられている点で、図6に示した第1の実施形態に係るQCMセンサーモジュール2と異なり、他の点で同じである。また、図11に示す制御装置10は、温度特定部132が、温度センサー214の抵抗値に基づいて温度を特定するという点で、第1の実施形態と異なり、他の点で同じである。
2 QCMセンサーモジュール
3 収容部
4 冷却装置
5 出力インターフェース
6 接続ケーブル
10 制御装置
11 電力供給部
12 周波数測定部
13 制御部
21 水晶基板
22 ベース基板
23 ヒーター
24 発振回路モジュール
25 ベース部材
26 結合ソケット
27 カバー
29 クリップ
131 電力制御部
132 温度特定部
133 物質特定部
211 リファレンス水晶振動子
212 検出用水晶振動子
213 電極
214 温度センサー
221 段差
222 凸部
241 スイッチ
242 スイッチ
243 基本波発振部
244 3倍波発振部
245 スイッチ
271 凹部
272 穴
291 突起
292 下面
293 上面
Claims (10)
- 単一の水晶基板に形成されたリファレンス水晶振動子及び検出用水晶振動子と、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子を、基本波周波数及び3倍波周波数で順次発振させる発振制御部と、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子の基本波周波数、並びに前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子の3倍波周波数の少なくともいずれかを測定する周波数測定部と、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子の少なくともいずれかの所定の基準基本波周波数に対する前記基本波周波数の偏差と、所定の基準3倍波周波数に対する前記3倍波周波数の偏差と、の差分に基づいて、前記水晶基板の表面温度を特定する温度特定部と、
前記周波数測定部が測定した前記リファレンス水晶振動子の基本波周波数と前記検出用水晶振動子の基本波周波数との差、又は前記リファレンス水晶振動子の3倍波周波数と前記検出用水晶振動子の3倍波周波数との差の少なくともいずれかと、前記温度特定部が特定した温度とに基づいて、前記検出用水晶振動子に付着した汚染物質が前記検出用水晶振動子から脱離した温度を特定し、前記脱離した温度に基づき前記汚染物質を特定する物質特定部と、
を有する物質検出システム。 - 前記発振制御部は、前記リファレンス水晶振動子を前記基本波周波数で発振させるか前記3倍波周波数で発振させるかを時分割で切り替える、
請求項1に記載の物質検出システム。 - 前記発振制御部は、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子を基本波周波数で発振させる基本波発振部と、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子を3倍波周波数で発振させる3倍波発振部と、
前記リファレンス水晶振動子及び前記検出用水晶振動子のいずれか一方を選択する振動子選択部と、
前記基本波発振部及び前記3倍波発振部のいずれか一方を選択する発振部選択部と、
を有する、
請求項1又は2に記載の物質検出システム。 - 前記温度特定部が特定した温度に基づいて、前記水晶基板を加熱する加熱部と、
をさらに有する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の物質検出システム。 - 前記温度特定部が特定した温度と目標温度との差に基づいて、前記加熱部における加熱量を制御する加熱制御部と、
をさらに有する、
請求項4に記載の物質検出システム。 - 前記物質特定部は、前記リファレンス水晶振動子の基本波周波数と前記検出用水晶振動子の基本波周波数との差、又は前記リファレンス水晶振動子の3倍波周波数と前記検出用水晶振動子の3倍波周波数との差の変化に基づいて、前記汚染物質が脱離した温度を特定する、
請求項1から5のいずれか一項に記載の物質検出システム。 - 前記水晶基板が設けられたベース基板と、
前記ベース基板と前記水晶基板とを挟むことにより前記ベース基板に前記水晶基板を固定する固定部材と、
をさらに有する、
請求項1から6のいずれか一項に記載の物質検出システム。 - 前記ベース基板の前記水晶基板が設けられた側と反対側に設けられており、前記水晶基板を加熱する加熱部をさらに有する、
請求項7に記載の物質検出システム。 - 前記リファレンス水晶振動子を覆うとともに、前記検出用水晶振動子を露出させるカバー部材をさらに有する、
請求項1から8のいずれか一項に記載の物質検出システム。 - 単一の水晶基板に形成されたリファレンス水晶振動子及び検出用水晶振動子を有するQCMセンサーモジュールを用いて物質を検出するための方法であって、
前記リファレンス水晶振動子を基本波周波数で発振させている間に出力される発振信号のリファレンス基本波周波数を測定するステップと、
前記検出用水晶振動子を基本波周波数で発振させている間に出力される発振信号の検出用基本波周波数を測定するステップと、
前記リファレンス水晶振動子を3倍波周波数で発振させている間に出力される発振信号のリファレンス3倍波周波数を測定するステップと、
前記検出用水晶振動子を3倍波周波数で発振させている間に出力される発振信号の検
出用3倍波周波数を測定するステップと、
所定の基準基本波周波数に対する前記リファレンス基本波周波数の偏差と、所定の基準3倍波周波数に対する前記リファレンス3倍波周波数の偏差との差分に基づいて、前記水晶基板の表面温度を特定するステップと、
前記リファレンス基本波周波数と前記検出用基本波周波数との差と特定した温度とに基づいて、前記検出用水晶振動子に付着した汚染物質が前記検出用水晶振動子から脱離した温度を特定し、前記脱離した温度に基づき前記汚染物質を特定するステップと、
を有する物質検出方法。
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