KR102468115B1 - 기체 작용제를 검출하기 위한 물질 및 센서 - Google Patents

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Abstract

기체 작용제를 검출하기 위한 센서가, 안테나를 형성하는 전기 공진 회로를 포함하는 변환기를 구비한다. 센서는, 변환기의 적어도 일부분 상에 배치되는 감지 물질을 더 포함한다. 감지 물질은, 기체 작용제의 존재 시에, 커패시턴스 응답 및 저항 응답을 동시적으로 나타내도록 구성된다. 센서는, 가역적일 수 있고, 배터리를 갖지 않을 수 있으며, 그리고 센서 판독기와의 전기적 접촉을 필요로 하지 않을 수 있을 것이다.

Description

기체 작용제를 검출하기 위한 물질 및 센서{MATERIALS AND SENSORS FOR DETECTING GASEOUS AGENTS}
본 발명의 실시예들은, 기체 작용제의 검출을 위한 센서 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 이산화염소, 과산화수소, 포름알데히드, 과초산(peracetic acid), 메틸 브롬화물, 에틸렌 산화물, 오존, 그리고 살균 작용제, 훈증(fumigation) 작용제, 또는 오염제거 작용제로서 이용될 수 있는, 다른 기체 작용제들의 검출들을 위한 물질 및 센서에 관한 것이다.
상이한 환경들에 대한 오염제거, 훈증 또는 살균이, 예를 들어, 건강관리, 식품 안전, 및 동물 안전을 포함하는 넓은 범위의 적용들에서 중요하다. 이에 국한되는 것은 아니지만, 이산화염소, 포름알데히드, 과산화수소 중기, 과초산, 메틸 브롬화물, 오존, 및 에틸렌 산화물을 포함하는, 많은 수의 기체들이, 살균, 훈증, 또는 오염제거의 목적을 위해서 이용될 수 있다. 이러한 기체들뿐만 아니라, 다른 기체들이, 포자 형성 세균(spore forming bacteria) 및 비-포자 형성 세균 모두에 대해서 효과적인 것으로 알려져 있다.
오염제거, 훈증, 또는 살균을 위해서 이용되는 기체 작용제들의 검출은, 전체적인 안전을 위해서 중요하다. 주어진 작용제가 적절하게 과제를 수행하고 있다는 것 및 살균되고 있는 표면 또는 물질이 유해한 오염물질로부터 자유롭다는 것을 보장하기 위해, 살균 작용제의 존재를 결정하는 것이 유익하다. 예를 들어, 센서 내부에서의 또는 그 주변에서의 특정 환경적 변수들의 변화를 분별하는 것에 의해 증기의 존재를 측정하는 것이, 생물 약제학적(biopharmaceutical) 제품, 식품, 또는 음료들에서의 변화를 모니터링하는 것에서; 화학적 또는 물리적 위험에 대해 산업 지역들을 모니터링하는 것에서; 거주 시설(residential home) 모니터링 또는 공항에서의 국토 안보(home land security)와 같은 보안 적용들에서; 상이한 환경적 및 임상적 설비들에서; 그리고 특정의 유해한 및/또는 독성의 증기들의 검출이 특히 유용할 수 있는 다른 공공 장소에서, 특히 유용할 수 있을 것이다. 현재의 센서들이 매우 다양한 무-배터리 및 무선 센서들을 제공하지만, 센서 판독기와의 전기적 접촉을 필요로 하지 않는, 가역적인 무-배터리 센서에 대한 상업적인 요구가 존재한다. 더불어, 센서 어레이를 제거하기 위해서 환경적 매개변수의 변화에 대해 복수의 응답을 나타낼 수 있는 센서를 갖는 것이 요구된다.
예를 들어, 증기에 노출될 때 반도전성(semiconducting) 금속 산화물에 의해 제공되는 저항 변화는, 증가 또는 감소 변화이다. 통상적으로, 기능적이고 정확한 모니터링을 위해 복수의 센서를 포함하는 센서 어레이가, 이용되고 있다. 많은 센서 어레이들이, 상이한 감지 물질들로 코팅된 많은 수의 동일한 변환기를 포함한다. 그러나, 동일한 변환기들을 이용하는 것이 센서 어레이의 제조를 단순화시키지만, 그러한 어레이는 단지 단일의 응답(예를 들어, 저항, 전류, 커패시턴스, 일 함수, 질량, 광학적 두께(optical thickness), 빛 세기, 등)만을 감지하기 위한 제한된 능력을 가질 수 있을 것이다. 특정 적용들에서, 복수의 특성들에 관한 복수의 응답 또는 변화가 일어날 수 있을 것이다. 그러한 적용들에서, 어레이 내의 상이한 변환기들이 동일한 또는 상이한 응답들(예를 들어, 저항, 전류, 커패시턴스, 일 함수, 질량, 광학적 두께, 빛 세기 등)을 이용하며 그리고 하나 초과의 특성이 측정될 수 있도록 상이한 감지 물질로 코팅되는, 센서의 어레이를 포함하는 것이 유익할 수 있을 것이다. 그러나, 불리하게, 특별한 응답을 감지하기 위해 독특하게 제작되는 개별적인 센서들을 갖는 센서 어레이를 제작하는 것은, 어레이의 제작을 복잡하게 하며 그리고 경제적이지 못하다. 그에 따라, 분석 물질(analyte)의 존재시에 하나 초과의 응답을 동시적으로 나타낼 수 있는 감지 물질을 포함하는 단일 센서가 요구된다.
본 명세서에 개시되는 여러 실시예들은 전술한 도전들 중 하나 이상을 해결할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 센서가 기체 작용제를 검출하도록 구성되며, 그리고 센서는, 안테나를 형성하는 전기적 공진 회로를 포함하는 변환기를 구비한다. 센서는 또한 변환기의 적어도 일부분 상에 배치되는 감지 물질을 가지며, 그리고 감지 물질은, 기체 작용제에 노출될 때, 커패시턴스 응답 및 저항 응답을 동시적으로 나타내도록 구성된다.
다른 실시예에서, 센서가 기체 작용제를 검출하도록 구성되며, 그리고 센서는, 안테나를 포함하는 변환기를 구비한다. 센서는 또한 변환기 상에 배치되는 감지 물질을 가지며, 그리고 감지 물질은 반도전성 금속 산화물을 포함한다. 또한, 귀금속 촉매가 반도전성 금속 산화물 상에 침착된다. 안테나는, 기체 작용제에 노출될 때, 감지 물질의 응답을 탐지하기 위해 전기장을 방출하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 기체 작용제를 검출하도록 구성되는 센서를 제조하기 위한 방법이 설명된다. 첫 번째로, 변환기가 안테나를 기판 상에 배치하는 것에 의해 형성된다. 두 번째로, 귀금속 촉매가, 금속 산화물 분말을 형성하기 위해 반도전성 금속 산화물에 첨가된다. 세 번째로, 금속 산화물 분말이, 안정적인 금속 산화물 현탁액(suspension)을 형성하기 위해 중합체 매트릭스의 수성 용액과 혼합된다. 네 번째로, 금속 산화물 현탁액이, 최종적인 감지 물질을 형성하기 위해 변환기 상에 침착되고 건조된다.
다른 실시예에서, 기체 작용제를 검출하기 위한 방법이 설명된다. 하나의 단계에서, 감지 물질이 기체 작용제에 노출되고, 감지 물질은 제1 성분(component) 및 제2 성분을 포함한다. 제1 성분 및 제2 성분은 감지 코일의 표면 상에 침착된다. 제1 성분 및/또는 제2 성분은 산화되거나 환원되며, 그리고 감지 코일의 커패시턴스 응답 및 저항 응답이 주파수 범위에 걸쳐 측정된다. 마지막으로, 분석이, 기체 작용제의 농도를 검출하기 위해 커패시턴스 응답 및 저항 응답을 이용하여, 실행된다.
본 개시 내용의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들, 및 장점들이, 뒤따르는 상세한 설명이, 도면들 전체에 걸쳐 유사한 부호들이 유사한 부분들을 나타내는, 첨부 도면을 참조하여 읽혀질 때, 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 증기 감지를 위해 이용될 RFID 태그들을 도시하며;
도 2는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 센서를 도시한 개략도이고;
도 3은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시한 도표이며;
도 4는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 센서 장치를 도시한 블록 개략도이고;
도 5는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 3개의 상이한 센서에 의해 얻어진 실험 결과를 도시한 도표이며;
도 6은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 센서 응답의 기준선(baseline) 안정성, 또는 가역성을 도시한 도표이고;
도 7은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 분석 물질의 농도 레벨을 증가시키는 것에 대한 센서 응답을 도시한 도표이며;
도 8은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, IC 메모리 칩 및 감지 코일을 갖는 센서의 등가 회로도(equivalent circuit diagram)를 도시한 개략도이고;
도 9는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중변수(multivariable) 센서와 함께 이용될 수 있는 감지 물질의 디자인을 도시하며;
도 10은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 하나의 공진 센서에 의해 얻어진, 3개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출에 관한, 실험 결과를 나타낸 도표이고;
도 11은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다른 공진 센서에 의해 얻어진, 3개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출에 관한, 실험 결과를 나타낸 도표이며;
도 12는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 하나의 공진 센서에 의해 얻어진, 5개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출에 관한, 실험 결과를 나타낸 도표이고;
도 13은, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다른 공진 센서에 의해 얻어진, 5개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출에 관한, 실험 결과를 나타낸 도표이며;
도 14는, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 하나의 공진 센서에 의해 얻어진, 3개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출에 관한, 실험 결과를 나타낸 도표이다.
여러 실시예에서, 감지 물질이, 인덕터-커패시터-저항기("LCR") 센서와 같은, 공진 회로로서 구성되는 장치의 표면 상에 배치될 수 있을 것이다. LCR 센서들의 비제한적인 예들이, 집적 회로("IC") 메모리 칩을 가지는 RFID 센서 및 IC 메모리 칩을 가지지 않는 RFID 센서(예를 들어, 칩리스(chipless) RFID 센서 또는 칩리스 LCR 센서)를 포함한다. LCR 센서들은 무선형 또는 유선형일 수 있다. 데이터를 수집하기 위해, 공진 회로의 임피던스 스펙트럼이, LCR 센서 회로의 공진 주파수 범위와 같은 주파수 범위에 걸쳐 획득된다. 특정 실시예에서, 공진 회로의 임피던스 응답이, LCR 회로의 공진 주파수 범위 내의 단일 주파수에서 획득된다. 그러한 기술은 추가로, 획득된 스펙트럼으로부터 다중변량 특징(multivariate signature)을 계산하는 것 및 특정 증기들의 존재를 분별하기 위해서 데이터를 조작하는 것을 포함한다. 증기의 존재는, 유전적(dielectric) 변화, 치수적 변화, 전하 전달(charge transfer) 변화, 및 회로의 공진적 전자적 특성들의 변화를 관찰하는 것에 의한, 이용되는 물질의 특성들에 관한 다른 변화들을 측정함으로써, 검출된다. 다중변량 분석을 이용하는 것에 의해, 기체 살균 작용제의 존재에 대한 감지 물질의 응답이, 기체 작용제의 인지 또는 검출을 허용하는, 단일 데이터 지점(data point)으로 단순화될 수 있다. 특정 실시예에서, 단일변량(univariate) 분석에 기초하게 되는 교정(calibration) 모델이 또한, 특정 기체 존재 및 그의 농도의 인지를 위해, 이용된다.
청구된 발명의 대상을 보다 명확하고 간결하게 설명하기 위해, 뒤따르는 정의들이, 뒤따르는 설명 및 첨부된 청구항들에서 이용되는 구체적인 용어들에 대해서 제공된다.
"유체"라는 용어는, 기체, 증기, 액체, 및 고체를 포함한다.
"분석 물질"이라는 용어는, 화학적 분석의 대상인 임의의 물질 또는 화학적 성분을 포함한다. 분석 물질들의 예들은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 이산화염소, 포름알데히드, 과산화수소, 과초산, 메틸 브롬화물, 오존, 에틸렌 산화물, 또는 그들의 임의의 조합을 포함한다. 특정 실시예에서, 본 개시 내용의 감지 물질들은, "오염제거", "살균", 및/또는 "훈증"과 관련되는 분석 물질들을 검출하도록 구성될 수 있을 것이다. "오염제거", "살균", 및 "훈증"이라는 용어들은 상호 관련되며 그리고 그들 모두 오염물질, 바람직하지 않은 물질, 또는 다른 유체를 환경으로부터 제거하는 것과 관련되는 행위의, 프로세스, 방법, 절차, 또는 과정을 지칭할 수 있을 것이다. 예를 들어, 오염제거, 살균, 및/또는 훈증 절차가, 화학 반응, 응답, 또는 프로세스를 통해 오염물질(예를 들어, 박테리아)을 제거하기 위한 물질(예를 들어, 이산화염소)을 이용하는 것을 수반할 수 있을 것이다.
"모니터링 프로세스"라는 용어는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 센서 주위에서 일어나는 물리적 변화를 측정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 모니터링 프로세스는, 센서 주위의 환경의 물리적, 화학적, 및/또는 생물학적 특성들의 변화와 관련되는 생물 약제학적, 식품, 음료 제조 프로세스에서의 변화를 모니터링하는 것을 포함한다. 모니터링 프로세스는 또한, 물리적인 변화뿐만 아니라 구성요소의 구성이나 위치의 변화를 모니터링하는, 그러한 산업 프로세스를 포함할 수 있을 것이다. 비제한적인 예들은, 국토 안보 모니터링, 거주 시설 보호 모니터링, 환경적 모니터링, 임상적 또는 침대 곁 환자 모니터링, 공항 보안 모니터링, 입장 티켓팅, 및 다른 공공 이벤트를 포함한다. 모니터링은, 센서 신호가 인지할 수 있게 정상 상태(steady state) 응답에 도달했을 때 및/또는 센서가 동적(dynamic) 응답을 가질 때, 실행될 수 있다. 정상 상태 센서 응답은, 결정된 기간에 걸친 센서로부터의 응답이며, 응답은 측정 시간에 걸쳐 인지할 수 있게 변화하지 않는다. 그에 따라, 시간에 걸친 정상 상태 센서 응답의 측정들이 유사한 값들을 생성한다. 동적 센서 응답은, 측정된 환경 매개변수(온도, 압력, 화학적 농도, 생물학적 농도, 등)의 변화에 대한 센서로부터의 응답이다. 따라서, 동적 센서 응답은, 측정된 환경 매개변수 또는 매개변수들을 향한 응답의 동적 특성을 생성하도록, 측정 시간에 걸쳐 상당히 변화한다. 응답의 동적 특성의 비제한적인 예들은, 평균 응답 기울기, 평균 응답 크기, 신호 응답의 가장 큰 양의(positive) 기울기, 신호 응답의 가장 큰 음의 기울기, 신호 응답의 평균 변화, 신호 응답의 최대 양의 변화 및 신호 응답의 최대 음의 변화를 포함한다.
"다중변수 센서"라는 용어는, 본 명세서에서, 서로 실질적으로 상호 관련되지 않는 복수의 응답 신호를 생성할 수 있는 단일 센서로서 지칭되고, 다중변수 센서로부터의 이러한 개별적인 응답 신호들은, 상이한 농도들에서 상이한 분석 물질들에 대한 센서 노출의 응답 패턴을 구축하기 위해, 다중변량 분석 도구를 이용하여 추가적으로 분석된다. 일 실시예에서, 다중변수 또는 다중변량 신호 변환이, 다중변수 센서 응답 패턴을 구축하기 위해, 다중변량 분석 도구를 이용하여 다중 응답 신호에 관해 실행된다. 특정 실시예에서, 복수의 응답 신호는, 분석 물질에 노출될 때, 다중변수 센서 상에 배치되는 감지 물질의 커패시턴스의 변화 및 저항의 변화를 포함한다. 다른 실시예에서, 복수의 응답 신호는, 커패시턴스의 변화, 저항의 변화, 인덕턴스의 변화, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
"다중변량 분석"이라는 용어는, 센서 응답으로부터 하나 초과의 변수를 분석하기 위해 그리고 측정된 센서 매개변수로부터 적어도 하나의 환경적 매개변수의 타입에 관한 정보 및/또는 측정된 센서 매개변수로부터 적어도 하나의 환경적 매개변수의 레벨에 관한 정량적인 정보를 제공하기 위해 이용되는, 수학적 절차를 지칭한다. 다중변량 분석 도구의 비제한적인 예들은, 정준 상관(canonical correlation) 분석, 회귀 분석, 비선형 회귀 분석, 주성분 분석, 판별 함수(discriminate function) 분석, 다차원적인 스케일링(multidimensional scaling), 선형 판별 분석, 논리적 회귀(logistic regression), 또는 신경망(neural network) 분석이 포함된다.
"환경적 매개변수"라는 용어는, 제조 또는 모니터링 시스템 내의 또는 그 주변의 측정 가능한 환경적 변수들을 지칭하기 위해서 이용된다. 측정 가능한 환경적 변수들은, 물리적, 화학적, 및 생물학적 특성들 중 적어도 하나를 포함하며 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 온도; 압력; 물질 농도; 전도도; 유전적 특성; 센서에 근접하거나 또는 센서와 접촉하는 유전적, 금속적, 화학적, 또는 생물학적 입자들의 수; 이온화 복사(ionizing radiation)의 선량(dose); 및 빛 세기의 측정을 포함한다.
"스펙트럼 매개변수"라는 용어는, 센서 응답의 측정 가능한 변수들을 지칭하기 위해서 사용된다. 센서 응답은, LCR 센서 또는 RFID 센서의 임피던스 스펙트럼이다. Z-매개변수, S-매개변수, 및 다른 매개변수 형태인 임피던스 스펙트럼을 측정하는 것에 더하여, 임피던스 스펙트럼(그의 실제 부분 및 가상(imaginary) 부분 모두)은, 임피던스의 실제 부분의 최대의 주파수(Fp), 임피던스의 실제 부분의 크기(Zp), 임피던스의 가상 부분의 공진 주파수(F1), 임피던스의 가상 부분의 반공진(anti-resonant) 주파수(F2), 임피던스의 가상 부분의 공진 주파수(F1)에서의 신호 크기(Z1), 임피던스의 가상 부분의 반공진 주파수(F2)에서의 신호 크기(Z2), 및 제로-리액턴스(zero-reactance) 주파수(Fz)(임피던스의 가상 부분이 제로가 되는 주파수)와 같은, 분석을 위한 여러 매개변수를 동시에 이용하여 분석될 수 있을 것이다. 다른 스펙트럼 매개변수들이, 전체 임피던스 스펙트럼들을, 예를 들어, 공명의 품질 인자, 위상 각도 및 임피던스의 크기를 이용하여, 동시에 측정될 수 있을 것이다. 집합적으로, 임피던스 스펙트럼들로부터 계산되는 "스펙트럼 매개변수들"은 또한 "피쳐들(features)" 또는 "디스크립터들(descriptors)"로 지칭될 수 있을 것이다. 피쳐들의 적절한 선택은, 스펙트럼들로부터 계산될 수 있는 모든 잠재적인 피쳐들로부터 실행된다. 다중변수 스펙트럼 매개변수들이, 본 명세서에서 참조로서 통합되는, "RFID 센서의 교정을 위한 방법 및 시스템(Methods and systems for calibration of RFID sensors)"으로 명칭이 부여된 미국 특허 제7,911,345호에서 설명되어 있다.
"공명 임피던스" 또는 "임피던스"라는 용어는, 센서 "스펙트럼 매개변수들"이 그로부터 추출되는, 센서의 공명 주위의 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서의, 측정된 센서 주파수 응답을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "감지 물질 및 감지 필름"이라는 용어는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 환경과의 상호 작용시에 임피던스 센서 응답에 예측 가능하게 그리고 재현 가능하게 영향을 미치는 기능(function)을 실행하기 위한, LCR 회로 구성요소 또는 RFID 태그와 같은, 변환기의 전자기기 모듈 상으로 침착되는 물질들을 포함한다. 센서 필름 내의 물질이 액체 환경 내로 침출되는 것을 방지하기 위해, 감지 물질들은, 공유 결합, 정전기적 결합과 같은 표준 기술들 및 당업자에게 공지된 다른 표준 기술들을 이용하여, 센서 표면으로 부착된다.
"변환기 및 센서"라는 용어는, 감지를 위해서 의도되는 RFID 디바이스 및 LCR 디바이스와 같은 전자 디바이스를 지칭하기 위해 이용된다. "변환기"는, 감지 필름으로 코팅되기 이전의 또는 감지 적용을 위해 교정 되기 이전의 디바이스이다. "센서"는, 전형적으로, 감지 필름으로 코팅된 이후의 그리고 감지 적용을 위해 교정된 이후의 디바이스이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "RFID 태그"라는 용어는, RFID 태그가 부착될 수 있는 물품을 식별(identifying) 및/또는 추적하기 위해 전자 태그를 이용하는, 식별 및 보고 기술을 지칭한다. RFID 태그는 전형적으로 적어도 2개의 구성요소를 포함하고, 제1 구성요소는 정보를 저장 및 처리하기 위한 그리고 무선 주파수 신호를 변조 및 복조하기 위한 집적 회로(IC) 메모리 칩이다. 이러한 메모리 칩은 또한 다른 특별한 기능들을 위해 이용될 수 있으며, 예를 들어, 커패시터를 수용할 수 있다. 메모리 칩은 또한, 저항 입력, 커패시턴스 입력, 또는 인덕턴스 입력과 같은 아날로그 신호를 위한 적어도 하나의 입력을 수용할 수 있다. 칩 없는 RFID 태그의 경우에, RFID 태그는 IC 메모리 칩을 포함하지 않을 수 있을 것이다. 이러한 유형의 RFID 태그는, RFID 태그가 식별될 필요가 없고, 그 대신에 단순히 태그의 존재를 나타내는 신호가 유용한 정보를 제공하는 적용들(예를 들어, 제품 보안 적용들)에서, 유용할 수 있을 것이다. RFID 태그의 제2 구성요소는 무선 주파수 신호를 수신 및 송신하기 위한 안테나이다.
"RFID 센서"라는 용어는, 예를 들어, RFID 태그의 안테나가 환경 변화의 함수로서 그의 임피던스 매개변수들을 변화시키는 것에 의해 감지 기능을 또한 실행할 때와 같이, 부가된 감지 기능을 갖는 RFID 태그이다. 그러한 RFID 센서들에 의한 환경 변화들에 대한 정확한 결정들은, 공명 임피던스의 분석에 의해 실행된다. 예를 들어, RFID 태그들은, RFID 태그를 감지 필름으로 코팅함에 의해, RFID 센서들로 변환될 수 있을 것이다. 감지 필름으로 RFID 태그들을 코팅함에 의해, 필름의 전기적 응답은, 센서 안테나의, 임피던스 응답, 임피던스 응답의 공명 피크(peak) 위치, 피크 폭, 피크 높이, 및 피크 대칭; 임피던스의 실제 부분의 크기; 임피던스의 가상 부분의 공진 주파수; 임피던스의 가상 부분의 반공진 주파수; 제로-리액턴스 주파수; 위상 각도; 및 임피던스의 크기에 대한 동시적인 변화들로 번역된다. "RFID 센서"는, 안테나에 부착되는 집적 회로(IC) 메모리 칩을 구비할 수 있으며 또는 IC 메모리 칩을 구비하지 않을 수 있다. IC 메모리 칩을 갖지 않는 RFID 센서가 LCR 센서이다. LCR 센서는, LCR 회로를 형성하기 위한 적어도 하나의 인덕터(L), 적어도 하나의 커패시터(C), 및 적어도 하나의 저항기(R)와 같은 공지된 구성요소들로 구성된다.
본 명세서에서 언급되는 바와 같은 센서 동작에 대한 "가역성"이라는 용어는, 센서에 대한 영구적인 변화를 방지하는 금속 산화물 구성 또는 임의의 다른 감지 물질 구성의 결과로서, 센서가 그의 본래의(natural) 또는 노출-이전의 값으로 다시 복귀되는 것이다. 따라서, 증기의 존재시에, 센서는 그에 따라 반응할 것이지만; 증기 농도가 소산됨에 따라, 센서 응답은 원래의 값으로 복귀할 것이다. 따라서, 감지 물질은, 물질이 요구되는 기체와의 접촉시에 신호 변화를 나타내며 그리고 기체의 제거시에 그 원래의, 노출-이전의, 값으로 다시 복귀될 때, 가역적이라고 언급된다. 역으로, 감지 물질은, 물질이 요구되는 기체와의 접촉시에 신호 변화를 나타내며 그리고 기체 농도의 제거 시에 그의 원래의 값으로 다시 복귀되지 않을 때, 비-가역적이라고 언급된다.
센서 동작에 관한 "계량기(dosimeter)"라는 용어는, 증가하는 증기의 농도에 노출될 때, 누적적인 신호 변화를 나타내는 센서를 지칭한다. 센서 신호는, 증기 농도가 증가함에 따라 증가하지만, 그러한 신호는 증기의 제거 시에 그의 원래의 값으로 복귀하지 않는다. 일 실시예에서, 계량기 센서가, 일회 사용 센서로서 구성될 수 있을 것이다.
"기록기/판독기"라는 용어는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 데이터를 메모리 칩의 메모리 내로 기록하고 판독하기 위한 그리고 안테나의 임피던스를 판독하기 위한 디바이스들의 조합을 포함한다. "기록기/판독기"에 대한 다른 용어는 "호출기(interrogator)"이다.
센서 또는 감지 디바이스를 구축하기 위한 방법에 관한 "준비하는 것"이라는 용어는, 본 개시에서 인용되는 바와 같은 센서 또는 감지 디바이스를, 부분적으로 구축하기 위해 및/또는 부분적 구축을 완료하기 위해, 구성요소들을 조립하는 것, 제작하는 것, 생성하는 것, 모으는 것을 지칭한다.
본 명세서에서 개시된 실시예에 따르면, 기체 작용제를 감지하기 위한 LCR 센서 또는 RFID 센서가 설명된다. 전술한 바와 같이, 반도전성 금속 산화물 감지 물질들이 변환기 상에 배치될 수 있으며 그리고 특별한 증기들의 존재를 검출하기 위해 이용될 수 있다. 분석 물질이 존재하는 반도전성 금속 산화물 내로 들어갈 때, 기체 분석 물질은, 산화, 환원, 흡착, 탈착, 또는 벌크 효과를 겪을 수 있으며, 이들은, 그로 인해, 반도전성 금속 산화물의 저항의 변화, 커패시턴스의 변화, 및/또는 인덕턴스의 변화를 야기할 것이다. 본 명세서에서 개시된 실시예에 따르면, 반도전성 금속 산화물의 유전적 특성들 중 적어도 2개에 관한 변화가, 침착된 감지 물질을 갖는 센서 코일에 대한 센서 판독기의 유도 결합을 통해, 동시적으로 측정될 수 있고, 이는 이산화염소 또는 다른 기체 작용제의 존재를 검출할 수 있다. 특정 실시예에서, 감지 코일은, 감지 안테나로서의 역할을 할 수 있다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은, 센서가 기체 작용제를 검출하도록 특별하게 구성되는 2개의 실시예를 도시한다. 도 1a는, 센서(10)가 변환기로서 무선 주파수 식별(RFID) 플랫폼을 포함하는 하나의 실시예를 도시한다. 부가적으로, 센서(10)는, 안테나(14) 상에 배치되는 감지 물질(12)를 포함하며, 그로 인해 증기의 존재시에 센서(10)의 임피던스 응답을 변화시킨다. 다른 실시예에서, 변환기는, 인덕터-커패시터-저항기(LCR) 공진기, 두께 전단 모드(thickness shear mode) 공진기, 상호연계(interdigital) 전극 구조물, 또는 일반적인 전극 구조물일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 변환기는, 수 킬로헤르쯔(kHz) 내지 수 페타헤르쯔(PHz)의 주파수 범위에 걸쳐 기능할 수 있을 것이다.
도 1b는 변환기로서 RFID 플랫폼을 갖는 센서(16)를 포함하는 다른 실시예를 도시한다. 도 1a와 대조적으로, 감지 물질(18)이, 전체 안테나(22) 상에 배치되지 않는 대신에, 센서(16)의 상보적 감지 영역(20) 상에만 배치된다. 상보적 감지 영역(20)은, 안테나(22) 및 집적 회로("IC") 메모리 칩(24)이 접촉하거나 중첩되는 센서(16)의 영역이다. 상보적 감지 영역(20) 상에 배치되는 감지 물질(18)은, 증기의 존재시에, 센서(16)의 임피던스 응답을 변화시킨다. 다른 실시예에서, 이용되는 변환기는, 인덕터-커패시터-저항기(LCR) 공진기, 두께 전단 모드 공진기, 상호연계 전극 구조물, 또는 일반적인 전극 구조물일 수 있을 것이다.
상보적 감지 영역(20)은, 전체 안테나(14)가 전극 구조물로서의 역할을 하는, 도 1a에 도시된 배치 형태를 초과하는 장점을 제공한다. 전체 안테나(22)와 비교될 때 상보적 감지 영역(20)의 비교적 작은 크기는, 도포되는 감지 물질의 감소된 비용으로 이어진다. 또한, 도 1a에 도시된 바와 같은 안테나(14)의 전극 영역들 사이의 갭과 비교하여, 상보적 감지 영역(20) 내의 전극들 사이에 나노 규모(nanoscale) 크기의 갭을 제조하는 것이 비교적 단순하다. 상보적 센서들의 비제한적인 예들은, 상호연계형(interdigitated) 센서, 저항형 센서, 및 커패시터형 센서이다. 상보적 센서들이, 본 명세서에서 참조로서 통합되는, "RFID 센서의 교정을 위한 방법 및 시스템"으로 명칭이 부여된 미국 특허 제7,911,345호에서 설명되어 있다.
이산화염소 및 다른 그러한 산화제의 검출을 위해, 요구되는 감도, 응답 시간, 센서 비용, 그리고 다른 성능 및/또는 제조 매개변수에 의존하는 선택과 더불어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 감지 시스템 양자 모두가 활용될 수 있다.
일 실시예에서, 활용되는 감지 물질(12)은, 요구되는 분석 물질을 특별하게 검출하도록 맞춤 제작되는 반도전성 금속 산화물 제제(formulation)이다. 비제한적인 예로서, 이산화염소를 위해 이용되는 감지 물질(12)은, 반도전성 금속 산화물 상에 배치되는 귀금속 촉매를 포함한다. 반도전성 금속 산화물은, 인듐 산화물(In2O3), 아연 산화물(ZnO), 텅스텐 산화물(WO3), 주석 산화물(SnO2), 티탄 산화물(TiO2), 철 산화물(Fe2O3), 갈륨 산화물(Ga2O3), 안티몬 산화물(Sb2O3) 및 임의의 다른 반도전성 금속 산화물, 또는, SnO2을 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 SnO2 또는 금속들의 임의의 다른 조합을 포함하는 하나 이상의 금속의 조합 중 어느 하나의 것을 포함할 수 있을 것이다. 귀금속 촉매는: 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나의 것일 수 있다. 특정 실시예에서, 감지 물질(12)은, 도 9와 관련하여 구체적으로 설명되는 바와 같은, 코어 구성요소 및 층, 외피(shell), 또는 매트릭스 구성요소(들)로 이루어질 수 있을 것이다.
특정 실시예에서, 감지 물질의 준비 방법이, 금속 산화물 분말을 형성하기 위해 습윤 함침(wetness impregnation)에 의해 반도전성 금속 산화물의 표면에 귀금속 촉매를 1차적으로 첨가하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 귀금속 촉매는, 원위치 합성(in-situ synthesis)을 이용하여 반도전성 금속 산화물에 첨가될 수 있을 것이다. 첨가(doping)는 일반적으로 기본 구성에, 요구되는 물질 성능을 달성하기 위해 그의 전기적 특성들을 변화시키도록, 제어된 양의 불순물을 도입하는 것을 지칭한다. 그에 따라, 귀금속 촉매는, 기본적인 반도전성 금속 산화물의 전기적 성질을 변화시키도록 반도전성 금속 산화물 상에 배치된다. 일 실시예에서, 귀금속 촉매를 반도전성 금속 산화물에 부가하는 것은, 증기의 존재하에 있을 때, 반도전성 금속 산화물이 다중 응답을 동시적으로 나타내도록 야기한다. 귀금속 촉매가 반도전성 금속 산화물에 첨가된 이후에, 결과적으로 생성되는 금속 산화물 분말은 금속 염의 수성 용액과 혼합된다. 그러한 금속 염들의 비제한적인 예들이, 금 염화물, 헥사클로로 백금산 수소(hydrogen hexachloroplatinate), 질산은, 염화팔라듐이 있다. 마지막으로, 최종적인 물질 분말은, 금속 전구체의 금속성(metallic) 형태로의 분해를 촉진하기 위해, 450 내지 600 ℃의 제어된 온도에서 건조된다. 일 실시예에서, 감지 물질 내의 기본 금속 산화물에 대한 첨가제의 중량 백분율이 0.01% 내지 1% 범위 이내이다.
반도전성 금속 산화물들은, 졸-겔, 열수 반응(hydrothermal reaction), 및 당업계에 공지된 임의의 다른 접근 방식과 같은, 상이한 접근 방식들을 통해 합성될 수 있다. 특정 실시예에서, SnCl4 가, 주석 산화물(SnO2)을 생성하기 위한 주석의 공급원으로서 이용될 수 있다. SnCl4 는, 물:에탄올(1:1 wt/wt) 용매 내에서 용해될 수 있으며, 여기에서 몇 방울의 염화수소 용액이, pH 가 약 0.4가 될 때까지 첨가된다. 결과적으로 생성되는 용액의 pH가, 혼합물을 계속적으로 교반하는 가운데, 30% NH4OH를 첨가하는 것에 의해 4.0으로 조정될 수 있다. 이어서, 결과적으로 생성되는 침전물(precipitate)이 여과되고 어떠한 Cl- 도 없을 때까지 물로 세척되며, 그리고 이어서 100 ℃에서 2 시간 동안 초기에 건조되고 600 ℃에서 4 시간 동안의 하소(calcination)가 뒤따르게 된다.
다른 실시예에서, 아연 산화물 및 텅스텐 산화물의 혼합물이, 3.00g의 텅스텐산 나트륨(sodium tungstate)(Na2WO4·2H2O) 및 0.05g의 헥사데실 트리메틸 암모늄 브롬화물(hexadecyl trimethyl ammonium bromide: "HTAB")을 10 mL의 탈이온수("DI(de-ionized)" water) 내에서 용해시키는 것에 의해서, 제조될 수 있다. 다음에, 10 mL의 질산(1.5 mol/L) 용액이 이러한 용액 내로 서서히 첨가될 수 있을 것이고, 결과적으로 생성되는 용액은 2시간 동안 교반될 수 있을 것이다. 생성되는 침전물은 원심분리에 의해서 수집될 수 있다. 이어서, 침전물은, 탈이온수로 2차례 세척되고, 에탄올로 3차례 세척되며, 그리고 텅스텐산(tungstenic acid)을 생성하기 위해 80 ℃의 오븐 내에서 건조된다. 다음에, 3.67g의 Zn(NO3)2 및 0.10g의 HTAB 가, 용액("A")을 획득하기 위해, 50 mL의 탈이온수 내에서 용해된다. 부가적으로, Na2CO3(1.31g)가 또한, 용액("B")을 획득하기 위해 50 mL의 탈이온수 내에서 용해될 수 있다. 용액(B)는, 이어서, 격렬한 교반을 동반하여, 액적 방식으로, 용액(A)에 첨가될 수 있다. 1 시간 동안의 교반 이후에, 침전물은 원심분리에 의해서 수집된다. 이어서, 적절한 양의 형성된 텅스텐산이 아연 히드록실 카보네이트와 혼합할 수 있으며 그리고 혼합물은 0.5 시간 동안 분쇄될 수 있을 것이다. 혼합물은 최종적으로, 600 ℃에서 2 시간 동안 공기 중에서 하소되어야 한다.
특정 실시예에서, 귀금속 촉매가 첨가된 반도전성 금속 산화물은, 용매(예를 들어, 물, 에탄올, 이소프로필 알코올, 아세톤, 톨루엔, 헥산 및 1-메틸-2-피롤리디논(Pyrrolidinone)(NMP), 또는 이들의 조합) 내에 직접적으로 분산될 수 있다. 용매는, 침착 방법을 이용하여 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 알코올(PVA), 및 아크릴계 중합체와 같은, 중합체 매트릭스를 포함한다. 일부 침착 방법은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 액적 캐스팅(drop casting), 분무 코팅, 스핀 코팅, 범람 코팅, 잉크젯 인쇄, 직접 기록(direct writing), 잉크 침착, 및 스크린 인쇄를 포함한다. 감지 물질 내에서 반도전성 금속 산화물에 대한 중합체 매트릭스의 중량 백분율은, 0.1% 내지 99.9%, 보다 바람직하게 1% 내지 99%, 그리고 보다 바람직하게 10% 내지 80% 범위이다. 매트릭스는, 중합체 매트릭스, 무기질 매트릭스, 또는 복합 매트릭스일 수 있다.
조성물 내의 반도전성 금속 산화물에 대한 중합체 매트릭스의 조합 및 비율은, 감지 성능을 결정할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 요구되는 감지 성능이, 센서가 약 30 ppm 내지 약 300 ppm의 분석 물질 농도에 노출될 때, 약 300 ppm에서 응답 포화를 나타내지 않고, 센서 응답을 달성하도록 하는 것일 수 있다. 요구되는 감지 성능을 달성할 수 있는 센서를 개발하기 위해서, 중합체 매트릭스가, 용매 내에 안정적인 분산체(dispersion)을 형성하기 위해, 인듐 주석 산화물로 이루어진 활성 감지 물질과 혼합된다. 중합체 매트릭스-반도전성 금속 산화물 분산체는, 감지 필름을 형성하기 위해, RFID 변환기 표면 상으로 침착되고 건조될 수 있다. 표 1은 ClO2 감지를 위한 3개의 상이한 중합체 매트릭스-반도전성 금속 산화물 제제의 감지 성능을 보여준다. 필름의 약 30 중량 퍼센트가 중합체였다. 센서 필름 침착 이전의 센서의 Zp 값이 800 옴(ohm) 이었다. 시험된 3개의 중합체 매트릭스 중에서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)가, 인듐 주석 산화물과의 매우 뛰어난 호환성(compatibility)을 나타냈으며 그리고 최고의 ClO2 검출 감도(30 내지 300 ppm의 동적 해상도(resolution))를 달성하였다.
중합체를 갖는 센서 PVA를 갖는 센서 1 PVDF를 갖는 센서 2 UV 아크릴레이트를 갖는 센서 3
필름 품질 양호(fair) 우수(good) 양호
센서 필름 침착 이전 및 이후의 Zp 차이, 옴(ohm) 800 - 800 = 0 800 - 350 = 450 800 - 650 = 150
300 ppm에서의
ClO2 감지 성능		 응답 없음 강한 응답 약한 응답
( ClO 2 검출을 위한 상이한 중합체 매트릭스들 및 인듐 주석 산화물을 갖는 3개의 센서의 감지 성능)
표 2는, PVDF의 상이한 백분율들이 감지 필름 내에 포함될 때의 센서 성능을 보여준다. 67% PVDF 및 33% 인듐 주석 산화물 조합이, ClO2 의 30 ppm 내지 300 ppm까지 가장 선호하는 ClO2 응답을 달성하였으며, 이는 그러한 조합체가 300 ppm에서 포화를 나타내지 않은 반면, 다른 감지 필름들은 300 ppm 미만의 농도에서 포화를 나타냈기 때문이다. 67%의 PVDF를 포함하는 제제를 갖는 센서들은 또한, 시험되는 농도들에 대한 재현 가능한 센서 응답들을 나타냈다.
필름 내의 중합체의 중량% ClO2 센서 응답
19% 110ppm 위에서 포화
28% 180ppm 위에서 포화
38% 200ppm 위에서 포화
55% 200ppm 위에서 포화
67% 300ppm 위에서 포화
86.07% 응답이, 열악한 감지 필름 품질로 인해, 작다
(감지 필름 내에 상이한 백분율의 PVDF를 갖는 센서들의 감지 성능)
금속 산화물 센서들은, 금속 산화물, 촉매, 및 중합체를 포함할 수 있으며, 중합체는 결합제(binder)로서 역할을 한다. 중합체 결합제는, 기판에 대한 감지 물질의 부착을 개선한다. 특정 실시예에서, 감지 물질은, 금속 산화물, 촉매, 및 중합체를 포함할 수 있으며, 중합체는 센서 감도를 제어하기 위한 매트릭스로서 역할을 한다.
도 2는 특정 기체 분석 물질의 존재를 검출하도록 구성되는 완전한 시스템(30)의 일 실시예를 도시한다. 특정 실시예에서, 피동적인(passive), 또는 무-배터리의, RFID 플랫폼 변환기를 갖는 센서(32)가, 기체 분석 물질에 노출된다. RFID 센서 임피던스 판독기(34) 및 IC 메모리 칩 판독기(36)가, RFID 판독기(38) 내에 수용된다. 감지 코일(40)이, 분석 물질에 대한 센서의 응답을 판독하기 위해, 자기장(42)을 방출한다. 분석 물질의 존재시에, 센서(32) 상에 배치되는 감지 물질은, 감지 코일의 자기장(42)이 검출할, 커패시턴스의 변화 및 저항의 변화를 유발할 수 있을 것이다. 이러한 프로세스는, 실제로, 감지 코일(40)과 센서(32) 사이의 유도 결합을 통해서 센서(32)의 임피던스(Z(f))를 측정하는 가운데, IC 메모리 칩 판독기(34) 상에 정보를 기록하고 판독한다. 다른 실시예에서, 센서 변환기는, 인덕터-커패시터-저항기(LCR) 공진기, 두께 전단 모드 공진기, 상호연계 전극 구조물, 또는 일반적인 전극 구조물일 수 있을 것이다.
도 3은 임피던스 스펙트럼(54)의 실제 부분(Zre(f))(50) 및 가상 부분(Zim(f))(52)을 포함하는 측정된 임피던스 스펙트럼의 예를 도시한다. 나아가, 다중변량 분석을 위해 이용되는 여러 스펙트럼 매개변수의 예들[주파수 위치(Fp)(56); Zre(f)의 크기(Zp)(58); Zim(f)의 공진 주파수(F1)(60); 및 Zim(f)의 반공진 주파수(F2)(62)]이 도시된다. 제어되지 않은 온도 요동(fluctuation)의 존재시에 기체를 정확하게 측정하기 위해, 임피던스 스펙트럼들(
Figure 112015127859574-pat00001
)(54)의 실제 부분(Zre(f))(50) 및 가상 부분(Zim(f))(52)은, 감지 물질로 코팅된 공진 센서 안테나로부터 측정되며 그리고 여러 스펙트럼 매개변수들이 도 3에 도시된 바와 같이 측정된 Zre(f)(50) 및 Zim(f)(52)로부터 계산된다. 다중변량 분석은, 복합 임피던스 스펙트럼(54)의 측정된 실제 부분(Zre(f))(50) 및 가상 부분(Zim(f))(52)으로부터, 또는 계산된 매개변수들, 즉 주파수 위치(Fp)(56), Zre(f)의 크기(Zp)(58), Zim(f)의 공진 주파수(F1)(60), Zim(f)의 반공진 주파수(F2)(62)로부터, 다차원적 공간 내의 단일 데이터 지점까지, 복합 임피던스 응답의 차원수(dimensionality)를 감소시킨다. 단일 데이터 지점은, 주위 온도의 임의의 요동을 고려하는 가운데, 존재했던 분석 물질을 식별할 수 있다. 다중변수 센서에 의한 주위 온도의 요동에 대한 자가-보정(self-correction)이, 본 명세서에서 참조로서 통합되는, "온도-독립적인 화학적 및 생물학적 센서(Temperature-Independent Chemical and Biological Sensors)"로 명칭이 부여된, 미국 특허출원 제2012/0161787호에 설명되어 있다.
일 실시예에서, 다중변량 분석이, 주성분 분석("PCA")으로서 실행된다. PCA는, 분석을 단순화하도록 다차원적 데이터 세트를 낮은 차원(예를 들어, 단일 변수)으로 감소시키기 위해 이용되는 수학적 절차이다. 주성분 분석은, 다중변량 데이터의 통계적인 분석의 고유 분석(eigenanalysis) 방법의 일부이며 그리고 공분산 행렬(covariance matrix) 또는 상관 행렬(correlation matrix)을 이용하여 실행될 수 있을 것이다. PCA를 적용할 때, 상이한 증기들에 대한 센서 응답의 다중변량 특성이 생성된다. 센서로부터 수신되는 데이터에 대한 주성분 분석이, 본 명세서에서 참조로서 통합되는, "공진 센서 회로를 이용한 선택적인 분석 물질 검출을 위한 센서 시스템 및 방법(Sensor Systems and Methods for Selective Analyte Detection Using Resonance Sensor Circuit)"으로 명칭이 부여된, 미국 특허 제8,364,419호에 설명되어 있다.
도 4는 실험적인 장치(70)의 실시예를 도시하고, 여기에서 센서 판독기(72)가 픽업 코일(74)로 부착되며 그리고 센서(76)가, 픽업 코일(74)의 정상부에 위치하게 되는 기체 유동 셀(78) 내부에 수용된다. 센서(76)는, 침착된 감지 필름을 갖는, 감지 코일 또는 안테나일 수 있을 것이다. 실험적 장치(70)는, 도 5, 도 6, 및 도 10 내지 도 14를 참조하여 추가로 설명되는 바와 같은, 실험적 데이터를 획득기 위해 이용되었다. 일 실시예에서, 분석 물질 유동이, 센서를 제어된 농도의 분석 물질에 노출시키기 위해서, 기체 유동 셀(78)을 통해 제어된다. 기체 유동 셀(78)은, 분석 물질 유동을 위한 유입구 및 배출구를 갖는 기밀의 플라스틱 박스일 수 있을 것이다. 분석 물질이 기체 유동 셀(78)에 진입할 때, 센서(76)는 분석 물질을 검출할 수 있고, 그에 의해 감지 물질은 변경된 커패시턴스 및 저항에 관한 동시적인 응답을 나타낼 수 있을 것이다. 픽업 코일(74)은, 픽업 코일(74)과 센서(76) 사이의 유도 결합을 통해, 감지 코일 또는 안테나(76) 상에 침착된 감지 물질의 커패시턴스 및 저항의 변화를 검출한다. 이어서, 센서 판독기(72)는 이러한 데이터를 수집하며 그리고 운영자에게 분석 물질의 존재에 대해 경고하기 위해 다중변량 또는 단일변량 분석을 실행한다.
도 5는 본 발명의 실시예의 시험으로부터의 결과에 대한 도표를 도시하며, 그리고 구체적으로, 도 5는 전술한 실험적 장치(70)에 관한 센서 응답의 재현 가능성을 도시한다. 실험의 목적을 위해, 상이한 농도의 이산화염소 기체의 생성이, 컴퓨터 제어 증기 발생 시스템을 이용하여 달성되었다. ClO2 는, 아염소산 나트륨(sodium chlorite)-염산 반응에 의해서 생성되었고, 원칙적으로, 작용하는 화학 반응은 다음과 같다:
5 NaClO2 + 4 HCl -> 5 NaCl + 4 ClO2 + 2H2O.
실험 도중에, 공기 중의 ClO2 농도는 건조 공기와의 희석을 통해 약 500 ppm이었고, 상대 습도는 약 40%로 유지되었다. 센서들은 약 30초의 기간 동안 ClO2 에 노출되었다. 3개의 실험에 대한 결과적인 응답들이 도 5에 도시된다. 3개의 실험은 각각, 동일한 수동 침착 감지 필름을 갖는 상이한 센서를 이용하여 실행되었다. 도 5a, 도 5b, 및 도 5c는, 각각 피동적 RFID 플랫폼 변환기 및 감지 물질로서 0.8% Pt 첨가된 인듐 산화물을 갖는, 3개의 상이한 센서를 이용하여 생성되었다. 도 5에 의해서 인식될 수 있는 바와 같이, 각각의 실험은 약간의 변동만을 가지는 유사한 결과를 생산하였다. 중요하게, 각각의 센서는 분석 물질 노출에 즉각적으로 응답하였으며 그리고 이어서 원래의, 노출-이전의 레벨로 복귀되었다. 그에 따라, 도 5는 3개의 센서 각각의 가역적인 특징을 도시한다.
유사하게, 도 6은 본 발명의 실시예를 이용하는 실험으로부터의 결과에 대한 도표(90)를 도시한다. 피동적인 RFID 플랫폼 변환기 및 0.8% Pt 첨가 인듐 산화물을 갖는 센서가, 도 6의 결과를 생성하기 위해, 이용되었다.
부가적으로, 도 6의 결과를 생성하기 위해서 이용되는 실험적 장치는 도 4에 도시되어 있다. 분석 물질의 유량은 400 cc/분 이었고, 그에 따라 센서가 500 ppm 농도의 ClO2 에 30초 동안 노출되었고, 이어서 40% 습도의 공기에 노출되었다. ClO2 에 대한 노출들 사이의 간격은 60분이었다.
도 6은, 3개의 반복된 측정에 대한 센서 응답의 기준선 안정성, 또는 가역성을 구체적으로 보여준다. 도 6의 센서 응답은, 그러한 응답이 3개의 측정 각각에서 분석 물질의 제거 시에 원래의, 노출-이전의 레벨(92)로 복귀되었기 때문에, 가역적이다. 또한, 반복적인 측정들이, 센서 안정성 및 검출 한계를 결정하기 위해 을 실행되었다. 검출 한계는, 센서가 검출할 수 있는 분석 물질의 가장 낮은 농도를 나타내는 계산된 값이다. 검출 한계(DL)는 8 ppm의 ClO2가 되도록 계산되었고, 이는, DL = 8.1 ppm이 되도록, DZp = 33.4 옴, Std Zp = 0.18 옴의 측정된 값을 이용하여, 3의 신호 대 노이즈 비에서 계산되었다.
도 7은 본 발명의 실시예의 시험으로부터의 결과에 대한 도표를 도시한다. 구체적으로, 도 7은 ClO2 레벨 증가에 응답하는 센서의 응답을 도시한다. 실험 도중에, 공기 중의 ClO2 농도는 20 ppm 간격으로 30 내지 300 ppm이었고, 그러한 농도는 건조 공기에 의한 희석을 이용하여 제어되었다. 상대 습도는 약 40% 였다. 센서가 검출한 ClO2 농도의 해상도는, 반도전성 혼합 금속 산화물과 중합체 매트릭스의 제제 비율(formulation ratio)에 기초하여 최적화되었다. 비제한적인 예로서, 20 ppm의 해상도를 달성하기 위해, 감지 물질 제제는, 제제가 1-메틸-2-피롤리디논(NMP) 용매 내의 3 mg의 반도전성 금속 산화물 및 67%의 중합체 결합제를 포함하는 가운데, 기본 금속 산화물, 즉 인듐 주석 산화물(ITO), 및 중합체 매트릭스, 즉 폴리비닐이덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하였다. 각각의 레벨 농도에 대한 30초의 노출 시간 및 5 분의 평형 시간을 동반하는 3개의 실험의 결과적인 응답이 도시되었으며, 그리고 상응하는 교정 챠트가 이러한 수들로부터 그려졌다. 도 7은, ClO2 에 대한 마지막 노출 이후에, 센서 신호가 그의 원래의 기준선으로 서서히 복귀하는 것을 보여준다.
도 8은, RFID 플랫폼 변환기를 갖는 다중변수 센서(110)의 등가 회로의 실시예를 도시한다. 센서(110)는, 인덕턴스(LA)(114), 커패시턴스(CA)(116), 및 저항(RA)(118)을 갖는 감지 코일(112); 감지 안테나; 감지 물질; 및 커패시턴스(CC)(122) 및 저항(RC)(124)을 갖는 IC 칩(120)을 구비한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 감지 영역에 도포되는 감지 물질의 복소 유전율(complex permittivity)이 ε'r - jε"r 로서 설명되고, 여기에서 실제 부분(ε'r)은 감지 물질의 에너지 저장 용량에 상응하고, 가상 부분(ε"r)은 전도도(σ)에 직접적으로 비례한다. 그에 따라, 감지 물질은, 복소 유전율의 실제 부분(ε'r)을 통한 커패시턴스 응답을 나타내며, 그리고 감지 물질은 복소 유전율의 가상 부분(ε"r)을 통한 저항 응답을 나타낸다. 복소 유전율의 실제 부분은 감지 물질의 에너지 저장 능력에 상응하고, 그러한 에너지 저장 능력은 감지 물질의 커패시턴스에 비례한다. 나아가, 복소 유전율의 가상 부분이 전도도에 비례하기 때문에, 그리고 전도도 및 저항은 역으로 관련되기 때문에, 그러한 가상 부분은 저항에 반비례한다. 그에 따라, 감지 물질의 복소 유전율을 측정하는 것에 의해서, 저항의 변화 및 커패시턴스의 변화 모두에 대한 감지 물질의 응답이 측정될 수 있다.
또한, 센서는, 심지어 온도의 요동이 일어날 수 있는 경우에도, 주위 온도에서 정확한 측정을 획득할 수 있는 능력을 갖는다. 주위 온도의 변동(variation)은, 도 8의 등가 회로의 상이한 구성요소들에 대한 독립적인 영향들을 생성한다. 그러나, 이러한 독립적인 영향들은, 공명 임피던스 스펙트럼의 스펙트럼적 특징들과 상호 관련되며 그리고 센서의 다중변수 응답에 의해 해결된다. 주위 온도는 섭씨 -40도 내지 섭씨 1000도 사이일 수 있다.
본 개시의 실시예들을 위한 다중변수 감지 물질의 디자인의 예들이 도 9에 제시되어 있다. 다중변수 응답을 생성하기 위해서, 물질들은, 제1 성분(130)을 포함할 수 있는 증기-불활성 코어 또는 증기-활성적 코어를 가질 수 있다. 제1 성분(130)은, 제2 성분(132)을 포함할 수 있는 완전하게 덮는(complete-coverage) 층, 외피, 또는 매트릭스(예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같다), 또는 불완전하게 덮는 층, 외피, 또는 매트릭스(예를 들어, 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같다)로 둘러싸인다. 특정 실시예에서, 층, 외피, 또는 매트릭스는, 도 9c에 도시된 바와 같이, 제2 성분(132) 및 제3 성분(134)을 포함할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 층, 외피, 또는 매트릭스는, 2개 초과의 성분을 포함할 수 있을 것이다. 다중변수 감지 물질 내의 성분의 수는 1 내지 20개 사이일 수 있으며, 각각의 성분이 감지 필름 내에서 상이한 기능을 실행한다. 다중변수 감지 물질의 제1 성분(130)은, 나노입자, 마이크로입자, 나노와이어, 및 나노튜브를 포함할 수 있다. 제1 성분(130)의 물질은, 도전성 물질, 반도전성 물질, 또는 비-도전성 물질일 수 있을 것이다. 제1 성분(130)의 형상은 제어될 수 있고 또는 무작위적일 수 있다. 부가적으로, 제1 성분(130)의 치수(diemension)는 증기에 대한 노출에 의해 영향을 받지 않을 수도 있고, 또는 제1 성분(130)의 치수는 그러한 노출에 의해 영향을 받을 수도 있다. 만약 증기에 대한 노출에 의해 영향을 받는다면, 제1 성분(130) 치수는 수축 또는 팽창할 수 있을 것이며, 또는 유전적 특성, 전기적 특성, 및/또는 광학적 특성의 변화를 나타낼 수 있을 것이다.
층, 외피, 또는 매트릭스는, 적어도 하나의 나노입자, 마이크로입자, 나노와이어, 또는 나노튜브를 포함하는, 순응형상(conformal) 층, 단일 층, 또는 비-슨응형상 층일 수 있다. 부가적으로, 충진제(filler) 매트릭스가, 제1 성분(130)과 층, 외피, 또는 매트릭스 사이의 공극을, 채울 수 있을 것이다. 제2 성분(132) 및/또는 제3 성분(134)은, 도전성 재료, 반도전성 재료, 또는 비-도전성 재료일 수 있을 것이다. 층, 외피, 또는 매트릭스의 형상 속성(attribute)이 제어될 수 있고 또는 무작위적일 수 있다. 층, 외피, 또는 매트릭스의 치수는 증기에 대한 노출에 의해서 영향을 받지 않을 수도 있고, 또는 층, 외피, 또는 매트릭스의 치수는 증기에 의해서 영향을 받을 수도 있다. 만약 증기에 대한 노출에 의해서 영향을 받는다면, 층, 외피, 또는 매트릭스 치수는 수축 또는 팽창할 수 있으며, 또는 유전적 특성, 전기적 특성, 및/또는 광학적 특성의 변화를 나타낼 수 있을 것이다.
특정 실시예에서, 다중변수 감지 물질은 복합(hybrid) 구조를 포함할 수 있을 것이고, 그에 따라 2개 초과의 재료(예를 들어, 금속 산화물, 금속 산화물 뼈대(framework), 유기 리간드-씌움(organic ligand-capped) 나노입자, 무기 리간드-씌움 나노입자, 중합체 리간드-씌움 나노입자, 또는 혼합된 금속 산화물)가 강한 물리적 결합 또는 상호 작용에 의해서 연결된다. 복합 다중변수 감지 물질들은, 도전성 귀금속들, 도전성 유기 중합체 물질들, 및 기능화된(functionalized) 나노물질들 사이의 물리적 상호 작용과 같은, 마이크로- 또는 나노-구조적 특징들을 가질 수 있을 것이다.
도 10은, 3개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출 시에 하나의 공진 센서로 얻어진 실험 결과에 대한 도표(140)이다. 도 10의 결과를 생성하기 위해서 이용되는 실험적 장치(70)는 도 4에 도시되어 있다. 도 10은 몇 가지 증기(예를 들어, 암모니아, 메탄올, 및 염소)에 대한 센서(76)의 응답을 도시하고, 여기에서 센서(76)는 WO3-ZnO 혼합 산화물 감지 물질을 갖는다. 실험은 400 ℃에서 실행되었으며 그리고 센서(76)는 공진 스펙트럼을 측정하기 위해 공진 모드에서 동작되었다. 시험된 증기들은, 10, 20, 및 40 ppm 농도의 염소, 15, 30, 및 60 ppm 농도의 메탄올, 및 20, 40, 및 80 ppm 농도의 암모니아였다. 센서(76) 응답은, 공진 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서 측정되었다. 도 10은 센서(76)로부터의 몇몇 응답의 주성분 분석시의 스코어 도표(scores plot)(140)를 도시한다. 이러한 도표(140)는, 센서(76)가, 그러한 센서(76)가 그에 노출되었던, 3개의 상이한 증기들을 구별할 수 있다는 것을 보여준다.
도 11은, 3개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출 시에 다른 공진 센서로 얻어진 실험 결과에 대한 도표(150)이다. 도 11의 결과를 생성하기 위해 이용되는 실험적 장치(70)는 도 4에 도시되어 있다. 도 11은 몇 가지 증기(예를 들어, 암모니아, 메탄올, 및 살리실산메틸(methyl salicylate)(MeS))에 대한 센서(76)의 응답을 도시하고, 여기에서 센서(76)는 Pt 첨가된 In2O3 금속 산화물 감지 물질을 갖는다. 실험은 300 ℃에서 실행되었으며 그리고 센서(76)는 공진 스펙트럼을 측정하기 위해 공진 모드에서 동작되었다. 시험된 증기들은, 20, 40, 및 60 ppm 농도의 암모니아, 15, 30, 및 45 ppm 농도의 살리실산메틸, 및 100, 200, 및 300 ppm 농도의 메탄올이었다. 센서(76) 응답은, 공진 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서 측정되었다. 도 11은 센서(76)로부터의 몇몇 응답의 주성분 분석시의 스코어 도표(150)를 도시한다. 이러한 도표(150)는, 센서(76)가, 그러한 센서(76)가 그에 노출되었던, 3개의 상이한 증기들을 구별할 수 있다는 것을 보여준다.
도 12는, 5개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출 시에 하나의 공진 센서로 얻어진 실험 결과에 대한 도표(160)이다. 도 12의 결과를 생성하기 위해 이용되는 실험적 장치(70)는 도 4에 도시되어 있다. 도 12는 몇 가지 증기(예를 들어, 과산화수소, 에탄올아민, 물, 이산화염소, 및 암모니아)에 대한 센서(76)의 응답을 도시하고, 여기에서 센서(76)는 SnO2-Pd 복합 감지 물질을 갖는다. 실험은 300 ℃에서 실행되었으며 그리고 센서(76)는 공진 스펙트럼을 측정하기 위해 공진 모드에서 동작되었다. 시험된 증기들은, 과산화수소, 에탄올아민, 물, 이산화염소, 암모니아, 및 물이었다. 시험된 증기들의 농도는 1/8, 1/4 및 1/2 P/Po였고, 여기에서 P는 증기 부분압이며 그리고 Po 는 포화 증기압이다. 센서(76) 응답은, 공진 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서 측정되었다. 도 12는 센서(76)로부터의 몇몇 응답의 주성분 분석시의 스코어 도표(160)를 도시한다. 이러한 도표(160)는, 감지 물질로서 SnO2-Pd 를 갖는 센서(76)가, 그러한 센서(76)가 그에 노출되었던, 5개의 상이한 증기들을 구별할 수 있다는 것을, 보여준다.
특정 실시예에서, SnO2-Pd 복합체(composite)가, 탈이온수(예를 들어, 15 mL) 내에서 소듐 주석산염 트리하이드레이트(sodium stannate trihydrate)(예를 들어, 2g)를 용해시키는 것에 의해서 합성된다. D-글루코스 모노하이드레이트(D-glucose monohydrate)(예를 들어, 1 g)가 소듐 주석산염 트리하이드레이트 및 물 혼합물에 첨가되며 그리고 오일 조(oil bath) 내에서 60 ℃에서 밤새 교반되었다. 형성되는 백색 침전물은 원심 분리에 의해 수집되며 그리고, 탈이온수에 의한 세척이 뒤따르게 된다. 수집된 나노입자는 밤새 동결 건조(lyophilization)에 의해 건조된다. 약 300 mg의 SnO2 가, 30 mL의 물 내에 분산되었다. 이러한 혼합물에, 소듐 테트라클로로팔라듐산염(sodium tetrachloropalladate)(예를 들어, 7 mg)이 첨가되며, 소듐 보론하이드라이드(sodium borohydride)(예를 들어, 8 mg)의 첨가가 뒤따르게 된다. 이러한 절차는, 0.8%의 Pd 비율을 갖는 최종적인 나노복합체 구조물을 생성한다. 이러한 반응 혼합물은 밤새 교반될 수 있으며 그리고 원심 세척을 이용하여 최종적인 나노입자로 정제될 수 있을 것이다.
도 13은, 5개의 상이한 증기에 대한 센서의 노출 시에 다른 공진 센서로 얻어진 실험 결과에 대한 도표(170)이다. 도 13의 결과를 생성하기 위해 이용되는 실험적 장치(70)가 도 4에 도시되어 있다. 도 13은 몇 가지 증기(예를 들어, 과산화수소, 에탄올아민, 물, 이산화염소, 및 암모니아)에 대한 센서(76)의 응답을 도시하고, 여기에서 센서(76)는 복합 감지 물질로서 SnO2 만을 갖는다. 실험은 300 ℃에서 실행되었으며 그리고 센서(76)는 공진 스펙트럼을 측정하기 위해 공진 모드에서 동작되었다. 시험된 증기들은, 과산화수소, 에탄올아민, 물, 이산화염소, 암모니아, 및 물이었다. 시험된 증기들의 농도는 1/8, 1/4 및 1/2 P/Po였고, 여기에서 P는 증기 부분압이며 그리고 Po 는 포화 증기압이다. 센서(76) 응답은, 공진 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서 측정되었다. 도 13은 센서(76)로부터의 몇몇 응답의 주성분 분석시의 스코어 도표(170)를 도시한다. 이러한 도표(170)는, 감지 물질로서 SnO2 를 갖는 센서(76)가, 그러한 센서(76)가 그에 노출되었던, 5개의 상이한 증기들을 구별할 수 있다는 것을, 보여준다.
도 14는, 3개의 상이한 증기에 대한 노출 시에 하나의 공진 센서로 얻어진 실험 결과에 대한 도표(180)이다. 도 14의 결과를 생성하기 위해 이용되는 실험적 장치(70)가 도 4에 도시되어 있다. 도 14는 몇 가지 증기(예를 들어, 에탄올, 메틸 에틸 케톤, 및 물)에 대한 센서(76)의 응답을 도시하고, 여기에서 센서(76)는 감지 물질로서 은 나노입자를 갖는 은 잉크를 구비한다. 은 나노입자는 약 20 nm의 직경을 가졌으며 그리고 폴리비닐피롤리디논 중합체의 외피를 가졌다. 실험은 주위 실내 온도(예를 들어, 약 20 ℃)에서 실행되었으며 그리고 센서(76)는 공진 스펙트럼을 측정하기 위해 공진 모드에서 동작되었다. 시험된 증기들은, 에탄올, 메틸 에틸 케톤, 및 물이었다. 시험된 증기들의 농도는 1/8, 1/4 및 1/2 P/Po 이었다. 센서(76) 응답은, 공진 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분으로서 측정되었다. 도 14는 센서(76)로부터의 몇몇 응답의 주성분 분석시의 스코어 도표(180)를 도시한다. 이러한 도표(180)는, 폴리비닐피롤리디논 외피 감지 물질을 갖는 은 나노입자를 구비하는 센서(76)가, 그러한 센서(76)가 그에 노출되었던, 3개의 상이한 증기들을 구별할 수 있다는 것을, 보여준다.
본 발명의 특정 특징들만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었지만, 많은 수정 및 변경이 당업자에 의해 일어날 수 있을 것이다. 그에 따라, 첨부된 청구항들은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 그러한 모든 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다는 것을, 이해해야 될 것이다.

Claims (30)

  1. 기체 작용제를 검출하도록 구성되는 센서로서:
    안테나를 형성하는 전기 공진 회로를 포함하는 변환기; 및
    상기 변환기의 적어도 일부분 상에 배치되는 감지 물질로서, 기체 작용제에 노출될 때, 커패시턴스 응답 및 저항 응답을 동시적으로 나타내도록 구성되는 것인, 감지 물질
    을 포함하고,
    상기 감지 물질은 반도전성 금속 산화물 및 조절 가능한(tunable) 첨가제를 포함하며,
    상기 센서의 감지 성능이 상기 감지 물질 내의 상기 조절 가능한 첨가제의 중량 백분율에 의해 결정되는 것인 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기체 작용제는, 살균 작용제, 훈증 작용제, 또는 오염제거 작용제인 것인 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 기체 작용제와의 접촉시에 신호 변화를 나타내며, 기체 작용제의 제거시에 원래의 노출 이전의 값으로 다시 복귀되는 것인, 가역적인 응답을 갖는 것인 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 계량기(dosimeter)로서 기체 작용제의 농도를 측정하도록 구성되는 것인 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 유기층으로 적어도 부분적으로 코팅되는 금속 나노입자를 포함하는 것인 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 상기 반도전성 금속 산화물 상에 침적된 귀금속 촉매를 더 포함하는 것인 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 귀금속 촉매는, 백금, 팔라듐, 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 루테늄, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나이며, 그리고
    상기 반도전성 금속 산화물은,
    In2O3, ZnO, WO3, SnO2, TiO2, Fe2O3, Ga2O3 및 Sb2O3, 또는 임의의 다른 반도전성 금속 산화물, 또는,
    SnO2을 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 SnO2 또는 금속들의 임의의 다른 조합을 포함하는 하나 이상의 금속의 조합
    중 어느 하나인 것인 센서.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 귀금속 촉매는, 습윤 함침 또는 원위치(in-situ) 합성을 이용하여 상기 반도전성 금속 산화물 상에 침적되는 것인 센서.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 반도전성 금속 산화물에 대한 상기 귀금속 촉매의 중량 백분율은, 0.01% 내지 1%의 범위 이내인 것인 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는 주위 온도에서 동작하도록 구성되는 것인 센서.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 10항에 있어서,
    상기 주위 온도는 섭씨 - 40도 내지 섭씨 1000도 사이인 것인 센서.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 변환기는, 패시브 RFID 플랫폼 변환기, 인덕터-커패시터-저항기(LCR) 공진기, 두께 전단 모드 공진기, 인터디지털(interdigital) 전극 구조물, 또는 전극 구조물인 것인 센서.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 물질은 상기 센서의 상보적 감지 영역 상에 배치되는 것인 센서.
  14. 기체 작용제를 검출하도록 구성되는 센서로서:
    안테나를 포함하는 변환기; 및
    상기 변환기 상에 배치되는 감지 물질로서, 반도전성 금속 산화물, 상기 반도전성 금속 산화물 상에 침적되는 귀금속 촉매, 및 조절 가능한(tunable) 첨가제를 포함하는 것인, 감지 물질
    을 포함하고,
    상기 안테나는, 기체 작용제에 노출될 때, 상기 감지 물질의 응답을 탐지하기 위한 전기장을 방출하도록 구성되며,
    상기 센서의 감지 성능이 상기 감지 물질 내의 상기 조절 가능한 첨가제의 중량 백분율에 의해 결정되는 것인 센서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 반도전성 금속 산화물은 반도전성 혼합 금속 산화물인 것인 센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 1wt% 내지 80wt%의 사이의 상기 조절 가능한 첨가제를 포함하는 것인 센서.
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 14항에 있어서,
    상기 감지 물질의 응답은, 커패시턴스의 변화 및 저항의 변화 양자 모두인 것인 센서.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 14항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 상기 센서의 상보적 감지 영역 상에 배치되는 것인 센서.
  19. 기체 작용제를 검출하도록 구성되는 센서를 준비하기 위한 방법으로서:
    기판 상에 안테나를 배치하는 것에 의해서 변환기를 조립하는 단계;
    금속 산화물 분말을 형성하기 위해, 귀금속 촉매를 반도전성 금속 산화물에 도핑하는 단계;
    안정적인 금속 산화물 현탁액을 형성하기 위해, 금속 산화물 분말을 조절 가능한 첨가제를 포함하는 중합체 매트릭스의 수성 용액과 혼합하는 단계;
    상기 금속 산화물 현탁액을 상기 변환기 상에 침적시키는 단계; 및
    감지 물질을 형성하기 위해 상기 금속 산화물 현탁액을 건조시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 센서의 감지 성능이 상기 감지 물질 내의 상기 조절 가능한 첨가제의 중량 백분율에 의해 결정되는 것인, 센서 준비 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 귀금속 촉매는, 백금, 팔라듐, 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 루테늄, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나인 것인, 센서 준비 방법.
  21. ◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 19항에 있어서,
    상기 반도전성 금속 산화물은,
    In2O3, ZnO, WO3, SnO2, TiO2, Fe2O3, Ga2O3 및 Sb2O3, 또는 임의의 다른 반도전성 금속 산화물, 또는,
    SnO2을 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 In2O3, ZnO를 갖는 SnO2 또는 금속들의 임의의 다른 조합을 포함하는 하나 이상의 금속의 조합
    중 어느 하나인 것인, 센서 준비 방법.
  22. ◈청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 19항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스는, 중합체 첨가제를, 물, 에탄올, 이소프로파놀, 헥산, 톨루엔, 1-메틸-2-피롤리디논, 또는 이들의 임의의 조합에 용해시킴에 의해 형성되는 것인, 센서 준비 방법.
  23. ◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 19항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리아크릴산(PAA), 클로로 금속산, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나인 것인, 센서 준비 방법.
  24. ◈청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 19항에 있어서,
    상기 안테나를 상기 변환기 상에 배치하는 것은 인쇄를 이용하여 실행되는 것인, 센서 준비 방법.
  25. ◈청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    기체 작용제의 농도를 검출하기 위한 방법으로서:
    제 1항 또는 제 14항에 따른 센서를 제공하는 단계;
    감지 물질을 기체 작용제에 노출시키는 단계로서, 상기 감지 물질은 제1 성분 및 제2 성분을 포함하고, 상기 제1 성분 및 상기 제 2 성분은 감지 코일의 표면 상에 침적되는 것인, 감지 물질을 기체 작용제에 노출시키는 단계;
    상기 제1 성분 및/또는 상기 제2 성분을 산화 또는 환원시키는 단계;
    상기 감지 코일의 공진 주파수 범위에 걸쳐 상기 감지 물질의 커패시턴스 응답 및 저항 응답을 측정하는 단계; 및
    상기 기체 작용제의 농도를 검출하기 위해 상기 감지 물질의 상기 커패시턴스 응답 및 상기 저항 응답에 대한 분석을 실행하는 단계
    를 포함하는 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
  26. ◈청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 25항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 유기층으로 적어도 부분적으로 코팅되는 금속 나노입자를 포함하는 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
  27. ◈청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 25항에 있어서,
    상기 분석은 단일변량 또는 다중변량인 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
  28. ◈청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 25항에 있어서,
    상기 제1 성분은 반도전성 금속 산화물이며 그리고 상기 제2 성분은 귀금속 촉매이며, 그리고 상기 귀금속 촉매는 상기 반도전성 금속 산화물의 표면 상에 침적되는 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
  29. ◈청구항 29은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 25항에 있어서,
    상기 분석은, 주위 온도의 요동에 대한 자가-보정이 가능한 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
  30. ◈청구항 30은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 25항에 있어서,
    상기 감지 물질은, 기체 작용제와의 접촉시에 신호 변화를 나타내며, 기체 작용제의 제거시에 원래의 노출 이전의 값으로 다시 복귀되는 것인, 가역적인 응답을 갖는 것인, 기체 작용제 농도 검출 방법.
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