JPH08210960A - 重合体に基づくセンサーによる二酸化炭素のような無極性ガスの濃度測定法および濃度センサー構造 - Google Patents
重合体に基づくセンサーによる二酸化炭素のような無極性ガスの濃度測定法および濃度センサー構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題と解決】 重合体膜（２）に吸着／吸収された無
極性ガスの濃度を、重合体膜（２）の重量を検出するこ
とにより測定する、重合体に基づくセンサーにより二酸
化炭素のような無極性ガスの濃度測定法において、重合
体膜（２）の誘電率（ε）を測定し、測定した誘電率に
基づき、重量測定で得られた濃度測定結果に対し補正を
行うことを特徴としている。結晶（１）、結晶（１）に
振動を発生するために結晶（１）の表面に形成された第
１の電極対（３）、重量が測定しようとするガス濃度に
比例する重合体膜（２）からなる、二酸化炭素のような
無極性ガスの濃度測定用のセンサー構造において、第２
の電極対（４）を重合体膜（２）の表面に形成し、頂部
電極（５）を測定しようとするガスに対し透過性にする
ことを特徴としている。重合体膜に吸収／吸着された湿
度の量を検出することにより、他の無極性ガスの測定に
おいて湿度の効果を除去できる。
極性ガスの濃度を、重合体膜（２）の重量を検出するこ
とにより測定する、重合体に基づくセンサーにより二酸
化炭素のような無極性ガスの濃度測定法において、重合
体膜（２）の誘電率（ε）を測定し、測定した誘電率に
基づき、重量測定で得られた濃度測定結果に対し補正を
行うことを特徴としている。結晶（１）、結晶（１）に
振動を発生するために結晶（１）の表面に形成された第
１の電極対（３）、重量が測定しようとするガス濃度に
比例する重合体膜（２）からなる、二酸化炭素のような
無極性ガスの濃度測定用のセンサー構造において、第２
の電極対（４）を重合体膜（２）の表面に形成し、頂部
電極（５）を測定しようとするガスに対し透過性にする
ことを特徴としている。重合体膜に吸収／吸着された湿
度の量を検出することにより、他の無極性ガスの測定に
おいて湿度の効果を除去できる。
Description
【０００１】本発明は、重合体膜に吸着／吸収された無
極性ガスの濃度を、重合体膜の重量を検出することによ
り測定する、重合体に基づくセンサーによる、二酸化炭
素のような無極性ガスの濃度測定のための方法に関す
る。
極性ガスの濃度を、重合体膜の重量を検出することによ
り測定する、重合体に基づくセンサーによる、二酸化炭
素のような無極性ガスの濃度測定のための方法に関す
る。
【０００２】本発明はまた、濃度センサー構造、特に、
結晶（１）、結晶（１）に振動を発生するために結晶
（１）の表面に形成された第１の電極対（３）、重量が
測定しようとするガス濃度に比例する重合体膜（２）か
らなる、二酸化炭素のような無極性ガスの濃度測定用の
センサー構造に関する。
結晶（１）、結晶（１）に振動を発生するために結晶
（１）の表面に形成された第１の電極対（３）、重量が
測定しようとするガス濃度に比例する重合体膜（２）か
らなる、二酸化炭素のような無極性ガスの濃度測定用の
センサー構造に関する。
【０００３】水は一般に全ての重合体にかなりの量で吸
収される。水の他に、例えば膜被覆石英結晶または表面
音波部品を利用して、重合体膜の秤量に基づく方法を使
い、他のガスの濃度を測定することが望まれるとき、水
の存在は強い妨害因子を形成する。空気の相対湿度の変
化によって、吸収／吸着される水の量も変化し、したが
って重合体膜の重量も変化する。
収される。水の他に、例えば膜被覆石英結晶または表面
音波部品を利用して、重合体膜の秤量に基づく方法を使
い、他のガスの濃度を測定することが望まれるとき、水
の存在は強い妨害因子を形成する。空気の相対湿度の変
化によって、吸収／吸着される水の量も変化し、したが
って重合体膜の重量も変化する。
【０００４】本発明の目的は、上記技術の欠点を克服す
ることであり、重合体に基づくセンサーによって、二酸
化炭素のような無極性ガスの濃度を測定するための全く
新規な型の方法およびセンサー構造を達成することであ
る。
ることであり、重合体に基づくセンサーによって、二酸
化炭素のような無極性ガスの濃度を測定するための全く
新規な型の方法およびセンサー構造を達成することであ
る。
【０００５】重合体膜の誘電率εの測定により、実際に
はセンサー構造のキャパシタンスの測定により、重合体
膜に吸収／吸着された湿度（すなわち水）の量を検出す
ることにより、本発明の目的は達成される。こうして、
重合体膜の秤量に基づく他の無極性ガス（CO2のよう
な）の測定において、湿度の効果を除去できる。
はセンサー構造のキャパシタンスの測定により、重合体
膜に吸収／吸着された湿度（すなわち水）の量を検出す
ることにより、本発明の目的は達成される。こうして、
重合体膜の秤量に基づく他の無極性ガス（CO2のよう
な）の測定において、湿度の効果を除去できる。
【０００６】さらに詳しくは、本発明の方法は、重合体
に基づくセンサーによる二酸化炭素のような無極性ガス
の濃度測定法において、重合体膜（２）の誘電率（ε）
を測定し、測定した誘電率に基づき、重量測定で得られ
た濃度測定結果に対し補正を行うことを特徴としてい
る。さらに、本発明の方法は、重合体膜（２）を振動結
晶（１）の表面に形成し、振動数の変化から重合体膜
（２）の質量を検出するガスの低濃度測定において、第
１工程で、重合体膜（２）の質量に対する測定しようと
するガス濃度の効果を制御条件下で決定し、第２工程
で、重合体膜（２）のキャパシタンスと重合体膜（２）
の質量との関係を、測定しようとするガスの零濃度にお
いて、全環境湿度範囲にわたり決定し、膜質量の測定で
得られた結果をキャパシタンス測定工程で得られた湿度
補正関数により補正することにより測定しようとするガ
スの分圧を決定することを特徴とする。さらに、最後に
測定しようとするガスの収着に対する相対湿度の妨害効
果を考慮する項によって結果を補正することを特徴とし
てよい。
に基づくセンサーによる二酸化炭素のような無極性ガス
の濃度測定法において、重合体膜（２）の誘電率（ε）
を測定し、測定した誘電率に基づき、重量測定で得られ
た濃度測定結果に対し補正を行うことを特徴としてい
る。さらに、本発明の方法は、重合体膜（２）を振動結
晶（１）の表面に形成し、振動数の変化から重合体膜
（２）の質量を検出するガスの低濃度測定において、第
１工程で、重合体膜（２）の質量に対する測定しようと
するガス濃度の効果を制御条件下で決定し、第２工程
で、重合体膜（２）のキャパシタンスと重合体膜（２）
の質量との関係を、測定しようとするガスの零濃度にお
いて、全環境湿度範囲にわたり決定し、膜質量の測定で
得られた結果をキャパシタンス測定工程で得られた湿度
補正関数により補正することにより測定しようとするガ
スの分圧を決定することを特徴とする。さらに、最後に
測定しようとするガスの収着に対する相対湿度の妨害効
果を考慮する項によって結果を補正することを特徴とし
てよい。
【０００７】さらに、本発明のセンサー構造は、第２の
電極対（４）を重合体膜（２）の表面に形成し、頂部電
極（５）を測定しようとするガスに対し透過性にするこ
とを特徴としている。
電極対（４）を重合体膜（２）の表面に形成し、頂部電
極（５）を測定しようとするガスに対し透過性にするこ
とを特徴としている。
【０００８】本発明は著しい利点を与える。
【０００９】相当湿度変動の効果をほとんど完全に除去
できるから、無極性ガスの濃度測定の精度を本質的に増
すことができる。
できるから、無極性ガスの濃度測定の精度を本質的に増
すことができる。
【００１０】次に、添付図面に関し、実施態様を示すこ
とにより、本発明をさらに詳細に説明する。
とにより、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１１】次に、本発明に従う測定アルゴリズムにつ
き、例を示す。
き、例を示す。
【００１２】１．膜質量の応答関数は、測定しようとす
るガスに対し、次のように定義される。 Pk＝f1（S1） 上記式中、Pk＝測定しようとするガスの分圧、 S1＝センサーの膜質量に関連した出力変数（例えば、振
動数）。 典型的には、関数f1は次の多項式であることができる。
るガスに対し、次のように定義される。 Pk＝f1（S1） 上記式中、Pk＝測定しようとするガスの分圧、 S1＝センサーの膜質量に関連した出力変数（例えば、振
動数）。 典型的には、関数f1は次の多項式であることができる。
【数１】 上記式中、aiは定数である。
【００１３】２．重合体膜のキャパシタンスと重合体膜
の質量との関係を、測定しようとするガスの零濃度にお
いて、相対湿度の全範囲にわたり決定する。 S1rh＝f2（C） 上記式で、Ｃはセンサー構造のキャパシタンスである。
典型的には、関数f2は次の多項式であることができる。
の質量との関係を、測定しようとするガスの零濃度にお
いて、相対湿度の全範囲にわたり決定する。 S1rh＝f2（C） 上記式で、Ｃはセンサー構造のキャパシタンスである。
典型的には、関数f2は次の多項式であることができる。
【数２】 上記式中、biは定数である。
【００１４】３．環境測定で典型的であるような、測定
しようとするガスの濃度においては、吸着／吸収された
水の量は、測定しようとするガスの収着に僅かばかりの
効果を持つ。そこで、重合体膜の全質量Stotとそのキャ
パシタンスＣが既知のときは、測定しようとするガスの
分圧を計算できる。 Pk＝f1（Stot−f2(C)） 測定しようとするガスの高分圧においては、吸着／吸収
された水の量は、測定しようとするガスの収着に影響を
与える。従って、次の方法を一般化する必要がある。 Pk＝f3（Stot，C） 関数f3の典型的形は、次のように記載できる。
しようとするガスの濃度においては、吸着／吸収された
水の量は、測定しようとするガスの収着に僅かばかりの
効果を持つ。そこで、重合体膜の全質量Stotとそのキャ
パシタンスＣが既知のときは、測定しようとするガスの
分圧を計算できる。 Pk＝f1（Stot−f2(C)） 測定しようとするガスの高分圧においては、吸着／吸収
された水の量は、測定しようとするガスの収着に影響を
与える。従って、次の方法を一般化する必要がある。 Pk＝f3（Stot，C） 関数f3の典型的形は、次のように記載できる。
【数３】
【００１５】次に、図１および図４に示したセンサー構
造について、実用的例を記載する。図１および図４にお
いて、石英結晶１は重合体膜２で被覆されている。コー
ティング前は、結晶１の共鳴周波数は約１１MHzであっ
た。膜２で結晶１をコーティング後は、共鳴周波数は約
６０kHz下がった。膜２の厚さは、０．１−１０μｍの
範囲で変化でき、典型的には、膜厚は約１μｍである。
結晶１の頂部には、振動発生のための第１電極構造３お
よびキャパシタンス測定のための第２電極構造４が形成
されている。重合体膜２上に形成された第２電極構造４
の上部表面電極５は、測定しようとするガスに対し透過
性になっている。電極は、接触領域６で、測定および制
御回路（示されていない）に接続される。
造について、実用的例を記載する。図１および図４にお
いて、石英結晶１は重合体膜２で被覆されている。コー
ティング前は、結晶１の共鳴周波数は約１１MHzであっ
た。膜２で結晶１をコーティング後は、共鳴周波数は約
６０kHz下がった。膜２の厚さは、０．１−１０μｍの
範囲で変化でき、典型的には、膜厚は約１μｍである。
結晶１の頂部には、振動発生のための第１電極構造３お
よびキャパシタンス測定のための第２電極構造４が形成
されている。重合体膜２上に形成された第２電極構造４
の上部表面電極５は、測定しようとするガスに対し透過
性になっている。電極は、接触領域６で、測定および制
御回路（示されていない）に接続される。
【００１６】センサーの第２電極構造４のキャパシタン
スは、１００kHz測定周波数で測定され、相対湿度の関
数としての結晶１の共鳴周波数の変化を次表に示す。
スは、１００kHz測定周波数で測定され、相対湿度の関
数としての結晶１の共鳴周波数の変化を次表に示す。
【表１】
【００１７】共鳴周波数の変化は、傾斜ｄｆ／ｄC＝−
１４４．４でもって、センサーのキャパシタンスに直線
的に比例することが表からわかる。表に相当するグラフ
を図２にプロットした。
１４４．４でもって、センサーのキャパシタンスに直線
的に比例することが表からわかる。表に相当するグラフ
を図２にプロットした。
【００１８】次表は、２つの異なるCO2濃度において、
環境相対湿度の関数としての測定結果を示す。
環境相対湿度の関数としての測定結果を示す。
【表２】
【００１９】センサー構造のキャパシタンスは、変化し
ないでとどまることが表からわかる。センサーのキャパ
シタンスが既知でない限り、CO2の１０００ｐｐｍ濃度
さえ検出できない。表に示した結果に相当するグラフを
図３にプロットした。
ないでとどまることが表からわかる。センサーのキャパ
シタンスが既知でない限り、CO2の１０００ｐｐｍ濃度
さえ検出できない。表に示した結果に相当するグラフを
図３にプロットした。
【００２０】上記のアルゴリズムを、最も簡単な可能な
形で適用する。
形で適用する。
【００２１】周波数変化ｄｆを、重合体膜の重量を示す
測定変数として選ぶ。０％相対湿度（ＲＨ）で、０ｐｐ
ｍから１０００ｐｐｍの測定結果の間の線を適合させる
ことにより、次式が得られる。 PPMCO2＝−１７．４ｄｆ
測定変数として選ぶ。０％相対湿度（ＲＨ）で、０ｐｐ
ｍから１０００ｐｐｍの測定結果の間の線を適合させる
ことにより、次式が得られる。 PPMCO2＝−１７．４ｄｆ
【００２２】結晶共鳴周波数の変化として、湿度の効果
を記載する最も簡単な式は次の通りである。 dfrh＝５９２１．３４−１１４．４Ｃ
を記載する最も簡単な式は次の通りである。 dfrh＝５９２１．３４−１１４．４Ｃ
【００２３】そこで、CO2濃度は次のように計算でき
る。 PPMCO2（df,C）＝−１７．４（df-(5921.34-114.4C)）
る。 PPMCO2（df,C）＝−１７．４（df-(5921.34-114.4C)）
【００２４】この式を上記測定結果に適用すると、次表
の補正が得られる。
の補正が得られる。
【表３】
【００２５】表からわかるように、最高環境湿度で、最
高濃度の測定においては、−５９ｐｐｍの最高誤差が起
る。測定精度は、従来技術に対し、１０倍以上向上す
る。
高濃度の測定においては、−５９ｐｐｍの最高誤差が起
る。測定精度は、従来技術に対し、１０倍以上向上す
る。
【図１】図１は本発明に従うセンサー構造の縦断面図で
ある。
ある。
【図２】図２は、センサーのキャパシタンスに対する相
対湿度の効果を示すグラフである。
対湿度の効果を示すグラフである。
【図３】図３は、２つの異なるCO2濃度において、相対
湿度の関数としての結晶振動数の変化を示すグラフであ
る。
湿度の関数としての結晶振動数の変化を示すグラフであ
る。
【図４】図４は、上部電極、重合体膜、透明に示した結
晶を有する、図１に示したセンサー構造の上面図であ
る。
晶を有する、図１に示したセンサー構造の上面図であ
る。
Claims (4)
- 【請求項１】 重合体膜（２）に吸着／吸収された無極
性ガスの濃度を、重合体膜（２）の重量を検出すること
により測定する、重合体に基づくセンサーによる二酸化
炭素のような無極性ガスの濃度測定法において、重合体
膜（２）の誘電率（ε）を測定し、測定した誘電率に基
づき、重量測定で得られた濃度測定結果に対し補正を行
うことを特徴とするもの。 - 【請求項２】 重合体膜（２）を振動結晶（１）の表面
に形成し、振動数の変化から重合体膜（２）の質量を検
出するガスの低濃度測定において、第１工程で、重合体
膜（２）の質量に対する測定しようとするガス濃度の効
果を制御条件下で決定し、第２工程で、重合体膜（２）
のキャパシタンスと重合体膜（２）の質量との関係を、
測定しようとするガスの零濃度において、全環境湿度範
囲にわたり決定し、最後に膜質量の測定で得られた結果
をキャパシタンス測定工程で得られた湿度補正関数によ
り補正することにより測定しようとするガスの分圧を決
定することを特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項３】 重合体膜（２）を振動結晶（１）の表面
に形成し、振動数の変化から重合体膜（２）の質量を検
出するガスの高濃度測定において、第１工程で、重合体
膜（２）に対する測定しようとするガス濃度の効果を制
御条件下で決定し、第２工程で、重合体膜（２）のキャ
パシタンスと重合体膜（２）の質量との関係を測定しよ
うとするガスの零濃度において、全環境湿度範囲にわた
り決定し、膜質量の測定で得られた結果をキャパシタン
ス測定工程で得られた湿度補正関数により補正すること
により測定しようとするガスの分圧を決定し、最後に測
定しようとするガスの収着に対する相対湿度の妨害効果
を考慮する項によって結果を補正することを特徴とする
請求項１の方法。 - 【請求項４】 結晶（１）、結晶（１）に振動を発生す
るために結晶（１）の表面に形成された第１の電極対
（３）、重量が測定しようとするガス濃度に比例する重
合体膜（２）からなる、二酸化炭素のような無極性ガス
の濃度測定用のセンサー構造において、第２の電極対
（４）を重合体膜（２）の表面に形成し、頂部電極
（５）を測定しようとするガスに対し透過性にすること
を特徴とするもの。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI944950 | 1994-10-21 | ||
| FI944950A FI98960C (fi) | 1994-10-21 | 1994-10-21 | Menetelmä ei-polaaristen kaasujen, kuten hiilidioksidin pitoisuuden mittaamiseksi polymeeripohjaisella anturilla sekä anturirakenne |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08210960A true JPH08210960A (ja) | 1996-08-20 |
| JP3773971B2 JP3773971B2 (ja) | 2006-05-10 |
Family
ID=8541643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27110795A Expired - Fee Related JP3773971B2 (ja) | 1994-10-21 | 1995-10-19 | 重合体に基づくセンサーによる二酸化炭素のような無極性ガスの濃度測定法および濃度センサー構造 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5625139A (ja) |
| EP (1) | EP0708328B1 (ja) |
| JP (1) | JP3773971B2 (ja) |
| DE (1) | DE69530549T2 (ja) |
| FI (1) | FI98960C (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5756879A (en) * | 1996-07-25 | 1998-05-26 | Hughes Electronics | Volatile organic compound sensors |
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