JPH10197472A - ポリマーフィルムガスセンサーの感度の改良法およびその方法を実施するセンサー構造 - Google Patents
ポリマーフィルムガスセンサーの感度の改良法およびその方法を実施するセンサー構造Info
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Abstract
する。 【解決手段】 測定変量に敏感なセンサーパラメータを
センサーの加熱および冷却期間中に多数点で測定し、加
熱および冷却期間にわたりセンサー応答のヒステリシス
関数(1)を作成し、ヒステリシス関数(1)に基づ
き、各測定ガス成分の濃度を決定する。
Description
感度を改良するための請求項1の前文に従う方法に関す
る。本発明はまたセンサー構造に関する。本発明は、適
用するガス測定法を強く妨害する他の1種以上のガス成
分を表す複合信号から、単一のガス成分に特有な信号を
取り出すのに特に適する。
異なるガス種に高感度なことを特徴としている。センサ
ーの感度を改良するための典型的解決法は、異なる型の
幾つかのガスセンサーを組み合わせ、次いでたとえばニ
ューラルネットワークにより、上記センサーの組み合わ
せの出力信号を解析することであった。しかし、この種
の測定系は複雑で費用がかかる。ポリマーフィルムセン
サーの本来の特性を回復させるために、たとえばFI特
許出願942,727 に記載されている方法で加熱する装置
も、業界では既知である。この技術はセンサーの当初の
性能を回復させるが、正常の測定状態でのガスセンサー
の基本的選択性を改善するものではない。本発明の目的
は、上記従来の技術の欠点を克服し、ポリマーフィルム
ガスセンサーの選択性を改良する全く新規な方法を提供
するにある。
/冷却の全サイクルにわたり、測定変量について感度が
高いことが知られているセンサーパラメータを測定し、
それによりサイクル中に行われた測定をヒステリシス関
数としてプロットし、それから測定変量を決定すること
により、本発明の目的が達成される。
の特徴部分に述べられたことを特徴としている。更に、
本発明によるセンサー構造は、請求項5の特徴部分に述
べられたことを特徴としている。
な利点は、測定を妨害するガス成分を、高効率で安価に
測定結果から排除できることである。この新規な測定法
の別の著しい利点は、ガスのない環境では、センサーは
そのエージング挙動には関係なく、常にゼロヒステリシ
スを示すことである。
の助けを借りながら、一層詳細に検討する。本発明によ
る測定法は、測定に係るガス成分を識別するために、異
なるガス成分で異なる特徴的拡散時間定数を利用する。
既知のように、ガス成分の拡散は、温度上昇と共に指数
関数的に加速される。同時に、ポリマー層中に平衡条件
で吸収されたガス量が減少する。
層に吸収されたガス量は平衡に達せずに、ガスの過剰量
が層に残存する。この過剰量のガスは、ガスの拡散定数
が温度上昇と共に十分高い値に達するまで、層に残存す
る。異なるガスは異なる拡散定数をもつから、平衡に達
する時間は、ガスと温度により異なる。
マー層を、常温以上の十分高い(100−200℃)温度に加
熱すると、実際上全てのガス成分はポリマー層から追い
出される。加熱期間後十分に迅速にポリマー層を冷却す
ると、常温に下がるまでポリマー層を吸収ガスを含まな
いで保つことができる。
設計されたポリマーフィルムガスセンサーの変量に対す
るセンサー応答を測定し(記録するパラメータはたとえ
ばセンサーのキャパシタンス、導電率または重量である
ことができる)、また同時に加熱期間4および冷却期間
5の両者にわたりセンサー温度を測定することにより、
ヒステリシスを示す温度vs.センサー応答関数の関数1
を記録できる。言い換えると、所定温度におけるセンサ
ー応答を特徴づける関数は、加熱期間中は、冷却期間と
は異なる値をもつ。
の変動は、温度が高くなると減少する。最も低い温度で
は、ヒステリシス2は、集合的に全ガス成分により引き
起こされる。ポリマー層の温度を上げると、最高の拡散
係数をもつガスが先ず追い出れ、そこでセンサー応答に
おけるその寄与は無くなる。層温度を上げ続けると、図
の点3で示すように、第2の最高拡散係数のガス成分が
追い出される。二つ以上の温度範囲にわたり、ヒステリ
シス関数1のループを測定することにより、異なるガス
成分に対するセンサー応答を識別できる。ヒステリシス
関数の微分係数の極大および極小から、またはヒステリ
シス関数の不連続点から、ガス成分の濃度を決定でき
る。
るためには、十分長い平衡時間を、次の測定サイクルの
間に置く必要がある。
できるまたは基板に接着できるものである。典型的に
は、層の厚さは0.1−10μmである。ポリマー層の加熱お
よび冷却速度は、典型的には10−1000℃/sの範囲であ
る。
妨害するガス成分を追い出すのに十分なだけ高温であっ
て、しかし測定ガス成分(すなわちヒステリシスループ
3を含む図でガス成分1)を追い出すほどは高くない温
度に、センサーを加熱する。この配置により、連続測定
サイクルの反復速度をより速くすることができる。第1
の実施態様に比較し、この場合測定温度におけるガスを
含まない条件でのセンサー応答の値を知る必要がある。
間または冷却期間中のある所定の温度で記録された測定
したセンサーパラメータの中間値で補完することができ
る。連続して迅速に二つの測定サイクルを実施すると、
拡散の遅いガス成分はセンサーに逆拡散して平衡に到達
できないことにより、追加の情報を得ることができる。
この場合、記録しようとするパラメータは、たとえば二
つの連続測定の間のヒステリシス関数の変化であること
ができる。
の実施態様が示されている。センサーチップの寸法は、
7×3.5×0.4mm(たとえば、低い熱伝導率のため理想材
料ではないガラス製)である。ガス測定信号は、接点C
1−C2で測定されるコンデンサ7のキャパシタンス
(約10pF)である。接点RL1−RL2に接続された加
熱器素子(約100ohm)により、センサー6を加熱する。
接点RM1−RM2に接続された別の抵抗器8(約300o
hm)により、センサー温度を測定する。抵抗器8の熱係
数は、典型的には約3000ppm/℃である。センサーコン
デンサ7および温度検出器8は、ヒーターエレメント9
に関し最大限に対称的に位置し、それによりその温度は
速い温度変化中センサー温度に確実に追随できる。
われる。 1.接点RL1−RL2にかける加熱電圧を、400ms中0
Vから10Vに線型に上げていく。 2.加熱電圧を300ms間10Vに保つ。 3.加熱電圧を、400msの間0Vに線型に下げていく。
び温度センサーの抵抗を、1秒25回以上の速い速度で
測定する。図3に示すように、水蒸気(H2O)およびア
ンモニアガス(NH3)の濃度を、ヒステリシス関数の微
分係数の極大から決定する。水蒸気は60℃に極大を示
し、一方アンモニアガスは160℃における微分係数の
極大から検出される。ヒステリシス関数の微分係数の極
大/極小はまた、異なる型のガスの決定にも利用でき
る。
サイクルのグラフを示す。
サー構造の模式的上面図を示す。
した測定サイクルのグラフを示す。
Claims (5)
- 【請求項1】 ガスセンサー(6)を加熱し、測定変量
に敏感なセンサーパラメータを記録するポリマーフィル
ムガスセンサーの感度の改良法において、測定変量に敏
感なセンサー(6)のパラメータをセンサーの加熱およ
び冷却期間中に多数点で測定し、加熱および冷却期間に
わたりセンサー応答のヒステリシス関数(1)を作成
し、ヒステリシス関数(1)に基づき、各測定ガス成分
の濃度を決定することを特徴とするポリマーフィルムガ
スセンサーの感度の改良法。 - 【請求項2】 測定ガス成分の濃度を、当該ヒステリシ
ス関数(1)の微分係数における極大および極小に基づ
き決定する、請求項1の方法。 - 【請求項3】 測定ガス成分の型を、当該ヒステリシス
関数(1)の微分係数における極大および極小に基づき
決定する、請求項1の方法。 - 【請求項4】 測定したセンサーパラメータの値を1秒
あたり25回より速い速度で記録する、請求項1の方
法。 - 【請求項5】 ポリマー誘電体をもつコンデンサのよう
な、測定変量に敏感なセンサーエレメント(7)、 センサー構造(6)の加熱用ヒーターエレメント
(9)、 ガスセンサー構造(6)の温度測定用の温度センサー手
段(8)、からなるガスセンサー構造(6)において、 測定変量に敏感なセンサー温度検出手段(8)およびセ
ンサーエレメント(7)がセンサーのヒーターエレメン
トに関し最大限対称的に位置していることを特徴とする
ガスセンサー構造。
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