JPH02213757A - 圧電素子ガスセンサーシステム - Google Patents
圧電素子ガスセンサーシステムInfo
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- JPH02213757A JPH02213757A JP3555689A JP3555689A JPH02213757A JP H02213757 A JPH02213757 A JP H02213757A JP 3555689 A JP3555689 A JP 3555689A JP 3555689 A JP3555689 A JP 3555689A JP H02213757 A JPH02213757 A JP H02213757A
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- piezoelectric element
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、化学工業、環境計測分野におけるガスの計
測を行う装置に関する。
測を行う装置に関する。
（発明の概要〕
この発明の圧電素子のインピーダンス変化を指標とする
ガスセンサーシステムは、感応膜を有する圧電素子、電
気的インピーダンス測定装置、記録装置（または表示装
置）から構成され、ガスの濃度の測定を行う装置である
。このうち、インピーダンス測定装置は、インピーダン
スアナライザーとコンピュータ、又は、発振回路と発振
レベルメータから構成した。
ガスセンサーシステムは、感応膜を有する圧電素子、電
気的インピーダンス測定装置、記録装置（または表示装
置）から構成され、ガスの濃度の測定を行う装置である
。このうち、インピーダンス測定装置は、インピーダン
スアナライザーとコンピュータ、又は、発振回路と発振
レベルメータから構成した。
この装置によって、圧電素子を検出素子とするガスセン
サーの感度の向上を可能にした。さらに、発振レベルメ
ータを使用した場合は、連続的なモニタも可能にし、高
速の応答変化にも対応するセンサーシステムを構築する
ことができた。
サーの感度の向上を可能にした。さらに、発振レベルメ
ータを使用した場合は、連続的なモニタも可能にし、高
速の応答変化にも対応するセンサーシステムを構築する
ことができた。
従来、圧電素子、特に水晶振動子を利用したガスセンサ
ーとしては、水晶振動子を有機ｍ１Ｉｌで被覆し、発振
回路を使用し、発振周波数を測定する方法がとられてい
た。
ーとしては、水晶振動子を有機ｍ１Ｉｌで被覆し、発振
回路を使用し、発振周波数を測定する方法がとられてい
た。
従来の発振周波数を指標となる測定法では、５ａｕｒｅ
ｂｒｅｙの式（ΔＦ−Δｍ／ｍ・Ｆ：Ｆは発振周波数、
ΔＦは発振周波数変化、ｍは水晶の重さ、Δｍは表面の
重量変化）にしたがい、水晶振動子センサーの応答値は
重量変化によって規定されると考えられているｒ Ｚ
、 Ｐｈｙｓｔｋ、 １５５（１９５９）２０６］。
ｂｒｅｙの式（ΔＦ−Δｍ／ｍ・Ｆ：Ｆは発振周波数、
ΔＦは発振周波数変化、ｍは水晶の重さ、Δｍは表面の
重量変化）にしたがい、水晶振動子センサーの応答値は
重量変化によって規定されると考えられているｒ Ｚ
、 Ｐｈｙｓｔｋ、 １５５（１９５９）２０６］。
このため、水晶振動子センサーの感度は、表面のｌｉｔ
変化に依存することになり、例えば、１０Ｍ１ｌｚの水
晶振動子では、１０ｇの吸着でｌｈｚの変化をすること
になる。したがって、これ以上感度を上げることはでき
ない。
変化に依存することになり、例えば、１０Ｍ１ｌｚの水
晶振動子では、１０ｇの吸着でｌｈｚの変化をすること
になる。したがって、これ以上感度を上げることはでき
ない。
また、測定は周波数カウンタのゲートタイムに依存した
離散的な測定であった。このため非常に速い変化を連続
的にモニタすることはできなかった。
離散的な測定であった。このため非常に速い変化を連続
的にモニタすることはできなかった。
上記の課題を解決するために、新たに圧電素子の電気的
インピーダンスを指標とするガスセンサーシステムを開
発した。このシステムは、感応膜を有する圧電素子、圧
電素子の電気的インピーダンス測定ｖ装置、記録装置（
または表示装置）から構成した。このうち、インピーダ
ンス測定装置は、インピーダンスアナライザーとコンピ
ュータ、又は発振回路と発振レベルメータから構成した
。
インピーダンスを指標とするガスセンサーシステムを開
発した。このシステムは、感応膜を有する圧電素子、圧
電素子の電気的インピーダンス測定ｖ装置、記録装置（
または表示装置）から構成した。このうち、インピーダ
ンス測定装置は、インピーダンスアナライザーとコンピ
ュータ、又は発振回路と発振レベルメータから構成した
。
これまで水晶振動子ガスセンサーの共振周波数変化は、
５ａｕｒｅｂｒｅｙの弐に従うとされていた。しかし、
５ａｕｒｅｂｒｅｙの弐では、水晶振動子表面の弾性的
な膜に限って適用されるものであり、高分子膜のような
粘弾性的な膜では、そのまま適用することはできない。
５ａｕｒｅｂｒｅｙの弐に従うとされていた。しかし、
５ａｕｒｅｂｒｅｙの弐では、水晶振動子表面の弾性的
な膜に限って適用されるものであり、高分子膜のような
粘弾性的な膜では、そのまま適用することはできない。
従って、実際の周波数変化は、５ａｕｒｅｂｒｅνの式
から計算される値よりも小さくなることが予想される。
から計算される値よりも小さくなることが予想される。
一方、高分子膜の粘弾性的な性質から、水晶振動子など
の圧電素子表面における振動に対して、摩擦抵抗を与え
ることになる。
の圧電素子表面における振動に対して、摩擦抵抗を与え
ることになる。
圧電素子において、この機械的な摩擦抵抗は、電気的共
振抵抗に反映されることが既に知られているＥＨ，Ｍｕ
ｒａｍａｔｓｕ ｅｔ ａｌ、、Ａｒ＋ａ１． Ｃｈｅ
ａ＋、、６０（２９８８）２１４２］。ここで、共振抵
抗は、高分子膜の密度と粘度に依存して変化すると考え
られる。したがって、ガスが高分子膜に吸着した場合、
まず、密度の変化として共振抵抗が変化する。これに加
えて、高分子膜の粘弾性的性質（特に粘性的性質）が変
化することによって、さらに共！１１を抗の値が変化す
ると考えられる。
振抵抗に反映されることが既に知られているＥＨ，Ｍｕ
ｒａｍａｔｓｕ ｅｔ ａｌ、、Ａｒ＋ａ１． Ｃｈｅ
ａ＋、、６０（２９８８）２１４２］。ここで、共振抵
抗は、高分子膜の密度と粘度に依存して変化すると考え
られる。したがって、ガスが高分子膜に吸着した場合、
まず、密度の変化として共振抵抗が変化する。これに加
えて、高分子膜の粘弾性的性質（特に粘性的性質）が変
化することによって、さらに共！１１を抗の値が変化す
ると考えられる。
このことから、粘性変化の大きい高分子膜を用いること
によって、共振抵抗の測定は、測定感度を共振周波数変
化の測定以上に上げることが可能である。また、共振抵
抗をアナログ的な回路で測定することによって、速い応
答の連続的なモニタも可能である。
によって、共振抵抗の測定は、測定感度を共振周波数変
化の測定以上に上げることが可能である。また、共振抵
抗をアナログ的な回路で測定することによって、速い応
答の連続的なモニタも可能である。
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は、本発明のガスセンサーシステムの模式図を示し
たものである。第１図において、高分子膜４をコートし
た圧電素子１は、圧電素子の電気的インピーダンス測定
装置ｔ２に接続され、装置２には、記録装置（または表
示装置）３が接続されている。
１図は、本発明のガスセンサーシステムの模式図を示し
たものである。第１図において、高分子膜４をコートし
た圧電素子１は、圧電素子の電気的インピーダンス測定
装置ｔ２に接続され、装置２には、記録装置（または表
示装置）３が接続されている。
この高分子膜被覆圧電素子として、ポリエチレングリコ
ールを被覆したＡＴカット９ＭＨｚの水晶振動子を用い
、電気的インピーダンス測定装置として、インピーダン
スアナライザーとコンピュータを使用して測定を行った
。このセンサーシステムの一実施例を示す模式図を第２
図に示す。第２図において、水晶振動子はフローセル５
中に固定され、このセル中へ窒素ガスが）８度調整用の
グリセリン水溶液容器６を通して送り込まれるようにな
っている。
ールを被覆したＡＴカット９ＭＨｚの水晶振動子を用い
、電気的インピーダンス測定装置として、インピーダン
スアナライザーとコンピュータを使用して測定を行った
。このセンサーシステムの一実施例を示す模式図を第２
図に示す。第２図において、水晶振動子はフローセル５
中に固定され、このセル中へ窒素ガスが）８度調整用の
グリセリン水溶液容器６を通して送り込まれるようにな
っている。
共振抵抗の測定は、アドミッタンスの虚数成分サセプタ
ンスの最大値、最小値を与える周波数の間に共振周波数
変化があることから、まず、この範囲を周波数掃引しア
ドミッタンスの測定を行った。測定したコンダクタンス
とサセプタンスのデータをＸＹ軸上にプロットした場合
、描かれる円の直径を求め、この逆数を共振抵抗の値と
した。
ンスの最大値、最小値を与える周波数の間に共振周波数
変化があることから、まず、この範囲を周波数掃引しア
ドミッタンスの測定を行った。測定したコンダクタンス
とサセプタンスのデータをＸＹ軸上にプロットした場合
、描かれる円の直径を求め、この逆数を共振抵抗の値と
した。
また、コンダクタンスの最大値を示す周波数を共搬用波
数として求めた。この処理はすべてコンピュータで行う
ことが可能であり、１回の測定は、４秒以内で行うこと
が可能であった。
数として求めた。この処理はすべてコンピュータで行う
ことが可能であり、１回の測定は、４秒以内で行うこと
が可能であった。
第３図は、５０μｇのポリエチレングリコール（Ｍ、
Ｗ、 ５００００）を被覆した水晶振動子により、本シ
ステムで得られた共振抵抗と共ＩＪ５’Ｒ波数の応答を
示したものである。第３図に示されるように、共振抵抗
と共振周波数共に変化が認められた。ここで、アドミッ
タンス測定時の測定電圧を上げ、測定精度を上げること
によって、共振抵抗は発振回路より得られる共振周波数
に対して、より感度良くガスの検出に適用できることが
わかった。
Ｗ、 ５００００）を被覆した水晶振動子により、本シ
ステムで得られた共振抵抗と共ＩＪ５’Ｒ波数の応答を
示したものである。第３図に示されるように、共振抵抗
と共振周波数共に変化が認められた。ここで、アドミッ
タンス測定時の測定電圧を上げ、測定精度を上げること
によって、共振抵抗は発振回路より得られる共振周波数
に対して、より感度良くガスの検出に適用できることが
わかった。
第４図は、５■のポリエチレングリコールを被覆した水
晶振動子に対して２５℃において相対温度に対する共振
抵抗の変化を測定した結果を示したものである。第４図
から共振抵抗によって直線性の高い校正曲線が得られる
ことがわかる。
晶振動子に対して２５℃において相対温度に対する共振
抵抗の変化を測定した結果を示したものである。第４図
から共振抵抗によって直線性の高い校正曲線が得られる
ことがわかる。
次に、インピーダンス測定装置として、発振回路と発振
レベルメータを使用して実験を行った。
レベルメータを使用して実験を行った。
ここで、発振レベルメータは、発振回路の圧電素子から
の入力端子の電圧を増幅した後、平滑して直流電圧を得
る回路である。この装置は、水晶振動子の共振抵抗変化
によって、水晶振動子に流れる電流が変化すると端子電
圧が変化することを利用したものである。
の入力端子の電圧を増幅した後、平滑して直流電圧を得
る回路である。この装置は、水晶振動子の共振抵抗変化
によって、水晶振動子に流れる電流が変化すると端子電
圧が変化することを利用したものである。
この実験でも同様に、レベルメータの出力からガスの検
出を行えることが示された。さらに、この測定システム
によって、急激なセンサー出力の変化を捉えることが可
能であることが示された。
出を行えることが示された。さらに、この測定システム
によって、急激なセンサー出力の変化を捉えることが可
能であることが示された。
この他、感応膜としてガスクロマトグラフィー用吸着剤
を使用することによって、各種ガス濃度の検出を行うこ
とが可能であることが示された。
を使用することによって、各種ガス濃度の検出を行うこ
とが可能であることが示された。
本発明の圧電素子ガスセンサーシステムによって、発振
周波数を指標とする圧電素子ガスセンサーに対してより
高感度なガスセンサーを構築することができた。さらに
、速いセンサ一応答を計ヨ１１することが可能となった
。
周波数を指標とする圧電素子ガスセンサーに対してより
高感度なガスセンサーを構築することができた。さらに
、速いセンサ一応答を計ヨ１１することが可能となった
。
第１図は本発明の圧電素子ガスセンサーシステムの模式
図、第２図は本発明の圧電素子ガスセンサーシステムの
一実施例を示す模式図、第３図は本発明のシステムによ
る共振抵抗と共振周波数の応答曲線を示す図、第４図は
本発明のシステムによる相対湿度に対する共微抵抗の測
定結果を示す図である。 以上 不発日月の圧を系÷ゾびスｔｙ’Ｔ−ソスケムのＪ１天
口早 １ 図 出願人 セイコー電子工業株式会社 代理人 弁理士 林 敬 之 助 本宅ぢ月のｒ、電累］刀゛ズｔ゛ノす−システムの一′
にた列とホ１糟式図 第２図 時 間 （今） 相対湿蔑（％） （２５°Ｃ）
図、第２図は本発明の圧電素子ガスセンサーシステムの
一実施例を示す模式図、第３図は本発明のシステムによ
る共振抵抗と共振周波数の応答曲線を示す図、第４図は
本発明のシステムによる相対湿度に対する共微抵抗の測
定結果を示す図である。 以上 不発日月の圧を系÷ゾびスｔｙ’Ｔ−ソスケムのＪ１天
口早 １ 図 出願人 セイコー電子工業株式会社 代理人 弁理士 林 敬 之 助 本宅ぢ月のｒ、電累］刀゛ズｔ゛ノす−システムの一′
にた列とホ１糟式図 第２図 時 間 （今） 相対湿蔑（％） （２５°Ｃ）
Claims (4)
- （１）少なくとも、感応膜を有する圧電素子、インピー
ダンス測定装置、記録装置（または表示装置）より構成
され、前記圧電素子の電気的インピーダンスを指標とす
ることを特徴とする圧電素子ガスセンサーシステム。 - （２）上記インピーダンス測定装置が、インピーダンス
アナライザーとコンピュータより構成される請求項１記
載の圧電素子ガスセンサーシステム。 - （３）上記インピーダンス測定装置が、発振回路と発振
レベルメータにより構成される請求項１記載のの圧電素
子ガスセンサーシステム。 - （４）上記圧電素子が、ＡＴカット水晶振動子である請
求項１記載の圧電素子ガスセンサーシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3555689A JP2811315B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 圧電素子ガスセンサーシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3555689A JP2811315B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 圧電素子ガスセンサーシステム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02213757A true JPH02213757A (ja) | 1990-08-24 |
| JP2811315B2 JP2811315B2 (ja) | 1998-10-15 |
Family
ID=12445004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3555689A Expired - Lifetime JP2811315B2 (ja) | 1989-02-15 | 1989-02-15 | 圧電素子ガスセンサーシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2811315B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003035647A (ja) * | 2001-07-24 | 2003-02-07 | Kaken:Kk | 揮発性有機塩素化合物センサ |
| CZ302963B6 (cs) * | 2010-12-03 | 2012-01-25 | Vysoké ucení technické v Brne | Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí |
| CN103913486A (zh) * | 2014-04-12 | 2014-07-09 | 太原理工大学 | AuNPs-PDMS复合微薄膜生物传感器的制备方法 |
| CN105116024A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-02 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3376417B2 (ja) | 2000-04-20 | 2003-02-10 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 高周波数水晶振動子を用いた超微量質量の検出装置用校正方法 |
-
1989
- 1989-02-15 JP JP3555689A patent/JP2811315B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003035647A (ja) * | 2001-07-24 | 2003-02-07 | Kaken:Kk | 揮発性有機塩素化合物センサ |
| CZ302963B6 (cs) * | 2010-12-03 | 2012-01-25 | Vysoké ucení technické v Brne | Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí |
| CN103913486A (zh) * | 2014-04-12 | 2014-07-09 | 太原理工大学 | AuNPs-PDMS复合微薄膜生物传感器的制备方法 |
| CN105116024A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-02 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2811315B2 (ja) | 1998-10-15 |
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