ガスセンサ
瞬時応答を備えたガスセンサは、化学反応又は他の物質改変でなく、１又は複数の発振器を用いる。センサは、ガス濃度、又は吸収されたガスの質量をパーセントの範囲で計測するためのあらゆる応用技術に使用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮出願第６０／７１９，５４８号の優先権を主張する、米国特許出願第１１／５２４，６９８号の一部継続出願であり、その両方を参照によって本明細書に援用する。
【０００２】
本発明はガスセンサに関し、特に発振器及び環境センサを利用するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】発振器間の周波数の差異を計測するための装置を示す図である。
【図２】センサの感度グラフを示す図である。
【図３】発振器間の周波数の差異を計測するための他の装置を示す図である。
【図４】センサの感度グラフを示す図である。
【図５】本発明の実施形態による出力結果のための回路を示す図である。
【図６】ナノワイヤ又はナノチューブを利用するセンサを示す図である。
【図７】本発明の実施形態の代表的な応用技術を示す図である。
【図８】本発明の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
水素は原子量が最小の元素として知られている。混合ガスにおいて、熱力学的平衡では、分子の平均エネルギーは、水素、窒素、酸素などのいずれであっても、３／２ｋＴまでである。分子の運動量がｍνであり、ここで、ｍが分子質量、νが（８ｋＴ／πｍ）１／２と等しい分子の平均速度とする。このように、所定の温度におけるガス分子の運動量は、（ｍ）１／２であるその質量によって決まることになる。分子の運動量及び分子のサイズ（有効直径）の差異は、粘度及び拡散速度のようなガスのその他の巨視的パラメータの差異となる。
【０００８】
ガス環境における振動の間に、音叉の二股部（ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ ｔｉｎｅｓ）のような振動する物体はガス分子に運動量を付与し、結果として、二股部の力学的エネルギーの損失を引き起こす。このような損失は二股部の共振振動周波数に変化を引き起こし、かつ、周波数のシフトは二股部がガス分子に付与する運動量によって決まることになる。これは、水素のような軽い分子を含むガスでは、ガス分子の相互作用に伴う損失が、水素を含まない環境における損失よりも小さいことになる。したがって、振動の周波数は、水素を含む環境では比較的高くなる。
【０００９】
音叉クオーツ発振器（ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ ｑｕａｒｔｚ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）において、音叉は、逆位相屈曲モード（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ ｆｌｅｘｕｒｅ ｍｏｄｅ）でシンメトリに振動し、そこにおいて、二股部は、いかなる時点でも相互に反対方向へ移動する。二股部が発振する速度は次のように推定される。二股部の偏位の振幅は、概ね６０ｎｍ／Ｖである。二股部の駆動電圧が約１Ｖであれば、周波数は３２７６８Ｈｚであり、二股部は２ｍｍ／秒までの特性速度を有することになる。この速度はガス分子の速度（数１００ｍ／秒）に比較して非常に低いので、この相互作用にとって準静的状況とみなすことが可能である。したがって、マクロで見たガスの特性の大部分は、音叉発振周波数に影響を及ぼすことになる。
【００１０】
前記した音叉センサは、特定のガスに対して選択的にすることができず、他の軽量ガス（例えばヘリウム）が、働かせるガスに干渉する可能性がある。干渉を回避する目的で、ガス透過膜（例えば、水素を検知するときにはＰｄ（パラジウム）膜）を選択性向上のために使用することが可能である。
【００１１】
通常、音叉共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）における周波数の変化は小さく、したがって、差周波数検出法が周波数の小さな変動の検出に使用される可能性がある。周波数と同様に、発振エネルギーがガス環境中に放散されるので、線質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）Ｑ及び音叉共振器の電気インピーダンスは変化する。
【００１２】
図１は、ガスの検知に用いることができる複数のＥＣＳ−３２７ＳＭＯタイプの発振器１０１．．．１０２を有する装置１００を図示している。音叉発振器缶の頂部１０３．．．１０４は、ガスにさらすために研磨仕上げにかける（ｓａｎｄｅｄ ｏｆｆ）ことができ、かつ、発振器出力１１０、１１１は、Ｄフリップフロップトリガ（Ｄ ｆｌｉｐ−ｆｌｏｐ ｔｒｉｇｇｅｒ）１０５の入力部であるＤ及びＣＬＫに接続されている。発振器（ＯＳＣ１）１０１は、特定のガスを含有していると推測される環境の中に配置することができる。基準発振器（ＯＳＣ２）１０２は、ガス構成の変化（湿度変化など）及び温度補償を評価するために使用することができる。発振器１０１の周波数は、ガス濃度に伴い増加することとなる。ゆえに、フリップフロップ出力１０６における周波数の差異は、ガス濃度に比例する。
【００１３】
例として、センサ１００は、室温で体積濃度が０から１６％である空気混合水素ガスを使用することを特徴とする。水素−空気混合は、流体質量が１００立方ｃｍの２つの制御装置を使用して調製することが可能である。ビート周波数間の間隔は、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製ＣＤＣ２５０カウンタを使用して計測することができる。センサ１００の水素に対する応答は、全範囲の濃度にわたり完全に線形である。図２から分かるように、発振器１０１のチャンバにおいて水素ガス濃度が１６％であるとき、９％の差周波数の変化が観測される。
【００１４】
図３はセンサ３００を図示しており、２つの発振器３０３、３０４が、ガスチャンバ３０１のガス（例えば水素）を検出するために使用される。センサ３００は、検知される、かつ／又は、計測されるガスへの曝露を防ぐために、密封された（缶の頂部に研磨仕上げがなされていない）基準発振器３０４を有する。開口発振器３０３と同様に、それらは、相互に隣接して計測されるガス環境内に配置することができる。上記のように、ガス透過膜３０２を使用してもよい。本実施形態では、温度の相互補償が行われるが、湿度変化については相互補償されない。
【００１５】
したがって、ガスの濃度は以下のように算出される。
ｆ１＝ｆ１０＋ｋＣＨ２、
ｆ２＝ｆ１０＋ｆ１２、
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝ｆ１０＋ｋＣＨ２−ｆ１０＋ｆ１２＝ｋＣＨ２＋ｆ１２
ここで、ｆ１０はガスがない状態の発振器ＯＳＣ１ ３０３の周波数であり、ｆ１２はガスがない状態のＯＳＣ１ ３０３とＯＳＣ２ ３０４との周波数の差異であり、ｋは比例係数であり、ＣＨ２はガスの濃度である。最後の数式は、次式に換算される。
ＣＨ２＝（Δｆ−ｆ１２）／ｋ
【００１６】
例として、密封及び開口缶発振器を備えた、水素を検知するためのセンサ３００の結果を図４に示す。センサ３００は室温で検査され、窒素の流速は２００立方ｃｍであり、かつ、水素の流速は０から１０立方ｃｍに変化させた。センサ３００は、水素ガス濃度変化に対して線形に近い応答を示している。
【００１７】
図５を参照すると、２つの発振器の周波数の差異は数Ｈｚと小さいので、２つのパルスのビート周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｅａｔｉｎｇ ｐｕｌｓｅｓ）の間の時間間隔を計測するには一層簡便である。この場合、分離された高周波数発振器（図示せず）を、固定周波数ｆ０のときのパルスの時間間隔を埋めるために使用することができる。精密な計測のために、オーブン制御水晶発振回路（ｏｖｅｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ： ＯＣＸＯ）を、このようなパルスの生成に使用することができる。ビート周波数の間の時間間隔は、
Ｔ＝１／Δｆ＝１／（ｆ１−ｆ２）＝１／（ｋＣＨ２＋ｆ１２）
となる。
【００１８】
ＯＣＸＯ安定発振器がｆ０の周波数を有していれば、このとき、パルスカウンタ５０１の出力Ｎにおけるパルス数は、
Ｎ＝ｆ０Ｔ＝ｆ０／Δｆ＝ｆ０／（ｋＣＨ２＋ｆ１２）
となる。
【００１９】
その他の実施形態において、水素は音叉二股部によって放散されるエネルギーを変化させることになるので、音叉の発振パラメータを計測するデバイスは、Ｑ係数及び音叉のインピーダンスにおける変化を検出する。音叉で放散されるエネルギーは、次のように記述される。
【００２０】
音叉のような機械システムは機械抵抗ＲＭを有していれば、共振周波数ｆ０のときの線質係数Ｑは、
Ｑ〜ｆ０／ＲＭ
となる。
【００２１】
機械抵抗ＲＭは、ガス粘度Ｖの関数であり、したがって、ＲＭは次の一連の数式で記述される。
ＲＭ＝ＲＭ０（１＋ｃ１Ｖ＋ｃ２Ｖ２＋・・・）
ここで、ｃ１、ｃ２、・・・は比例係数である。ガスのような低粘度の媒体の場合、
ＲＭ＝ＲＭ０（１＋ｃ１Ｖ）
と書き換えてもよい。
ここで、ＲＭ０は真空時の機械抵抗であって、ガスの粘度に依存しない。
【００２２】
水素の粘度は空気に比べて約２倍低く（０℃のときに、８．４×１０−６Ｐａ＊ｓ対１７．４×１０−６Ｐａ＊ｓ）、このため、機械抵抗は水素の相対濃度が比較的高い場合に減少することになる。よって、
ＲＭ＝ＲＭ０（ａ−ｂＣＨ２）
であり、ここで、ａ及びｂは水素及び調整ガス（空気など）の粘度の関数であり、ＣＨ２は混合ガスにおける水素の相対濃度である。つまり、濃度は、
ＣＨ２〜（ａ−ｆ０／ＱＲＭ０）／ｂ
と定義される。
ここで、Ｑは実験的に計測されうる。線質係数は、クオーツ音叉が電気回路の一部である場合、定義
Ｑ＝ｆ０／Δｆ
によって容易に見出される。
【００２３】
Δｆの計測は、電子工学において使用される従来法によって実施することができる（ｆ０周辺の周波数掃引、発振パルスの振幅減衰又は減衰率の計測など）。電気インピーダンスもまた線質係数の関数であるので、
｜ｚ（ω）｜２〜（１／Ｑ２−１）＋（ω／ω０）２＋（ω０／ω）２
となり、水素濃度の測定に同様に使用することができる。
【００２４】
図６は、ナノワイヤ、又はカーボンナノチューブのようなナノチューブ６０１の屈曲モードにおける周期運動（振動）の周波数、及び／又は、Ｑ係数の計測に基づく装置を図示している。センサの計測システム６０３は、発振器のような検出及び定量化手段を具備することになる。ナノチューブ６０１は、機械力又は静電力のような印加された外力（図示せず）によって振動する。電気プローブ６０２はナノチューブ６０１に接続され、その方法は、ナノチューブ６０１へ／からの電界電子放出によるか、ナノチューブ６０１とプローブ６０２の間の静電容量を介するか、その他の等価な接続メカニズムによる。プローブ６０２は計測電気回路６０３の一部を形成し、この回路によって、接続パラメータ（静電容量など）における偏差を計測し、かつ、これらの偏差に係る周波数を測定することができる。
【００２５】
上記のように、ナノチューブ６０１又はナノワイヤの振動周波数は、周囲のガスの粘度に依存することになり、それは、換言すると、ガスの濃度に依存することになる。
【００２６】
例として、センサの感度範囲は水素ガス０から１００％であり、最小１％の検出限界を有する。これは、図２及び４に示す感度グラフに図示するとおりである。水素の燃焼下限水準は４％であり、かつ、爆発下限界濃度（ＬＥＬ）は１７％である。
【００２７】
分子量、粘度、拡散などガスの運動特性に基づくガスセンサは、ガス濃度だけではなく、圧力、湿度及び温度など環境の特性にも依存する。本発明の実施形態は、ガス濃度をより正確に算出するためにセンサの組み合わせを利用する。
【００２８】
図８は、図１〜６に関連して前述した構成における電気機械的な発振器（例えば装置１００）、温度（Ｔ）センサ８０２、圧力（Ｐ）センサ８０４及び湿度（ＲＨ）センサ８０３を具備するセンサシステム８００を図示している。Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ社製ＳＨＴ−７５温度／湿度センサを、Ｔセンサ８０２及びＲＨセンサ８０３に用いることができ、ＩＣＳ−１４５１圧力センサを、Ｐセンサ８０４に用いることができる。
【００２９】
ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置８０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて算出することができる。複数の線形回帰を用いることができ、異なる温度、湿度、圧力及びガス濃度を有する環境においてセンサを試験しながら、得られたデータにそのアルゴリズムが適用される。後でさらに詳しく記述するように、得られた係数は、線形又は２次方程式を用いてさらにガス濃度を算出するために、センサ制御装置８０１のメモリに記憶される。
【００３０】
同じ製造業者によるものでも、異なる音叉発振器の応答が、検出された同じガスに対して異なることがあり、またあるガスに対する２つの音叉の応答が同様であっても、他のガスでは応答が異なることがある。発振器は任意のガスに特異的ではないため、２つ以上のガスを区別するために、発振器のパッケージング、水晶、電子機器などにおける機械的な不完全性によって引き起こされる可能性があるそうした応答の違いを用いて、いくつかの特異性をもたらすようにすることができる。この場合、複数の発振器を異なるガスで計測することができ、次いで適切な濃度を算出するために、複数の回帰法を用いることができる。
【００３１】
この手法は、環境発振器に対する開口部に吸収剤を堆積させた場合、吸着されたガスの混入質量を非選択的に検出するために用いることもできる。例えば活性炭素の吸収剤では、収着容量はきわめて高く、その結果、吸収剤の質量が数パーセント増す。本明細書に記載するセンサは、開口及び密封発振器の間の周波数の差異に基づいて、吸収剤の保持容量の検出を可能にすることができる。開口発振器の周波数は、より多くのガスが吸収剤に吸収された場合に高まり、一方、密封発振器の周波数は一定のままである。
【００３２】
図９は、発振器１０１．．．１０２と同様の電気機械的な発振器９０２．．．９０３を具備するセンサシステム９００を図示している。温度（Ｔ）センサ８０２、圧力（Ｐ）センサ８０４及び湿度（ＲＨ）センサ８０３は、図８に関連して記述したものと同様である。差動アンプ９０４が、発振器９０２．．．９０３の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置９０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３３】
図１０は、発振器１０１．．．１０２と同様の２つより多い電気機械的な発振器１００５、１００６．．．１００７を具備するセンサシステム１０００を図示している。発振器の１又は複数は、気密パッケージに密封することができ、他の発振器は、検知される１又は複数のガスを含有することが可能な１又は複数の環境にさらすことができる。温度（Ｔ）センサ１００２、圧力（Ｐ）センサ１００４及び湿度（ＲＨ）センサ１００３は、図８に関連して前述したものと同様である。複数の差動アンプ１００８．．．１００９が、発振器１００５、１００６．．．１００７の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置１００１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３４】
図１１は、発振器１０１．．．１０２と同様の電気機械的な発振器１１０５．．．１１０６を具備するセンサシステム１１００を図示している。発振器の１又は複数（例えば１１０５）は、気密パッケージに密封することができる。発振器の１又は複数は、ガス吸収剤コーティングを含み、ガスを含有する環境にさらすことができる。ガスが吸収剤によって吸収されると、吸収剤の質量が、吸収されたガスの質量だけ増加する。音叉の二股部の共振振動周波数は、その寸法及びその質量に依存し、二股部の表面上に堆積させた吸収剤のために追加された質量によって、音叉の振動周波数は低くなる。温度（Ｔ）センサ１１０２、圧力（Ｐ）センサ１１０４及び湿度（ＲＨ）センサ１１０３は、図８に関連して前述したものと同様である。差動アンプ１１０８が、発振器１１０５．．．１１０６の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置１１０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３５】
制御装置８０１〜１１０１への入力部は、以下に記述するアルゴリズムによってガス濃度を計測する（したがって、ガスの検知も行う）。制御装置によって計測された周波数の差異（ｄＦ）、並びに圧力センサ（Ｐ）、湿度センサ（ＲＨ）及び温度（Ｔ）センサからのデータは、さらに濃度ｃを有する水素又は他の検知されたガスに対するセンサの応答を算出するために用いられる。周波数の差異は、一般にこれらのパラメータの関数（Ｓ）であり、
ｄＦ＝Ｓ（ｐ，ＲＨ，Ｔ，ｃ）
となる。
【００３６】
センサの較正中、環境パラメータ及びガス濃度は、例えばＴ及びｐを変えるための環境チャンバ、ガス濃度ｃを変える流体質量制御装置の設定、並びにＲＨを変えるためのガス増湿装置を用いて、制御された方法で変更される。センサの較正中、周波数の差異ｄＦ及び他の前述のパラメータが記録される。こうしたパラメータの変動が小さい場合には、ｄＦは任意のパラメータの変化に線形的に依存する。例えば圧力がｐ０からｐに変化した場合には、それを、
ｄＦ１＝Ｓ（ｐ０，ＲＨ，Ｔ，ｃ）＋（ｄＳ／ｄｐ）（ｐ−ｐ０）
と書くことができる。
【００３７】
濃度がｃ０からｃに変化した場合、同様の方法で、パラメータの様々な値について、
ｄＦ２＝Ｓ（ｐ，ＲＨ，Ｔ，ｃ０）＋（ｄＳ／ｄｃ）（ｃ−ｃ０）
などと書くことができる。
【００３８】
すべてのパラメータの変化の結果として、１組の「ｉ」個の線形方程式が得られ、
ｄＦｉ＝Ｓ＋（ｄＳ／ｄｐ）Δｐｉ＋（ｄＳ／ｄＴ）ΔＴｉ＋（ｄＳ／ｄＲＨ）ΔＲＨｉ＋（ｄＳ／ｄｃ）Δｃｉ
これはさらに、標準的な多重線形回帰法によって解かれる。
【００３９】
こうした方程式を解くことによって、１組の算出された定数（ｄＳ／ｄｘ）が与えられ、それをさらに感度関数Ｓに対する線形係数として以下のように用い、
ｄＦ＝Ｓ０＋１＊ｐ＋Ｓ２＊Ｔ＋Ｓ３＊ＲＨ＋Ｓ４＊ｃ
ここで、Ｓ１＝（ｄＳ／ｄｐ）などである。
【００４０】
この方程式から、ガス濃度ｃを、ｄＦ及び他の環境パラメータの関数として以下のように簡単に算出することができる。
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４
【００４１】
例えば、パラメータの１つに対する線形近似が満足のいくものではない場合には、同じアルゴリズムを使用しながら２次近似を用いることができる。
【００４２】
例えば圧力の場合には、
ｄＦ１＝Ｓ（ｐ０，ＲＨ，Ｔ，ｃ）＋（ｄＳ／ｄｐ）（ｐ−ｐ０）＋（１／２）（ｄ２Ｓ／ｄｐ２）（ｐ−ｐ０）２
となり、濃度は、
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１１＊ｐ−Ｓ１２＊ｐ２−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４
として算出され、ここで、
Ｓ１１＝（ｄＳ／ｄｐ）、及びＳ１２＝（１／２）＊（ｄ２Ｓ／ｄｐ２）
である。
【００４３】
これらのパラメータＳｉはメモリに記憶され、ガス濃度ｃを算出するために制御装置によって用いられる。
【００４４】
同じ手法が、吸収剤の質量ｍの変化を算出するために用いられる。
【００４５】
したがって、開示したセンサは多様な応用技術の漏れ（ｌｅａｋ）検出器として使用される可能性がある。例えば、図７を参照すると、燃料電池自動車において、センサは、燃料電池反応器近傍、助手席近傍、又は、排出システム内に導入することができる。
【００４６】
開示したセンサを使用するＬＥＬ検出器は、デバイス本体に組み込まれるか、又は、取付可能なサンプリングプローブの先端に配置されたセンサを有するハンドヘルドデバイスであってもよい。デバイスは、水素濃度が一定の限界レベルに達すると、サウンドアラームとともに、ディスプレイ上に濃度を指示するインジケータを有していてもよい。その他の応用技術には、水電解槽、水素蓄積システム、工業計器などが含まれる。
【００４７】
温度、湿度、気圧、クオーツ劣化、及びその他の操作条件に対するセンサ応答を安定させるための改良が施されうる。
【００４８】
いくつかの本発明の実施形態が開示された。しかしながら、多様な修正が本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされうることが理解される。
【符号の説明】
【００４９】
１００ センサ、装置
１０１ 発振器
１０２ 基準発振器
１０３ 頂部
１０４ 頂部
１０５ Ｄフリップフロップトリガ
１０６ フリップフロップ出力
１１０ 発振器出力
１１１ 発振器出力
３００ センサ
３０１ ガスチャンバ
３０２ ガス透過膜
３０３ 開口発振器
３０４ 基準発振器
５０１ パルスカウンタ
６０１ ナノチューブ
６０２ 電気プローブ
６０３ 計測システム、計測電気回路
８００ センサシステム
８０１ 制御装置
８０２ 温度（Ｔ）センサ
８０３ 湿度（ＲＨ）センサ
８０４ 圧力（Ｐ）センサ
９００ センサシステム
９０１ 制御装置
９０２ 発振器
９０３ 発振器
９０４ 差動アンプ
１０００ センサシステム
１００１ 制御装置
１００２ 温度（Ｔ）センサ
１００３ 湿度（ＲＨ）センサ
１００４ 圧力（Ｐ）センサ
１００５ 発振器
１００６ 発振器
１００７ 発振器
１００８ 差動アンプ
１００９ 差動アンプ
１１００ センサシステム
１１０１ 制御装置
１１０２ 温度（Ｔ）センサ
１１０３ 湿度（ＲＨ）センサ１１０３
１１０４ 圧力（Ｐ）センサ
１１０５ 発振器
１１０６ 発振器
１１０８ 差動アンプ
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮出願第６０／７１９，５４８号の優先権を主張する、米国特許出願第１１／５２４，６９８号の一部継続出願であり、その両方を参照によって本明細書に援用する。
【０００２】
本発明はガスセンサに関し、特に発振器及び環境センサを利用するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】発振器間の周波数の差異を計測するための装置を示す図である。
【図２】センサの感度グラフを示す図である。
【図３】発振器間の周波数の差異を計測するための他の装置を示す図である。
【図４】センサの感度グラフを示す図である。
【図５】本発明の実施形態による出力結果のための回路を示す図である。
【図６】ナノワイヤ又はナノチューブを利用するセンサを示す図である。
【図７】本発明の実施形態の代表的な応用技術を示す図である。
【図８】本発明の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
水素は原子量が最小の元素として知られている。混合ガスにおいて、熱力学的平衡では、分子の平均エネルギーは、水素、窒素、酸素などのいずれであっても、３／２ｋＴまでである。分子の運動量がｍνであり、ここで、ｍが分子質量、νが（８ｋＴ／πｍ）１／２と等しい分子の平均速度とする。このように、所定の温度におけるガス分子の運動量は、（ｍ）１／２であるその質量によって決まることになる。分子の運動量及び分子のサイズ（有効直径）の差異は、粘度及び拡散速度のようなガスのその他の巨視的パラメータの差異となる。
【０００８】
ガス環境における振動の間に、音叉の二股部（ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ ｔｉｎｅｓ）のような振動する物体はガス分子に運動量を付与し、結果として、二股部の力学的エネルギーの損失を引き起こす。このような損失は二股部の共振振動周波数に変化を引き起こし、かつ、周波数のシフトは二股部がガス分子に付与する運動量によって決まることになる。これは、水素のような軽い分子を含むガスでは、ガス分子の相互作用に伴う損失が、水素を含まない環境における損失よりも小さいことになる。したがって、振動の周波数は、水素を含む環境では比較的高くなる。
【０００９】
音叉クオーツ発振器（ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ ｑｕａｒｔｚ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）において、音叉は、逆位相屈曲モード（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ ｆｌｅｘｕｒｅ ｍｏｄｅ）でシンメトリに振動し、そこにおいて、二股部は、いかなる時点でも相互に反対方向へ移動する。二股部が発振する速度は次のように推定される。二股部の偏位の振幅は、概ね６０ｎｍ／Ｖである。二股部の駆動電圧が約１Ｖであれば、周波数は３２７６８Ｈｚであり、二股部は２ｍｍ／秒までの特性速度を有することになる。この速度はガス分子の速度（数１００ｍ／秒）に比較して非常に低いので、この相互作用にとって準静的状況とみなすことが可能である。したがって、マクロで見たガスの特性の大部分は、音叉発振周波数に影響を及ぼすことになる。
【００１０】
前記した音叉センサは、特定のガスに対して選択的にすることができず、他の軽量ガス（例えばヘリウム）が、働かせるガスに干渉する可能性がある。干渉を回避する目的で、ガス透過膜（例えば、水素を検知するときにはＰｄ（パラジウム）膜）を選択性向上のために使用することが可能である。
【００１１】
通常、音叉共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）における周波数の変化は小さく、したがって、差周波数検出法が周波数の小さな変動の検出に使用される可能性がある。周波数と同様に、発振エネルギーがガス環境中に放散されるので、線質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）Ｑ及び音叉共振器の電気インピーダンスは変化する。
【００１２】
図１は、ガスの検知に用いることができる複数のＥＣＳ−３２７ＳＭＯタイプの発振器１０１．．．１０２を有する装置１００を図示している。音叉発振器缶の頂部１０３．．．１０４は、ガスにさらすために研磨仕上げにかける（ｓａｎｄｅｄ ｏｆｆ）ことができ、かつ、発振器出力１１０、１１１は、Ｄフリップフロップトリガ（Ｄ ｆｌｉｐ−ｆｌｏｐ ｔｒｉｇｇｅｒ）１０５の入力部であるＤ及びＣＬＫに接続されている。発振器（ＯＳＣ１）１０１は、特定のガスを含有していると推測される環境の中に配置することができる。基準発振器（ＯＳＣ２）１０２は、ガス構成の変化（湿度変化など）及び温度補償を評価するために使用することができる。発振器１０１の周波数は、ガス濃度に伴い増加することとなる。ゆえに、フリップフロップ出力１０６における周波数の差異は、ガス濃度に比例する。
【００１３】
例として、センサ１００は、室温で体積濃度が０から１６％である空気混合水素ガスを使用することを特徴とする。水素−空気混合は、流体質量が１００立方ｃｍの２つの制御装置を使用して調製することが可能である。ビート周波数間の間隔は、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製ＣＤＣ２５０カウンタを使用して計測することができる。センサ１００の水素に対する応答は、全範囲の濃度にわたり完全に線形である。図２から分かるように、発振器１０１のチャンバにおいて水素ガス濃度が１６％であるとき、９％の差周波数の変化が観測される。
【００１４】
図３はセンサ３００を図示しており、２つの発振器３０３、３０４が、ガスチャンバ３０１のガス（例えば水素）を検出するために使用される。センサ３００は、検知される、かつ／又は、計測されるガスへの曝露を防ぐために、密封された（缶の頂部に研磨仕上げがなされていない）基準発振器３０４を有する。開口発振器３０３と同様に、それらは、相互に隣接して計測されるガス環境内に配置することができる。上記のように、ガス透過膜３０２を使用してもよい。本実施形態では、温度の相互補償が行われるが、湿度変化については相互補償されない。
【００１５】
したがって、ガスの濃度は以下のように算出される。
ｆ１＝ｆ１０＋ｋＣＨ２、
ｆ２＝ｆ１０＋ｆ１２、
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝ｆ１０＋ｋＣＨ２−ｆ１０＋ｆ１２＝ｋＣＨ２＋ｆ１２
ここで、ｆ１０はガスがない状態の発振器ＯＳＣ１ ３０３の周波数であり、ｆ１２はガスがない状態のＯＳＣ１ ３０３とＯＳＣ２ ３０４との周波数の差異であり、ｋは比例係数であり、ＣＨ２はガスの濃度である。最後の数式は、次式に換算される。
ＣＨ２＝（Δｆ−ｆ１２）／ｋ
【００１６】
例として、密封及び開口缶発振器を備えた、水素を検知するためのセンサ３００の結果を図４に示す。センサ３００は室温で検査され、窒素の流速は２００立方ｃｍであり、かつ、水素の流速は０から１０立方ｃｍに変化させた。センサ３００は、水素ガス濃度変化に対して線形に近い応答を示している。
【００１７】
図５を参照すると、２つの発振器の周波数の差異は数Ｈｚと小さいので、２つのパルスのビート周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｅａｔｉｎｇ ｐｕｌｓｅｓ）の間の時間間隔を計測するには一層簡便である。この場合、分離された高周波数発振器（図示せず）を、固定周波数ｆ０のときのパルスの時間間隔を埋めるために使用することができる。精密な計測のために、オーブン制御水晶発振回路（ｏｖｅｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ： ＯＣＸＯ）を、このようなパルスの生成に使用することができる。ビート周波数の間の時間間隔は、
Ｔ＝１／Δｆ＝１／（ｆ１−ｆ２）＝１／（ｋＣＨ２＋ｆ１２）
となる。
【００１８】
ＯＣＸＯ安定発振器がｆ０の周波数を有していれば、このとき、パルスカウンタ５０１の出力Ｎにおけるパルス数は、
Ｎ＝ｆ０Ｔ＝ｆ０／Δｆ＝ｆ０／（ｋＣＨ２＋ｆ１２）
となる。
【００１９】
その他の実施形態において、水素は音叉二股部によって放散されるエネルギーを変化させることになるので、音叉の発振パラメータを計測するデバイスは、Ｑ係数及び音叉のインピーダンスにおける変化を検出する。音叉で放散されるエネルギーは、次のように記述される。
【００２０】
音叉のような機械システムは機械抵抗ＲＭを有していれば、共振周波数ｆ０のときの線質係数Ｑは、
Ｑ〜ｆ０／ＲＭ
となる。
【００２１】
機械抵抗ＲＭは、ガス粘度Ｖの関数であり、したがって、ＲＭは次の一連の数式で記述される。
ＲＭ＝ＲＭ０（１＋ｃ１Ｖ＋ｃ２Ｖ２＋・・・）
ここで、ｃ１、ｃ２、・・・は比例係数である。ガスのような低粘度の媒体の場合、
ＲＭ＝ＲＭ０（１＋ｃ１Ｖ）
と書き換えてもよい。
ここで、ＲＭ０は真空時の機械抵抗であって、ガスの粘度に依存しない。
【００２２】
水素の粘度は空気に比べて約２倍低く（０℃のときに、８．４×１０−６Ｐａ＊ｓ対１７．４×１０−６Ｐａ＊ｓ）、このため、機械抵抗は水素の相対濃度が比較的高い場合に減少することになる。よって、
ＲＭ＝ＲＭ０（ａ−ｂＣＨ２）
であり、ここで、ａ及びｂは水素及び調整ガス（空気など）の粘度の関数であり、ＣＨ２は混合ガスにおける水素の相対濃度である。つまり、濃度は、
ＣＨ２〜（ａ−ｆ０／ＱＲＭ０）／ｂ
と定義される。
ここで、Ｑは実験的に計測されうる。線質係数は、クオーツ音叉が電気回路の一部である場合、定義
Ｑ＝ｆ０／Δｆ
によって容易に見出される。
【００２３】
Δｆの計測は、電子工学において使用される従来法によって実施することができる（ｆ０周辺の周波数掃引、発振パルスの振幅減衰又は減衰率の計測など）。電気インピーダンスもまた線質係数の関数であるので、
｜ｚ（ω）｜２〜（１／Ｑ２−１）＋（ω／ω０）２＋（ω０／ω）２
となり、水素濃度の測定に同様に使用することができる。
【００２４】
図６は、ナノワイヤ、又はカーボンナノチューブのようなナノチューブ６０１の屈曲モードにおける周期運動（振動）の周波数、及び／又は、Ｑ係数の計測に基づく装置を図示している。センサの計測システム６０３は、発振器のような検出及び定量化手段を具備することになる。ナノチューブ６０１は、機械力又は静電力のような印加された外力（図示せず）によって振動する。電気プローブ６０２はナノチューブ６０１に接続され、その方法は、ナノチューブ６０１へ／からの電界電子放出によるか、ナノチューブ６０１とプローブ６０２の間の静電容量を介するか、その他の等価な接続メカニズムによる。プローブ６０２は計測電気回路６０３の一部を形成し、この回路によって、接続パラメータ（静電容量など）における偏差を計測し、かつ、これらの偏差に係る周波数を測定することができる。
【００２５】
上記のように、ナノチューブ６０１又はナノワイヤの振動周波数は、周囲のガスの粘度に依存することになり、それは、換言すると、ガスの濃度に依存することになる。
【００２６】
例として、センサの感度範囲は水素ガス０から１００％であり、最小１％の検出限界を有する。これは、図２及び４に示す感度グラフに図示するとおりである。水素の燃焼下限水準は４％であり、かつ、爆発下限界濃度（ＬＥＬ）は１７％である。
【００２７】
分子量、粘度、拡散などガスの運動特性に基づくガスセンサは、ガス濃度だけではなく、圧力、湿度及び温度など環境の特性にも依存する。本発明の実施形態は、ガス濃度をより正確に算出するためにセンサの組み合わせを利用する。
【００２８】
図８は、図１〜６に関連して前述した構成における電気機械的な発振器（例えば装置１００）、温度（Ｔ）センサ８０２、圧力（Ｐ）センサ８０４及び湿度（ＲＨ）センサ８０３を具備するセンサシステム８００を図示している。Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ社製ＳＨＴ−７５温度／湿度センサを、Ｔセンサ８０２及びＲＨセンサ８０３に用いることができ、ＩＣＳ−１４５１圧力センサを、Ｐセンサ８０４に用いることができる。
【００２９】
ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置８０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて算出することができる。複数の線形回帰を用いることができ、異なる温度、湿度、圧力及びガス濃度を有する環境においてセンサを試験しながら、得られたデータにそのアルゴリズムが適用される。後でさらに詳しく記述するように、得られた係数は、線形又は２次方程式を用いてさらにガス濃度を算出するために、センサ制御装置８０１のメモリに記憶される。
【００３０】
同じ製造業者によるものでも、異なる音叉発振器の応答が、検出された同じガスに対して異なることがあり、またあるガスに対する２つの音叉の応答が同様であっても、他のガスでは応答が異なることがある。発振器は任意のガスに特異的ではないため、２つ以上のガスを区別するために、発振器のパッケージング、水晶、電子機器などにおける機械的な不完全性によって引き起こされる可能性があるそうした応答の違いを用いて、いくつかの特異性をもたらすようにすることができる。この場合、複数の発振器を異なるガスで計測することができ、次いで適切な濃度を算出するために、複数の回帰法を用いることができる。
【００３１】
この手法は、環境発振器に対する開口部に吸収剤を堆積させた場合、吸着されたガスの混入質量を非選択的に検出するために用いることもできる。例えば活性炭素の吸収剤では、収着容量はきわめて高く、その結果、吸収剤の質量が数パーセント増す。本明細書に記載するセンサは、開口及び密封発振器の間の周波数の差異に基づいて、吸収剤の保持容量の検出を可能にすることができる。開口発振器の周波数は、より多くのガスが吸収剤に吸収された場合に高まり、一方、密封発振器の周波数は一定のままである。
【００３２】
図９は、発振器１０１．．．１０２と同様の電気機械的な発振器９０２．．．９０３を具備するセンサシステム９００を図示している。温度（Ｔ）センサ８０２、圧力（Ｐ）センサ８０４及び湿度（ＲＨ）センサ８０３は、図８に関連して記述したものと同様である。差動アンプ９０４が、発振器９０２．．．９０３の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置９０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３３】
図１０は、発振器１０１．．．１０２と同様の２つより多い電気機械的な発振器１００５、１００６．．．１００７を具備するセンサシステム１０００を図示している。発振器の１又は複数は、気密パッケージに密封することができ、他の発振器は、検知される１又は複数のガスを含有することが可能な１又は複数の環境にさらすことができる。温度（Ｔ）センサ１００２、圧力（Ｐ）センサ１００４及び湿度（ＲＨ）センサ１００３は、図８に関連して前述したものと同様である。複数の差動アンプ１００８．．．１００９が、発振器１００５、１００６．．．１００７の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置１００１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３４】
図１１は、発振器１０１．．．１０２と同様の電気機械的な発振器１１０５．．．１１０６を具備するセンサシステム１１００を図示している。発振器の１又は複数（例えば１１０５）は、気密パッケージに密封することができる。発振器の１又は複数は、ガス吸収剤コーティングを含み、ガスを含有する環境にさらすことができる。ガスが吸収剤によって吸収されると、吸収剤の質量が、吸収されたガスの質量だけ増加する。音叉の二股部の共振振動周波数は、その寸法及びその質量に依存し、二股部の表面上に堆積させた吸収剤のために追加された質量によって、音叉の振動周波数は低くなる。温度（Ｔ）センサ１１０２、圧力（Ｐ）センサ１１０４及び湿度（ＲＨ）センサ１１０３は、図８に関連して前述したものと同様である。差動アンプ１１０８が、発振器１１０５．．．１１０６の出力から周波数の差異を測定する。ガス濃度に対する正確な信号は、変数として周波数の差異、圧力、温度及びガス湿度を有する制御装置１１０１内の回路によって決まるアルゴリズムを用いて、図８に関連して同様に記述した方法で算出することができる。
【００３５】
制御装置８０１〜１１０１への入力部は、以下に記述するアルゴリズムによってガス濃度を計測する（したがって、ガスの検知も行う）。制御装置によって計測された周波数の差異（ｄＦ）、並びに圧力センサ（Ｐ）、湿度センサ（ＲＨ）及び温度（Ｔ）センサからのデータは、さらに濃度ｃを有する水素又は他の検知されたガスに対するセンサの応答を算出するために用いられる。周波数の差異は、一般にこれらのパラメータの関数（Ｓ）であり、
ｄＦ＝Ｓ（ｐ，ＲＨ，Ｔ，ｃ）
となる。
【００３６】
センサの較正中、環境パラメータ及びガス濃度は、例えばＴ及びｐを変えるための環境チャンバ、ガス濃度ｃを変える流体質量制御装置の設定、並びにＲＨを変えるためのガス増湿装置を用いて、制御された方法で変更される。センサの較正中、周波数の差異ｄＦ及び他の前述のパラメータが記録される。こうしたパラメータの変動が小さい場合には、ｄＦは任意のパラメータの変化に線形的に依存する。例えば圧力がｐ０からｐに変化した場合には、それを、
ｄＦ１＝Ｓ（ｐ０，ＲＨ，Ｔ，ｃ）＋（ｄＳ／ｄｐ）（ｐ−ｐ０）
と書くことができる。
【００３７】
濃度がｃ０からｃに変化した場合、同様の方法で、パラメータの様々な値について、
ｄＦ２＝Ｓ（ｐ，ＲＨ，Ｔ，ｃ０）＋（ｄＳ／ｄｃ）（ｃ−ｃ０）
などと書くことができる。
【００３８】
すべてのパラメータの変化の結果として、１組の「ｉ」個の線形方程式が得られ、
ｄＦｉ＝Ｓ＋（ｄＳ／ｄｐ）Δｐｉ＋（ｄＳ／ｄＴ）ΔＴｉ＋（ｄＳ／ｄＲＨ）ΔＲＨｉ＋（ｄＳ／ｄｃ）Δｃｉ
これはさらに、標準的な多重線形回帰法によって解かれる。
【００３９】
こうした方程式を解くことによって、１組の算出された定数（ｄＳ／ｄｘ）が与えられ、それをさらに感度関数Ｓに対する線形係数として以下のように用い、
ｄＦ＝Ｓ０＋１＊ｐ＋Ｓ２＊Ｔ＋Ｓ３＊ＲＨ＋Ｓ４＊ｃ
ここで、Ｓ１＝（ｄＳ／ｄｐ）などである。
【００４０】
この方程式から、ガス濃度ｃを、ｄＦ及び他の環境パラメータの関数として以下のように簡単に算出することができる。
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４
【００４１】
例えば、パラメータの１つに対する線形近似が満足のいくものではない場合には、同じアルゴリズムを使用しながら２次近似を用いることができる。
【００４２】
例えば圧力の場合には、
ｄＦ１＝Ｓ（ｐ０，ＲＨ，Ｔ，ｃ）＋（ｄＳ／ｄｐ）（ｐ−ｐ０）＋（１／２）（ｄ２Ｓ／ｄｐ２）（ｐ−ｐ０）２
となり、濃度は、
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１１＊ｐ−Ｓ１２＊ｐ２−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４
として算出され、ここで、
Ｓ１１＝（ｄＳ／ｄｐ）、及びＳ１２＝（１／２）＊（ｄ２Ｓ／ｄｐ２）
である。
【００４３】
これらのパラメータＳｉはメモリに記憶され、ガス濃度ｃを算出するために制御装置によって用いられる。
【００４４】
同じ手法が、吸収剤の質量ｍの変化を算出するために用いられる。
【００４５】
したがって、開示したセンサは多様な応用技術の漏れ（ｌｅａｋ）検出器として使用される可能性がある。例えば、図７を参照すると、燃料電池自動車において、センサは、燃料電池反応器近傍、助手席近傍、又は、排出システム内に導入することができる。
【００４６】
開示したセンサを使用するＬＥＬ検出器は、デバイス本体に組み込まれるか、又は、取付可能なサンプリングプローブの先端に配置されたセンサを有するハンドヘルドデバイスであってもよい。デバイスは、水素濃度が一定の限界レベルに達すると、サウンドアラームとともに、ディスプレイ上に濃度を指示するインジケータを有していてもよい。その他の応用技術には、水電解槽、水素蓄積システム、工業計器などが含まれる。
【００４７】
温度、湿度、気圧、クオーツ劣化、及びその他の操作条件に対するセンサ応答を安定させるための改良が施されうる。
【００４８】
いくつかの本発明の実施形態が開示された。しかしながら、多様な修正が本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされうることが理解される。
【符号の説明】
【００４９】
１００ センサ、装置
１０１ 発振器
１０２ 基準発振器
１０３ 頂部
１０４ 頂部
１０５ Ｄフリップフロップトリガ
１０６ フリップフロップ出力
１１０ 発振器出力
１１１ 発振器出力
３００ センサ
３０１ ガスチャンバ
３０２ ガス透過膜
３０３ 開口発振器
３０４ 基準発振器
５０１ パルスカウンタ
６０１ ナノチューブ
６０２ 電気プローブ
６０３ 計測システム、計測電気回路
８００ センサシステム
８０１ 制御装置
８０２ 温度（Ｔ）センサ
８０３ 湿度（ＲＨ）センサ
８０４ 圧力（Ｐ）センサ
９００ センサシステム
９０１ 制御装置
９０２ 発振器
９０３ 発振器
９０４ 差動アンプ
１０００ センサシステム
１００１ 制御装置
１００２ 温度（Ｔ）センサ
１００３ 湿度（ＲＨ）センサ
１００４ 圧力（Ｐ）センサ
１００５ 発振器
１００６ 発振器
１００７ 発振器
１００８ 差動アンプ
１００９ 差動アンプ
１１００ センサシステム
１１０１ 制御装置
１１０２ 温度（Ｔ）センサ
１１０３ 湿度（ＲＨ）センサ１１０３
１１０４ 圧力（Ｐ）センサ
１１０５ 発振器
１１０６ 発振器
１１０８ 差動アンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密パッケージに密封され、第１周波数出力部を備えた第１発振器と、
検知されるガスを含有する環境にさらされ、第２周波数出力部を備えた第２発振器と、
前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である第１周波数差信号の生成によって、前記ガスが前記第２発振器によって検知されるか否かを計測するように構成された回路と、
前記検知されるガスを含有する前記環境の環境変数を計測するように構成され、１又は複数の環境センサ出力部を備えた１又は複数の環境センサと、
検知された前記ガスの濃度を、前記第１周波数差信号及び前記１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項２】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の相対湿度を計測するように構成された湿度センサを具備し、検知された前記ガスの濃度（ｃ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦは前記第１及び第２周波数の出力部間の周波数の差異であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４は倍率である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
気密パッケージに密封され、第１周波数出力部を備えた第１発振器と、
検知されるガスを含有する環境にさらされ、第２周波数出力部を備えた第２発振器と、
検知される他のガスを含有する環境にさらされ、第３周波数出力部を備えた第３発振器と、
それぞれ前記第１及び第２周波数の出力部間、並びに前記第１及び第３周波数の出力部間の差異である、第１及び第２周波数差信号の生成によって、前記ガスが前記第２及び第３発振器によって検知されるか否かを計測するように構成された回路と、
検知された前記ガスの濃度を、前記第１及び第２周波数差信号、並びに１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項７】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備し、検知された前記ガスの濃度（ｃ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｃ＝（ｄＦ１＋ｋｄＦ２−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦ１は第１周波数差であり、ｄＦ２は第２周波数差であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４及びｋは倍率である請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記第２発振器は、前記環境にさらされるガス吸収剤コーティングを含み、前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である周波数信号の生成によって、前記第２発振器上の前記ガス吸収剤コーティングによって吸収されたガスの質量を測定するための回路をさらに具備し、前記制御装置は、前記ガス吸収剤コーティングによって吸収される前記ガスの質量を、前記第１周波数差信号及び前記１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
ガス環境にさらされ、第１周波数出力部を出力する第１発振器と、
ガス吸収剤コーティングを含み、ガス環境にさらされ、第２周波数出力部を出力する第２発振器と、
前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である周波数信号の生成によって、前記第２発振器上の前記吸収剤コーティングによって吸収されたガスの質量を測定するように構成された回路と、
ガス圧力センサと、
湿度センサと、
温度センサと、
前記吸収されたガスの前記質量の濃度を、前記周波数差信号、並びに前記ガス圧力センサ、前記湿度センサ及び前記温度センサからの信号の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項１３】
前記温度センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記圧力センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記湿度センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１６】
吸収された前記ガスの前記質量（ｍ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｍ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦは前記第１及び第２周波数の出力部間の周波数の差異であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４は倍率である請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１】
気密パッケージに密封され、第１周波数出力部を備えた第１発振器と、
検知されるガスを含有する環境にさらされ、第２周波数出力部を備えた第２発振器と、
前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である第１周波数差信号の生成によって、前記ガスが前記第２発振器によって検知されるか否かを計測するように構成された回路と、
前記検知されるガスを含有する前記環境の環境変数を計測するように構成され、１又は複数の環境センサ出力部を備えた１又は複数の環境センサと、
検知された前記ガスの濃度を、前記第１周波数差信号及び前記１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項２】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の相対湿度を計測するように構成された湿度センサを具備し、検知された前記ガスの濃度（ｃ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｃ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦは前記第１及び第２周波数の出力部間の周波数の差異であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４は倍率である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
気密パッケージに密封され、第１周波数出力部を備えた第１発振器と、
検知されるガスを含有する環境にさらされ、第２周波数出力部を備えた第２発振器と、
検知される他のガスを含有する環境にさらされ、第３周波数出力部を備えた第３発振器と、
それぞれ前記第１及び第２周波数の出力部間、並びに前記第１及び第３周波数の出力部間の差異である、第１及び第２周波数差信号の生成によって、前記ガスが前記第２及び第３発振器によって検知されるか否かを計測するように構成された回路と、
検知された前記ガスの濃度を、前記第１及び第２周波数差信号、並びに１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項７】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備する請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成された温度センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成された圧力センサを具備し、前記１又は複数の環境センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成された湿度センサを具備し、検知された前記ガスの濃度（ｃ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｃ＝（ｄＦ１＋ｋｄＦ２−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦ１は第１周波数差であり、ｄＦ２は第２周波数差であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４及びｋは倍率である請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記第２発振器は、前記環境にさらされるガス吸収剤コーティングを含み、前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である周波数信号の生成によって、前記第２発振器上の前記ガス吸収剤コーティングによって吸収されたガスの質量を測定するための回路をさらに具備し、前記制御装置は、前記ガス吸収剤コーティングによって吸収される前記ガスの質量を、前記第１周波数差信号及び前記１又は複数の環境センサ出力部の関数として測定する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
ガス環境にさらされ、第１周波数出力部を出力する第１発振器と、
ガス吸収剤コーティングを含み、ガス環境にさらされ、第２周波数出力部を出力する第２発振器と、
前記第１及び第２周波数の出力部間の差異である周波数信号の生成によって、前記第２発振器上の前記吸収剤コーティングによって吸収されたガスの質量を測定するように構成された回路と、
ガス圧力センサと、
湿度センサと、
温度センサと、
前記吸収されたガスの前記質量の濃度を、前記周波数差信号、並びに前記ガス圧力センサ、前記湿度センサ及び前記温度センサからの信号の関数として測定するように構成された制御装置と
を具備するガスセンサ。
【請求項１３】
前記温度センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の温度を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記圧力センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の圧力を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記湿度センサは、前記検知されるガスを含有する前記環境の湿度を計測するように構成される請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１６】
吸収された前記ガスの前記質量（ｍ）は、前記制御装置により以下の関数によって決定され、
ｍ＝（ｄＦ−Ｓ０−Ｓ１＊ｐ−Ｓ２＊Ｔ−Ｓ３＊ＲＨ）／Ｓ４、
式中、ｄＦは前記第１及び第２周波数の出力部間の周波数の差異であり、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、ＲＨは相対湿度であり、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は定数であり、Ｓ０はオフセットであり、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ｐ、Ｔ及びＲＨに関する信号の１次導関数であり、Ｓ４は倍率である請求項１２に記載のガスセンサ。
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５１６６２７（Ｐ２０１３−５１６６２７Ａ）
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４８１４８（Ｐ２０１２−５４８１４８）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２０５１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８５１９３
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０５１３１５２２）アプライド・ナノテック・ホールディングス・インコーポレーテッド (27)
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２０５１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８５１９３
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０５１３１５２２）アプライド・ナノテック・ホールディングス・インコーポレーテッド (27)
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