材料に埋め込まれた複数のｃＭＵＴ変換器を使用する、コンクリートなどの前記材料中の微小多孔質部の音響分析のための方法およびデバイス
本発明は、少なくとも1つの流体相を含む、所与の二相材料のまたは少なくとも2つの相から成る微小多孔質部を分析するためのデバイスであって、前記デバイスは、前記所与の材料(M)に埋め込まれた複数のセンサー(100)を含み、センサーは各々、1つまたは複数の音響および容量性cMUT変換器を含む、デバイスに関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1つの第1の固相および少なくとも1つの第2の液相または気相を含むいくつかの相を有する材料、特にコンクリートなどのセメント材料の微小多孔質部の検出および分析の分野に関する。
【０００２】
本発明は、分析すべき材料に組み込まれる音響波の多重エミッターおよびレシーバーを使用する、少なくとも1つの流体相を含むいくつかの相を持つ材料の微小多孔質部の、特に毛管多孔質部の検出および分析のための改善されたシステムを提供する。
【０００３】
本発明は、例えばセメント材料の分析などの応用を有する。
【背景技術】
【０００４】
セメント材料は、流体相および固相から形成される二相材料である。流体相は一般に、「多孔質部」と呼ばれる。
【０００５】
細孔は、数十オングストロームから数センチメートル程度のこともある特性寸法を有することもある。
【０００６】
ミクロン程度のサイズの細孔は、「微小多孔質部」ともまた呼ばれるが、セメント材料の巨視的性質に本質的な役割を果たす。
【０００７】
細孔のサイズに応じて、いくつかのクラスの多孔質部、
1. 非常に不ぞろいな形状で、一般に10nmから10μmの間のサイズの毛管細孔と、
2. C-S-Hのベースを持つ環によって囲まれ、部分的にまたは完全に空のシェルを残す水和機構から生じる、大きなサイズで単純な幾何学的形状(三角形、卵形、その他など)の、「中空シェル」と呼ばれる(または「Hadley粒子」ともまた呼ばれる)細孔と、
3. 0.5nmから10nmの間のサイズの、「開いたゲル」と呼ばれる低密度のセメントペーストに含まれる細孔と、
4. 0.5nmより小さい直径の、「高密度ゲル」と呼ばれる高密度セメントペーストに含まれる細孔とに分類することが可能である。
【０００８】
第3および第4のクラスは、「ナノ多孔質部」と呼ばれる多孔質部を形成する。
【０００９】
クラス1および2の多孔質部の分析は、特に有用である。
【００１０】
セメント材料では、多孔質部は、アルカリ反応または炭酸化などの有害な反応の指標であることもあり、例えばコンクリートの骨組みの可能性のある腐食の指標を構成することができる。
【００１１】
多孔質部は、セメント材料の水和のプロセスおよびそれらの機械的性質に影響を与える。多孔質構造の分析は、例えば硬化パラメーターを変更することによって、調べられる構造の寿命中か、または新しい方法もしくは新しい製品を開発することを目的として、材料の性質を改善することを可能にすることもある。
【００１２】
材料の多孔質部の調査から、透水性などのそれの巨視的輸送パラメーターまたはイオン拡散係数を推定することが可能である。
【００１３】
輸送パラメーターは、特にこの材料がセメント材料の場合のように湿った媒質中にあるときは、問題になっている材料の耐久性の定義にとって重要である。
【００１４】
セメント材料の多孔質部を分析するために多くの技術がある。
【００１５】
水銀侵入による多孔質部測定法は、例えば増加する圧力下で水銀がセメントペーストに注入される技術である。導入される体積を測定することによって、このペースト中の細孔のサイズ分布を例えば「Washburnの法則」として周知の法則を使用することによって推定することが可能である。
【００１６】
この技術は、多くの制限を有し、調べるべき試料は、細孔を空にするためにあらかじめ乾燥され、そのことは、それらの構造を変更する可能性がある。加えて、水銀に印加される高圧は、材料の局部破壊をもたらし、多孔質部を粗大化する可能性がある。その方法の妥当性のための仮説(細孔の形状およびアクセスのしやすさ)は、系統的に満たされず、そのことは、全体の細孔体積に関して系統誤差を導入し、導入される体積の各部分は、細孔サイズに関連するよりもむしろ、そのような細孔へのアクセスを与える最も広い開口に関連する。
【００１７】
画像化もまた、材料の多孔質部を調べるために使用できる。最も一般的な方法は、走査電子顕微鏡法である。そのような方法は一般に、材料の試料の複雑な準備を必要とする。
【００１８】
分析するために、試料は、平面を提供するように切断され、研磨される。試料はまた通常、乾燥もされなければならず、そのことは、材料の構造を変更することもある。加えて、得られる画像化データは、二次元である。
【００１９】
RMN画像化は一方で、三次元の画像を提供することを可能にする。この技術は、磁場の傾斜の使用に基づいている。この技術の解像度は、現在不十分である。
【００２０】
気体の吸着による分析もまた、材料の多孔質部を調べるために使用できる。
【００２１】
そのような方法は、気体の凝縮が、この気体が自由であるときと比較して、この気体が細孔に含まれるときに変更されるという事実に基づいている。この差は、固体表面の原子との気体分子の相互作用に起因する。印加圧力の関数としての細孔の壁に吸着される気体(N2、H2O、その他)の体積の測定は、等温線をプロットすることを可能にする。とりわけ吸着される層数などの仮説を使用すると、多孔質材料の比表面積、すなわち単位質量当たりの面積を見積もることが可能である。
【００２２】
この技術は、数オングストロームまで下がる、「微細な多孔質部」ともまた呼ばれる、微小多孔質部およびナノ多孔質部を分析することを可能にする。しかしながら、その技術は、乾燥の事前ステップを必要とし、そのステップは、非常に長いこともあり、材料の構造を変更することもある。加えて、得られる結果は、材料の準備の条件に部分的に依存する。
【００２３】
「小角度での拡散」と呼ばれる方法は一方で、材料によって拡散される放射の強度を分析することにある。小角度での拡散技術は一般に、中性子放射またはX線放射を使用する。拡散図は、すべての拡散物体についての統計情報を与える。この技術は、非破壊的であり、乾燥ステップを必要としない。それらのさまざまな解像度のスペクトルは、広い。
【００２４】
しかしながら、試料の準備は、かなりの前処理を必要とし、そのことは、結果を妨げる可能性が高い。この技術に基づく方法の大部分は、破壊的である。
【００２５】
これらの高解像度だが破壊的な評価方法に加えて、構造を破壊しない評価方法がある。その場で行われるこれらの方法は、例えばレーダー法または音響波を使用する方法である。
【００２６】
そのような方法の例は、文書「Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures」、D. M. McCann、M. C. Forde、NDT&E International 34 (2001)、71〜84頁で与えられる。
【００２７】
音響方法に関しては、衝撃法、振動法および超音波法がある。
【００２８】
一般に、これらの方法は、20kHzの動作周波数を超えず、そのことは、それらの方法の解像度を数十cmに制限する。
【００２９】
1MHz程度の周波数、すなわち3mm程度の解像度で動作する音響方法は、文書「Numerical methods for multiple scattering of ultrasounds in random media」、M. Chekroun他、Mathematical and Numerical Aspects of Waves (2007)、492〜494頁で提示されるが、それらの方法は、それらの解像度に起因して巨視的構造の分析に制限される。
【００３０】
セメント材料での微小多孔質部の調査は、終了しつつある。そのような材料の微細構造の監視は、これらの材料がそれらの機能を果たす能力の指標であり、それらの耐久性のための条件である。
【００３１】
示されたように、微小多孔質部を理解するために広範囲の調査技術がある。
【００３２】
上で述べられた不都合を有さないセメント材料の多孔質部の分析の新しい方法を見いだす問題がそれ故に、提起される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】EN 08 57928
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】「Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures」、D. M. McCann、M. C. Forde、NDT&E International 34 (2001)、71〜84頁
【非特許文献２】「Numerical methods for multiple scattering of ultrasounds in random media」、M. Chekroun他、Mathematical and Numerical Aspects of Waves (2007)、492〜494頁
【非特許文献３】「Micromachined pressure sensors: review and recent developments」、W. P. Eaton他、Smart Mater. Struct.、Vol. 6、1997年、530〜539頁
【非特許文献４】「MEMS flow sensors for nanofluidic applications」、Shuyun Wu、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 89、No. 1〜2、2001年3月、152〜158頁
【非特許文献５】「MEMS based humidity sensors with integrated temperature sensors for signal drift compensation」、Chia-Yen Lee、Sensors、2003. Proc. of IEEE、Vol. 1、2003年10月、384〜388頁およびJ. Micromech. Microeng.、Vol. 13、2003年、620〜627頁
【非特許文献６】「MEMS sensors for density-viscosity sensing in a low flow microfluidic environment」、Isabelle Etchart、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 141、No. 2、2008年2月、266〜275頁
【非特許文献７】「Surface properties of an associative alkali soluble polymer (Acrysol TT-935) 」、E. Hernandez-Baltazar、G. A. Reyes-Sandoval、J. Gracia-Fadrique 、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects、Vol. 238、Issues 1〜3、2004年5月4日、113〜122頁
【非特許文献８】「Synthesis of alkali-soluble silicone resin suitable for resist material in microlithography」、Hiroshi Ban、Akinobu Tanaka、Yoshio Kawai、Saburo Imamura、Polymer、Vol. 31、Issue 3、1990年3月、564〜568頁
【非特許文献９】「Photo-patternable gelatin as protection layers in low-temperature surface micromachinings」、Lung-Jieh Yang、Wei-Zhi Lin、Tze-Jung Yao、Yu-Chong Tai、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 103、Issues 1〜2、2003年1月、284〜290頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は初めに、少なくとも1つの流体相を含む少なくとも2つの相を有する所与の材料の多孔質部、およびより具体的には微小多孔質部を分析するためのデバイスであって、前記所与の材料に組み込まれる多重センサーを含み、センサーの各々は、1つまたは複数のcMUT型容量性電気音響変換器(cMUTは「容量性マイクロマシン加工超音波変換器」を表す)を含む、デバイスに関する。
【００３６】
本発明のデバイスは、微小多孔質部が材料中に均一に分配されない状態で、微小多孔質部および特に毛管多孔質部を監視することを可能にする。
【００３７】
センサーは、1nmから100μmの間の臨界寸法の1つまたは複数の感知ゾーンを有することができる。
【００３８】
センサーは、各々が100μmより小さい長さおよび幅の感知ゾーンを有することができる。
【００３９】
そのような寸法を有する感知ゾーンを備えるセンサーは、測定を微小多孔質部に対応する小さな体積で行うことを可能にする。
【００４０】
「感知ゾーン」は、音響波を放出しかつ/または受け取るために振動することを目的とするゾーンまたは素子を意味すると解釈される。
【００４１】
「臨界寸法」は、それらの厚さを除いて、これらの感知ゾーンのより小さな寸法を意味すると解釈される。
【００４２】
そのような寸法の感知ゾーンは、センサーが微小多孔質部を個別の方法で音響的に励起することを可能にする。
【００４３】
変換器は、容量型のcMUT変換器とすることができる。
【００４４】
微小多孔質部の、すなわち100μmより小さい直径の細孔の分析は、そのようなデバイスを使用して行うことができる。
【００４５】
このように、材料中に音響波を放出し、この放出から生じる音響波を材料に組み込まれるcMUTレシーバーを通じて分析することによって、この材料のミクロン程度のサイズの細孔の分析を行うことが可能である。
【００４６】
このように、各センサーは、音響波を受け取る少なくとも1つのcMUT変換器を含む。デバイスはまた、前記所与の材料に組み込まれる多重cMUT放出変換器を含んでもよい。
【００４７】
分析すべき材料に組み込まれるcMUT変換器は、音響波エミッターとして、音響波レシーバーとしてまたはエミッターレシーバーとして動作する変換器とすることができる。
【００４８】
1つの可能性によると、cMUTは、ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドのベースを持つ少なくとも1つの層を含む少なくとも1つの膜を有することができ、その膜は、音響波を発生させかつ/または検出することを目的とする。
【００４９】
膜は高周波数で動作するので、このことは、面積および厚さの観点からの小さな寸法の基準および動作の基準の両方に対応する膜をデバイスに実装することを可能にする。
【００５０】
放出変換器は、20kHzから100GHzの間、特に100MHzから10GHzの間の周波数範囲で音響パルスを放出するように設計できる。
【００５１】
そのような範囲は、微小多孔質部すなわち1ナノメートルから数十ミクロン程度のサイズの細孔の分析に特に適している。
【００５２】
変換器は、電場および/または音響波の影響下で振動することを目的とする1つまたは複数の膜を含むことができ、その膜または複数膜は、ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドの1つまたは複数の層から形成される。
【００５３】
デバイスはまた、前記所与の材料に組み込まれるセンサーの多重支持部を含むことができ、センサーの各々は、少なくとも1つのセンサーによって生成される信号を処理するための少なくとも1つの電子回路を含む支持部上にある。
【００５４】
そのような回路は、例えば少なくとも1つの増幅段またはモジュールを含んでもよい。
【００５５】
そのような回路は、ことによると例えば少なくとも1つのフィルタリング段またはモジュールを含んでもよい。
【００５６】
センサーの支持部は各々、少なくとも1つのcMUT変換器を含む、マトリクス状のcMUT変換器および/または異なる種類のいくつかのセンサーを含んでもよい。
【００５７】
可能性がある実装形態によると、センサーは、統合された電力供給部を含みかつ/または前記材料の外部の電源を通じて電力を供給されてもよい。
【００５８】
可能性がある実装形態によると、センサーは、材料の外側に信号を放出するための手段を含んでもよく、デバイスはまた、材料の外部にあり、RFおよび/または有線接続を通じてセンサーに接続されるデータ処理デバイスも含む。
【００５９】
可能性がある実装形態によると、センサーは、保護ケーシングで覆われてもよい。
【００６０】
1つの可能性によると、センサーは、塩基性または酸性媒質中で安定である材料に基づく少なくとも1つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護されてもよい。
【００６１】
永続的保護層は、少なくとも感知ゾーンが永続的保護層によって覆われないようにセンサーを部分的に覆ってもよい。
【００６２】
第1の永続的保護層および第2の一時的保護層から形成され、第2の材料、例えば調べるべき材料へのセンサーの組み込みの後に損傷を受ける可能性が高い材料のベースを有する保護ケーシングが、使用されてもよい。
【００６３】
保護ケーシングは、センサーの感知ゾーンまたは複数ゾーン、すなわち音響波を放出しかつ/または受け取ることを目的とするゾーンまたは複数ゾーン、例えば1つまたは複数の膜が、第2の保護層によってだけ覆われ、その結果感知ゾーンまたは複数ゾーンがそれ故に、第2の保護層の劣化の後に調べるべき材料と直接接触するように設計されてもよい。
【００６４】
本発明はまた、少なくとも2つの相を有する所与の材料の多孔質部、およびより具体的には微小多孔質部を分析するための方法であって、
- 少なくとも1つの所与の音響波の、1つまたは複数のcMUT容量性音響変換器による放出のステップであって、変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップと、
- 前記所与の音響波の放出から生じる少なくとも1つの波の、少なくとも1つのcMUT容量性音響変換器による受け取りのステップであって、変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップとを含む方法に関する。
【００６５】
微小多孔質部の、すなわち100μmより小さい直径の細孔の分析を行うことができる。
【００６６】
測定より前に、センサーは、前記所与の材料が少なくとも部分的に液体状態であるときに前記所与の材料中に無作為に分配することができ、測定は、前記所与の材料の少なくとも部分的な固化の後に行われる。
【００６７】
この分配中に、1つまたは複数のセンサーは、少なくとも1つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護されてもよく、前記保護ケーシングは、前記所与の材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも1つの一時的保護層から形成される。
【００６８】
本発明は、純粋に指示するものとしておよび決して限定しないものとして与えられる実施形態の例の記述を読み、次の付属の説明図を参照することでより良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】セメント材料中に封入され、前記材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスに属するMEMSセンサーの例を与える図である。
【図２】材料の微小多孔質部を分析するためのデバイス内で使用できるセンサー支持部の例を説明する図である。
【図３Ａ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｂ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｃ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｄ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図４Ａ】エミッターとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｂ】レシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｃ】エミッターレシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｄ】エミッターレシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図５】本発明によるデバイス内のcMUT変換器のパルス動作の例を説明する図である。
【図６Ａ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｂ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｃ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｄ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図７】セメント材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスの実装のための方法のステップを流れ図の形態で説明する図である。
【図８】材料の微小多孔質部の分析のために設計され、cMUT変換器をその寿命中保護することを目的とする別のポリマー層を覆う少なくとも1つの一時的保護ポリマー層から形成される保護ケーシングに封入されるcMUT変換器を説明する図である。
【図９】ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドから形成される振動膜を備えるcMUT変換器の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
さまざまな図の同一の、同様のまたは等価な部分は、1つの図から別の図へ進むのをより容易にするために同じ参照番号を有する。
【００７１】
図で表されるさまざまな部分は、図をより読みやすくするために必ずしも均一なスケールで表されていない。
【００７２】
いくつかの相を持つ材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスの例は、図1で与えられる。
【００７３】
調べられる材料は、MEMS(MEMSは「微小電気機械システム」を表す)またはNEMS(NEMSは「ナノ電気機械システム」を表す)センサーが組み込まれる二相材料であり、センサーは、この材料を破壊することなく導入された。
【００７４】
センサーは、例えば材料がそれの固化より前に全体的に液体形態であるときに材料に導入された。例えば、セメント材料の場合には、センサーは、この材料が固化する前に液体形態であるときに無作為に分配される。
【００７５】
調べられる材料は、少なくとも1つの固相および少なくとも1つの液相または気相を含む二相材料または少なくとも2つの相を持つ材料であり、その材料の多孔質部の少なくとも1つの小部分は、数十ナノメートルから数百ミクロンの間の特性寸法を有し、この多孔質部は、気体または液体で満たされてもよい。
【００７６】
調べられる材料は、セメントもしくはコンクリートなどのセメント材料、アスファルト材料、少なくとも2つの相を有する複合構造、または石こうであってもよい。
【００７７】
図1の例では、非水和セメント粒50、C-S-H(CAO-SiO2-H2O)のベースを持つ部位52、および微小多孔質部60を含むセメント材料の一部分が、表される。
【００７８】
材料のこの部分は、前記材料に組み込まれるいくつかのセンサーのうちに含まれるMEMS(MEMSは「微小電気機械システム」を表す)またはNEMS(NEMSは「ナノ電気機械システム」を表す)センサー100を含む。
【００７９】
この例では、センサーは、音響波S1を放出する部分または音響波S1を放出する少なくとも1つの素子、および音響波を受け取る受取り部分または少なくとも1つの素子を含む。この図では、センサーによる波S1の放出に続く反射波S2のある種の波S20が、表される。
【００８０】
センサー100は、音響波を放出しかつ/または受け取るために、少なくとも1つの感知ゾーン、すなわち振動することを目的とする1つのゾーンまたは1つの素子を含む。感知ゾーンは、膜の形態であってもよい。
【００８１】
センサー100は、各々が1nmから100μmの間である寸法、すなわち長さおよび幅の少なくとも1つの感知ゾーンを含んでもよい。そのような寸法を有する感知ゾーンを備えるセンサーは、特に微小多孔質部に対応する小さな体積で測定を行うことを可能にする。より詳しくは、これらのセンサーによって供給されるすべての測定結果を使用すると、微小多孔質部の形態に関する統計情報を推定することが可能である。
【００８２】
センサー100は、例えば普通cMUT変換器(cMUTは「容量性マイクロマシン加工超音波変換器」を表す)と呼ばれる1つまたは複数の容量型の超音波変換器を含んでもよく、その変換器または複数変換器は、音響波のエミッターとして、または音響波のレシーバーとして、または音響波のエミッターレシーバーとしての役割を果たしてもよい。
【００８３】
cMUT容量型の1つまたは複数の電気音響変換器を有するセンサー100の場合には、活性ゾーンは、1つまたは複数の振動膜の形態である。
【００８４】
多数のマイクロセンサーまたはナノセンサーは、例えばセンサーおよび材料の性質に応じて0.1から0.0001の間、例えば0.01程度の密度で材料の製造中に分析すべき材料中に分散されていてもよい。マイクロセンサーまたはナノセンサーは、例えばセメント中にそれの固化より前に分散されてもよい。
【００８５】
センサーから導かれる情報の統計分析は、例えば材料の外部にあり、少なくとも1つの有線接続152および/または少なくとも1つの無線接続154を使用してセンサーと通信することができるデータ処理デバイス150を使用して行われてもよい(図1)。
【００８６】
センサーは、例えば時々または周期的に問い合わされてもよく、センサーの問い合わせ周波数は、それらの寿命中に変更されてもよい。
【００８７】
すべてのセンサーは、同時に問い合わされてもよく、またはセンサーのいくつかだけが、同時に問い合わされてもよく、または各センサーが、個別に問い合わされてもよい。
【００８８】
センサーは、例えば所与の継続時間の間の活性化信号または「オン」信号の放出を通じて初期化されてもよく、その信号は、それを受け取るセンサーを初期化することを可能にする。変調された信号が、cMUTの電極で放出されてもよい。
【００８９】
収集された情報のすべてまたは一部を外部デバイスに送るために、連続的な、または周期的なもしくは時々の放出、またはこれらのモードの交代が、各センサーに実装されてもよい。
【００９０】
データの放出は、例えばセンサーに関連するクロックによって制御されてもよい。時々の放出は、例えば測定される物理的大きさがしきい値よりも高くなったとき、例えばこのセンサーの活性化を引き起こしたセンサーの環境の変化に続いて行われてもよい。
【００９１】
センサーは、それの環境を連続的に、または周期的に、または時々、またはこれらのモードの交代によって検出してもよい。
【００９２】
検出行動は、センサーそれ自体によってまたは外部処理デバイスによって活性化されてもよい。
【００９３】
外部処理デバイス150によって行われてもよいタスクには、記録動作、放出センサーを設置する動作、スペクトル分析動作、しきい値と比較するまたはセンサーから放出されるノイズを分析する動作、センサーから生じるデータの統計処理、例えば平均値の計算または標準偏差の計算のための動作、および誤差分析動作が含まれる。
【００９４】
そのような処理デバイスは、例えばマンマシンインターフェースおよび取得カードを取り付けられたPCコンピュータを含んでもよい。外部デバイスおよびセンサーが有線接続によって接続される動作モードの場合には、PCコンピュータは、センサーに連結される接続ワイヤーが接続されるカードにUSBまたはGPIB(バスIEEE488)またはRS232コネクタによって接続されてもよい。
【００９５】
センサー100は、例えば接続、例えば無線接続を使用して材料の外側から電力を供給されてもよく、かつ/または統合された電源をことによると含んでもよい。
【００９６】
センサー100は、cMUT容量性変換器によって受け取られる信号を処理するための手段を含んでもよい。そのような処理手段は、例えば信号のスペクトル分析、しきい値との比較、または保存/記録動作を行うように設計されてもよい。
【００９７】
センサーのMEMS/NEMS、特にセンサーのcMUT変換器または複数変換器は、活性ゾーンを形成し、その活性ゾーンの特性寸法は、センサーによる観測が可能な微小多孔質部寸法の最小値の大きさの程度を規定する。1μm2程度の活性ゾーンcMUTセンサーの場合には、最小観察可能特性多孔質部寸法は、例えば500nm程度であってもよい。
【００９８】
活性ゾーン104(MEMSまたはNEMSセンサー)およびそれの制御電子機器105は、同一支持部101上に、ことによると保護層、例えばポリマーベースの層によって覆われる、例えばシリコンまたは酸化シリコン支持部上に位置決めされ、その支持部が調べるべき材料と接触しそうな場所に置かれてもよい。
【００９９】
1つの可能性によると(図2)、支持部101上に置かれた構成要素は、ことによると金線110を使用して材料の外部のデバイスに接続されてもよい。金線110は、外部デバイスに直接接続でき、または電気測定信号を材料の外側へ伝える同軸ケーブル(図示されず)に接続でき、その電気測定信号は、電子処理デバイス150を使用して処理される。
【０１００】
図3Aでは、活性ゾーン104は、それの支持部101上にMEMSまたはNEMSの形態のcMUT容量型の音響変換器103から形成される。
【０１０１】
変形形態によると、センサーは、支持部101上に分配され、マトリクス状の変換器の形態で配置されるいくつかの同一cMUT変換器203から形成される活性ゾーン104を含むことができる(図3B)。
【０１０２】
別の可能性によると、各々がcMUT変換器またはマトリクス状のcMUT変換器203から形成されるいくつかの活性ゾーン104、204は、同一支持部101上に設計できる(図3C)。
【０１０３】
図3Dでは、異なる種類のいくつかのセンサーは、例えば少なくとも1つのcMUT超音波変換器またはマトリクス状のcMUT変換器203、および少なくとも1つの他のセンサー213とともに同じ支持部101上に形成される。
【０１０４】
同一支持部101上では、cMUT変換器またはマトリクス状のcMUT変換器は、次のセンサー、すなわち温度センサー、粘度センサー、湿度センサー、圧力センサーのうちの1つまたは複数のセンサーに関連してもよい。
【０１０５】
上で述べられたセンサー100などのセメント材料に組み込まれるセンサーは各々、音響波のエミッターとして、または音響波のレシーバーとしておよび/または音響波のエミッターレシーバーとしての役割を果たすことができる少なくとも1つのcMUT変換器を含む。
【０１０６】
図3A、3B、3C、3Dでは、変換器または複数変換器の支持部101はまた、センサーから生じる信号を処理するための手段105または回路105も含む。この回路105またはこれらの手段105は、変換器から生じる信号の増幅の手段、およびことによると1つまたは複数の他の信号処理モジュール、例えばフィルタリングモジュールを含むことができる。この回路105またはこれらの手段105は、信号を材料の外側へ送るための手段、例えば少なくとも1つのRFモジュールを含むことができる。
【０１０７】
図4Aでは、本発明による微小多孔質部の分析のためのデバイスのセンサーに組み込むことができるcMUT変換器が、与えられる。この変換器は、音響波エミッター500として動作し、電極407に面する空洞410中で振動することを目的とする膜405を含む。デバイスはまた、膜405に可変電位Vaを印加するための手段410、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412も取り付けられる。
【０１０８】
図4Bでは、本発明による微小多孔質部の分析のためのデバイスのセンサーに組み込むことができるcMUT変換器もまた、表される。変換器は、音響波レシーバー502として動作し、膜405、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412、および膜405によって受け取られた波を表す容量の変化δCmを測定するために容量計を形成する手段420を含む。
【０１０９】
図1に関連して上で述べられたのと同じ種類のセンサーに組み込むことができるcMUT変換器の別の例は、図4Cで与えられる。変換器は、エミッターレシーバーとして動作し、第1の空洞450および第2の空洞452の上に浮遊される膜405を含む。第1の空洞450は、変換器の放出部分に属する。cMUT変換器はまた、膜405に可変電位Vaを印加するための手段410、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412も含む。第2の空洞452は、変換器の受取り部分に属する。変換器はまた、第2の電極407に固定電位Vsを印加するための手段422、および第2の電極407に接続され、膜405の容量の変化δCmを測定するための手段420も含む。
【０１１０】
cMUT変換器の別の例は、図4Dで与えられる。この変換器は、図1に関連して上で述べられたのと同じ種類のセンサーに組み込むことができ、エミッターレシーバーとして動作する。変換器は、エミッターとしておよびレシーバーとしての両方の役割を果たすことができるように膜405および単一の空洞450を含む。cMUT変換器はまた、電極407に固定電位Vsを印加するための手段412、および電極407に接続され、膜405の容量の変化δCmを測定するための手段420も含む。
【０１１１】
今しがた述べられた変換器の膜は、ナノチューブ(またはナノワイヤーまたはナノロッド)の1つまたは複数の並置層から形成できる。
【０１１２】
ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドは、例えば0.5ナノメートルから5ミクロンの間の臨界寸法の棒の形態を有する。
【０１１３】
ナノチューブは、管状形状を有するが、一方ナノワイヤーは、円柱形状を有することができ、ナノロッドは、平行六面体形状を有することができる。
【０１１４】
ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドはことによると、ナノチューブまたはナノワイヤーに貼り付けられ、ナノチューブを接続しかつ膜の密閉を提供するために使用されることを目的とする1つまたは複数の「接続」層に関連してもよい。そのような接続層は、例えばグラフェンベースを有することができる。
【０１１５】
そのような膜は、通常の変換器のサイズおよび周波数と比較して高周波数で動作する能力がある、非常に小さなサイズのcMUT変換器を作製することを可能にすることができる。膜は、例えば各々が1ナノメートルから100ミクロンの間の幅および長さを有することができる。
【０１１６】
目的とする応用範囲に応じて、センサーの活性ゾーンは、例えばCOOH基の官能基化によって親水性にされてもよい。
【０１１７】
並置ナノチューブ508から形成される膜505を含むcMUT変換器の例は、図9で与えられる。
【０１１８】
変形形態によると、センサーの活性ゾーンは、例えば疎水性ポリマーでの電解重合によって疎水性にされてもよい。
【０１１９】
活性ゾーンが親水性または疎水性にされる場合には、同一の処理が、センサーの電極に、特に膜に面して置かれる電極または複数電極に適用される。
【０１２０】
音響波500の放出に続いて、エミッターでのエコー帰還時間の測定は、波の反射ゾーンを位置付けることを可能にし、これらのエコーの周波数分析は、これらの波が横断する材料のそのゾーンの性質を識別することを可能にする。
【０１２１】
微小多孔質部、すなわち1ミクロン程度のサイズの細孔を検出するために、デバイスの変換器は、20kHzから50MHzの間または50MHzから100GHzの間の周波数範囲で音響パルスを放出するように設計できる。
【０１２２】
トランジスタに基づくアクティブマトリクス化システムによって独立して動作する、上で述べられたようなマトリクス状のエミッターまたはレシーバーまたはエミッター/レシーバーが、作製できる。
【０１２３】
cMUT変換器は、パルス動作モードを有することができる(図5)。
【０１２４】
パルスモードでは、エミッターに印加される電圧パルス(信号S1)を使用して、エミッターは次に、音響波をパルスの形態で放出することができ(信号S2)、その音響波の時間的拡大は、エミッターの帯域幅および周囲媒質に依存する。例えば、エミッターが微小多孔質部の含水ゾーンに位置するとき、信号S2の時間的拡大は、もし媒質が高周波数を切り取るならばかなりである可能性があるが、一方空気ゾーンでは、信号S2の時間的拡大は、無視できるほどである。
【０１２５】
例えば、センサーに向かい合う細孔の寸法Lに応じて、パルスのある周波数f(f=cfluid/L)もまた、増幅されることになる。パルスS2は、媒質中を伝搬され、期間T1(T1=d/cfluid、ただしcfluidは媒質中の音速である)の後に距離dにあるレシーバーに達する。受け取られた信号S3の周波数分析およびその信号の放出信号S2との比較は、エミッターおよびレシーバーのスペクトルに存在する周波数についての媒質の伝達関数を単一の演算で決定することを可能にする。パルスS2は、媒質によって部分的に反射される可能性があり、レシーバーに連続するエコーをもたらす。エコーがエミッターに戻る時間は、反射ゾーンを位置付けることを可能にし、エコーの周波数分析は、パルスS2が横断する界面の性質を分析することを可能にする。材料の微小多孔質部がそれ故に、分析できる。
【０１２６】
各エコーの帰還時間は、例えばエコーを生み出した障害物のエミッターからの距離の見積もりを与えることができる。スペクトルは、障害物の性質、例えばそれの粗さに関する情報を提供することができる。振幅は、減衰係数に関する情報を提供することができる。
【０１２７】
デバイスの可能性がある実装形態によると、他のセンサーが、支持部101上のcMUT変換器にまたはマトリクス状のcMUT変換器に加えられてもよい。例えば文書「Micromachined pressure sensors: review and recent developments」、W. P. Eaton他、Smart Mater. Struct.、Vol. 6、1997年、530〜539頁で述べられるような圧力センサーは、例えばcMUT変換器と同じ支持部101上に位置決めできる。
【０１２８】
他の可能性によると、文書「MEMS flow sensors for nanofluidic applications」、Shuyun Wu、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 89、No. 1〜2、2001年3月、152〜158頁で述べられるような種類の流量センサー、または文書「MEMS based humidity sensors for signal drift compensation」、Chia-Yen Lee、Sensors、2003. Proc. of IEEE、2003年10月、Vol. 1、384〜388頁およびJ. Micromech. Microeng.、Vol. 13、2003年、620〜627頁で述べられる種類の湿度センサー、および/または文書「MEMS sensors for density-viscosity sensing in a low flow microfluidic environment」、Isabelle Etchart、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 141、No. 2、2008年2月、266〜275頁で述べられるような粘度センサー、および/または温度センサーが、cMUT変換器または複数変換器と同じ支持部101に組み込まれてもよい。
【０１２９】
デバイスのMEMSまたはNEMSセンサーの各々によって回収されるデータは、デバイス150によって統計的に処理され、次いでフィードバックされて、材料の微小多孔質部に関する全体的な情報、例えば多孔質体積、細孔のサイズ分布に関する情報、例えば液体含有量(例えば含水量)、液体(例えば水)での可能性のある細孔の飽和に関連する情報、例えば、コンクリートについては、CSH厚さ(CSHはCAO-SiO2-H2Oを表す)、CSH密度、媒質の粗さまたは接続性などの壁の構造に関する情報に含まれる。
【０１３０】
さまざまなセンサーは、細孔およびそれらの含有物に関するマイクロメートル単位の解像度情報をそれらのすぐそばの周囲に与えることができる。
【０１３１】
デバイスのセンサーによって得られる情報は、局所的である、すなわちセンサーの活性ゾーンのすぐ近くの材料の領域だけに関することができ、センサーによって調べられる体積は、センサーおよび測定パラメーターに応じて、例えば1オングストロームから100nmの間の小さな厚さをかけたセンサーの活性ゾーンの面積である。
【０１３２】
デバイスのセンサーによって得られる情報はまた、遠隔である、すなわち微小多孔質部の体積Vに関することもできる。例えば、粘度センサーの共振周波数は、それを取り囲む流体に依存するが、それに向かい合う流体ドメインにもまた依存する。
【０１３３】
センサー100は、例えばセンサーと流体固体界面との間の距離を規定するために、例えばセンサーが、それが放出した信号に続くエコーを検出するパルスモードで使用される少なくとも1つのcMUT変換器を有するとき、
・流体相を隣接する固体マトリクスとは無関係に、
・流体相を固相と関連付けながら、
分析する能力がある。
【０１３４】
局所測定の場合には、センサーのすぐ近くの温度、圧力、湿度または流量などの大きさを測定できる。
【０１３５】
遠隔測定の場合には、センサーに向かい合う細孔の含有物の平均粘度測定、センサーに近い多孔質体積、センサーに向かい合う多孔質部の含有物および寸法、流体固体界面の性質、または細孔間接続チャネルの直径の測定もまた、行うことができる。
【０１３６】
センサーは、材料中に無作為に分配される。
【０１３７】
センサーの環境は、いくつかの形態をとってもよい。
【０１３８】
図6A〜6Dでは、センサーの4つの可能性のある環境が、与えられる。
【０１３９】
図6Aでは、センサーの活性ゾーン104は、材料の固相604に面している。
【０１４０】
図6Bでは、センサーの活性ゾーン104は、部分的に固相604に面し、部分的に液相602に面している。
【０１４１】
図6Cでは、センサーの活性ゾーン104は、閉じたまたは接続されない細孔605の形態で液相602に面している。
【０１４２】
図6Dでは、センサーの活性ゾーン104は、開いた細孔606の形態で液相に面している。
【０１４３】
各センサーは、材料中に無作為に位置決めされ、所与の体積の多孔質部を探索し、この体積で少なくとも1つのパラメーターを測定する。
【０１４４】
もし問題になっている材料が均一であるならば、この微視的パラメーターについてすべてのセンサーによって測定されるすべての値は、この微視的パラメーターの見本を構成する。測定される微視的パラメーターの変化の法則をそれらから推定し、例えば平均値または分散などの統計データを得ることが可能である。
【０１４５】
必要とされるセンサーの数は、材料の無秩序度に応じて変更されてもよい。
【０１４６】
もし材料が不均質であり、もし材料の構造の巨視的性質の変化のスケールLの見積もりが利用できるならば(ただしLは、例えばブリッジの骨組みと外側との間の距離、または例えば構造の骨組み間の距離、または例えばブリッジの2つのピア間の距離、またはコンクリート構造でのイオン侵入距離であってもよい)、状況を均一な材料のそれと同等と見なすことが可能なこともある。
【０１４７】
調べられる材料の点M(x, y, z)における微視的パラメーターの法則を決定するために、点Mの周りの半径r<<Lの球中に位置するセンサーによって与えられる測定値からこの法則の見本をとることが可能である。点Mにおけるパラメーターの法則の見積もりの精度は、半径rの球中のセンサーの数に依存する。均質な材料の場合と同じ精度を得るために、センサー密度は、(D/r)3をかけられてもよく、ただしDは、調べられる材料の特性寸法であり、Dは、測定される大きさに関連する材料の均質化のスケールを指定する。
【０１４８】
選択は、r<<Lであるようにrを保ちながらrを最大化するように行われてもよい。
【０１４９】
その方法は次いで、微細構造の変化を監視するためにそのすぐ後に反復されてもよい。
【０１５０】
本発明は、ことによるとセメント材料以外の二相材料に、ことによると多孔質材料、セラミックおよびポリマーに適用されてもよい。
【０１５１】
骨を再構成するために医療分野で使用されるヒドロキシアパタイトセメントの微小多孔質部が、例えば調べられてもよい。
【０１５２】
他の種類のセラミックがまた、分析されてもよい。
【０１５３】
例えば自動車触媒コンバーターで使用される多孔質セラミック、他の状況では、生体材料で使用される多孔質ポリマー、および織物または触媒基板で断熱に使用される二相材料もまた、本発明によるデバイスおよび方法を使用して分析できる。
【０１５４】
複合材料に関しては、GFRP(ガラス強化プラスチック)、CFRP(炭素強化プラスチック)またはAFRP(アラミド繊維強化プラスチック)などのプラスチック材料もまた、分析できる。
【０１５５】
図7では、微小多孔質部を分析するためのデバイスの使用が後に続く実装形態の異なるステップが、図形の形態で与えられる。
【０１５６】
初めに(ステップE1)、上で述べられたような1つまたは複数のcMUT変換器を含むNEMSまたはMEMSセンサーが、作製される。
【０１５７】
この後に(ステップE2)、調べるべき材料に適したセンサーが、封入される。
【０１５８】
次いで(ステップE3)、多重センサーが、液体形態の調べるべき材料にそれの固化より前に分散される。
【０１５９】
次いで(ステップE4)、材料に組み込まれたセンサーは、材料の多孔質部の統計的再構成を作成するために問い合わされる。
【０１６０】
センサーは次いで、微小多孔質部への変化を監視するために、材料の寿命中に数回問い合わされる(ステップE5)。
【０１６１】
本発明によるデバイスの特定の実例応用によると、センサーは、例えばこの材料での湿度の変化を検出するために、石こうなどの材料に組み込まれてもよい。
【０１６２】
そのような材料への応用は、建築分野でまたは例えば石こうの下での出血を検出するために医療分野でとりわけ有用なこともある。
【０１６３】
可能性のある実装形態によると、センサーは、少なくとも1つの保護層またはコーティングによって保護され、封入されてもよい。
【０１６４】
そのような保護層を使って、2種類の保護、すなわち調べるべき材料へのセンサーの浸漬中の保護、およびセンサーの寿命中の保護が、実装されてもよい。
【０１６５】
一時的保護は、調べるべき材料にセンサーを分散させる目的で、例えばその後に劣化することができる厚い包装を使用して適用されてもよい。そのような包装は、例えば塩基性媒質中でゆっくり加水分解できる1つまたは複数のポリマー層、例えばPET型の線状ポリエステルを含んでもよい。別の例によると、そのような包装は、それのベースとして感光性樹脂を有してもよい。
【０１６６】
センサーの寿命の間持続するように設計された保護がまた、実装されてもよい。そのような保護は、ポリエステル、例えば塩基性媒質に耐えるものまたは例えばパリレンなどの別のポリマーコーティングから形成されてもよい。
【０１６７】
図8では、本発明によるデバイスのcMUTセンサーは、保護ケーシングがセンサー100を封入している状態で表され、そのケーシングは、第1の保護層710から形成され、その保護層は、センサー全体、または例えば1つもしくは複数の膜および膜405もしくはいくつかの膜405が振動することを目的とする1つもしくは複数の空洞を含むセンサーの活性ゾーンもしくは複数活性ゾーンを除くセンサー全体を覆うように設計されてもよい。
【０１６８】
第1の保護層710は、永続的であってもよく、それの寿命の継続時間の間センサーを保護するように設計されてもよい。第1の保護層710は、例えばパリレンベースを有してもよい。
【０１６９】
第1の保護層710は、それのベースとして化学的攻撃、特に酸性または塩基性媒質に耐えるように設計された材料を有してもよい。
【０１７０】
例えば、第1の保護層710は、それのベースとしてpHが12程度の安定な材料を有してもよい。
【０１７１】
選択される材料は、マイクロエレクトロニクスまたはマイクロテクノロジーで使用されるのと同じ種類の方法に適合する材料であってもよい。
【０１７２】
材料は、例えばパリレンであってもよく、パリレンは、塩基性および酸性媒質の両方で化学的に安定であり、湿度に対する保護として使用されてもよい。
【０１７３】
センサーの感知ゾーンまたは複数感知ゾーンが第1の保護層710によって保護されないという場合には(この図8で表される)、感知ゾーンはそのとき、それらを親水性または疎水性にするための処理を受けた可能性がある(本出願者によって出願されたEN 08 57928の番号が付けられた出願で述べられるように)。
【０１７４】
例えば1つまたは複数の作動または検出電極407などの感知ゾーンまたは複数感知ゾーンに近いまたは直接隣接しているセンサーのある部分を化学的攻撃から保護するために、そこで第1の層710と同じ材料、または化学的攻撃に対する耐性の同じ性質を有することができる別の材料を使用して、これらの部分を永続的に封入することもまた可能である。
【０１７５】
第1の保護層710は、特にセンサーが上で述べられたようなcMUTセンサーである場合には、例えば1ミクロンまたは10分の1ミクロン程度の厚さを有してもよい。
【０１７６】
ケーシングはまた、第1の保護層710およびセンサーの活性ゾーンまたは複数活性ゾーンを覆う第2の保護層720からも形成される。
【０１７７】
第2の保護層720は、一時的であり、調べるべき材料へのそれの取り付け中にセンサーを一時的に保護するように設計される。第2の保護層720は、この取り付けの後に劣化することを目的としてもよい。
【０１７８】
第2の保護層720は、それのベースとして、センサーが分析すべき材料中に置かれるとき徐々に劣化するように設計される材料を有してもよい。
【０１７９】
第2の保護層720は、それのベースとして、例えばそれが酸性または塩基性媒質中に置かれるとき徐々に劣化するように設計される材料を有してもよい。
【０１８０】
第2の一時的保護層720の材料は、例えばアルカリ性媒質に溶ける一時的保護材料であってもよい。
【０１８１】
第2の一時的保護層720はそれ故に、それのベースとして例えば「アルカリ可溶性」材料と呼ばれるポリマー材料、例えば文書「Surface properties of an associative alkali soluble polymer (Acrysol TT-935)」、E. Hernandez-Baltazar、G. A. Reyes-Sandoval、J. Gracia-Fadrique、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects、Vol. 238、Issues 1〜3、2004年5月4日、113〜122頁で述べられるものなどの材料を有してもよい。
【０１８２】
第2の一時的保護層720は、少なくともセンサーを材料に組み込み、測定デバイスを実装するために必要とされる期間の間耐えるように設計される。
【０１８３】
第2の一時的保護層720はとりわけ、この材料が永続的に固まる前に、センサーが組み込まれる材料のさまざまな構成物質の移動に起因する影響からセンサーの感知ゾーンを保護するように設計される。
【０１８４】
一時的保護層720は、完全に溶解できるように設計され、従って使用される材料の観点からは、溶解が、主に分析すべき材料の固化の第1の段階中に生じ、センサーを含む材料がほとんど完全に固まるときに完了するような、厚さおよびことによるとそれの表面が処理された方法で形成される。ある種の特に硬化の速い材料では、この継続時間は、例えば約1時間であってもよい。セメント材料の場合には、継続時間は一般に、24時間を超え、完全な固化には、数日を要することもある。
【０１８５】
第2の一時的保護層720を作製するために選択される材料は、マイクロエレクトロニクスまたはマイクロテクノロジーで使用されるのと同じ種類の方法に適合する材料であってもよい。
【０１８６】
この材料は、例えばそれのベースとしてポジ型樹脂などの感光性樹脂を有してもよく、例えば論文「Synthesis of alkali-soluble silicone resin suitable for resist material in microlithography」、Hiroshi Ban、Akinobu Tanaka、Yoshio Kawai、Saburo Imamura、Polymer、Vol. 31、Issue 3、1990年3月、564〜568頁で述べられるような例えばDNQ-Novolacなどのアルカリ可溶性ポリマーから形成されてもよい。例えば樹脂SU-8(登録商標)などのネガ型感光性樹脂を使用することもまた可能である。
【０１８７】
アルカリ媒質に対する一時的保護については、樹脂の瞬間的な溶解を防止するために、樹脂の組成は、媒質のアルカリ性度に合わされる。
【０１８８】
第2の一時的保護層720の厚さは、例えば1μmから100μmの間であってもよい。
【０１８９】
例えば1μmから10μmの間の厚さの比較的薄い保護層720が使用されるときは、例えば熱処理を使用する体積硬化および/または例えばO2プラズマを使用する表面硬化が、行われてもよい。
【０１９０】
一時的保護ケーシング720は、堅くされてもよい。特に、もし柔軟な構造、例えば膜の場合に、それが変形するのを防止しかつ/またはそれが空洞の底部に付着するのを防止することが必要ならば、例えば一時的保護ケーシング720をより堅くするためにゼラチンを使用することが可能である。
【０１９１】
ゼラチンを使用して堅くする方法は、例えば論文「Photo-patternable gelatin as protection layers in low-temperature surface micromachinings」、Lung-Jieh Yang、Wei-Zhi Lin、Tze-Jung Yao、Yu-Chong Tai、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 103、Issues 1〜2、2003年1月15日、284〜290頁で提示されている。
【符号の説明】
【０１９２】
50 非水和セメント粒
52 C-S-Hのベースを持つ部位
60 微小多孔質部
100 センサー
101 支持部
103 音響変換器
104, 204 活性ゾーン
105 制御電子回路
110 金線
150 データ処理デバイス
152 有線接続
154 無線接続
203 マトリクス状のcMUT変換器
213 他のセンサー
405, 505 膜
407 電極
410 可変電位印加手段
412 固定電位印加手段
420 容量計を形成する手段
450 第1の空洞
452 第2の空洞
500 音響波エミッター
502 音響波レシーバー
508 並置ナノチューブ
602 液相
604 固相
605 閉じた細孔
606 開いた細孔
710 第1の保護層
720 第2の保護層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1つの第1の固相および少なくとも1つの第2の液相または気相を含むいくつかの相を有する材料、特にコンクリートなどのセメント材料の微小多孔質部の検出および分析の分野に関する。
【０００２】
本発明は、分析すべき材料に組み込まれる音響波の多重エミッターおよびレシーバーを使用する、少なくとも1つの流体相を含むいくつかの相を持つ材料の微小多孔質部の、特に毛管多孔質部の検出および分析のための改善されたシステムを提供する。
【０００３】
本発明は、例えばセメント材料の分析などの応用を有する。
【背景技術】
【０００４】
セメント材料は、流体相および固相から形成される二相材料である。流体相は一般に、「多孔質部」と呼ばれる。
【０００５】
細孔は、数十オングストロームから数センチメートル程度のこともある特性寸法を有することもある。
【０００６】
ミクロン程度のサイズの細孔は、「微小多孔質部」ともまた呼ばれるが、セメント材料の巨視的性質に本質的な役割を果たす。
【０００７】
細孔のサイズに応じて、いくつかのクラスの多孔質部、
1. 非常に不ぞろいな形状で、一般に10nmから10μmの間のサイズの毛管細孔と、
2. C-S-Hのベースを持つ環によって囲まれ、部分的にまたは完全に空のシェルを残す水和機構から生じる、大きなサイズで単純な幾何学的形状(三角形、卵形、その他など)の、「中空シェル」と呼ばれる(または「Hadley粒子」ともまた呼ばれる)細孔と、
3. 0.5nmから10nmの間のサイズの、「開いたゲル」と呼ばれる低密度のセメントペーストに含まれる細孔と、
4. 0.5nmより小さい直径の、「高密度ゲル」と呼ばれる高密度セメントペーストに含まれる細孔とに分類することが可能である。
【０００８】
第3および第4のクラスは、「ナノ多孔質部」と呼ばれる多孔質部を形成する。
【０００９】
クラス1および2の多孔質部の分析は、特に有用である。
【００１０】
セメント材料では、多孔質部は、アルカリ反応または炭酸化などの有害な反応の指標であることもあり、例えばコンクリートの骨組みの可能性のある腐食の指標を構成することができる。
【００１１】
多孔質部は、セメント材料の水和のプロセスおよびそれらの機械的性質に影響を与える。多孔質構造の分析は、例えば硬化パラメーターを変更することによって、調べられる構造の寿命中か、または新しい方法もしくは新しい製品を開発することを目的として、材料の性質を改善することを可能にすることもある。
【００１２】
材料の多孔質部の調査から、透水性などのそれの巨視的輸送パラメーターまたはイオン拡散係数を推定することが可能である。
【００１３】
輸送パラメーターは、特にこの材料がセメント材料の場合のように湿った媒質中にあるときは、問題になっている材料の耐久性の定義にとって重要である。
【００１４】
セメント材料の多孔質部を分析するために多くの技術がある。
【００１５】
水銀侵入による多孔質部測定法は、例えば増加する圧力下で水銀がセメントペーストに注入される技術である。導入される体積を測定することによって、このペースト中の細孔のサイズ分布を例えば「Washburnの法則」として周知の法則を使用することによって推定することが可能である。
【００１６】
この技術は、多くの制限を有し、調べるべき試料は、細孔を空にするためにあらかじめ乾燥され、そのことは、それらの構造を変更する可能性がある。加えて、水銀に印加される高圧は、材料の局部破壊をもたらし、多孔質部を粗大化する可能性がある。その方法の妥当性のための仮説(細孔の形状およびアクセスのしやすさ)は、系統的に満たされず、そのことは、全体の細孔体積に関して系統誤差を導入し、導入される体積の各部分は、細孔サイズに関連するよりもむしろ、そのような細孔へのアクセスを与える最も広い開口に関連する。
【００１７】
画像化もまた、材料の多孔質部を調べるために使用できる。最も一般的な方法は、走査電子顕微鏡法である。そのような方法は一般に、材料の試料の複雑な準備を必要とする。
【００１８】
分析するために、試料は、平面を提供するように切断され、研磨される。試料はまた通常、乾燥もされなければならず、そのことは、材料の構造を変更することもある。加えて、得られる画像化データは、二次元である。
【００１９】
RMN画像化は一方で、三次元の画像を提供することを可能にする。この技術は、磁場の傾斜の使用に基づいている。この技術の解像度は、現在不十分である。
【００２０】
気体の吸着による分析もまた、材料の多孔質部を調べるために使用できる。
【００２１】
そのような方法は、気体の凝縮が、この気体が自由であるときと比較して、この気体が細孔に含まれるときに変更されるという事実に基づいている。この差は、固体表面の原子との気体分子の相互作用に起因する。印加圧力の関数としての細孔の壁に吸着される気体(N2、H2O、その他)の体積の測定は、等温線をプロットすることを可能にする。とりわけ吸着される層数などの仮説を使用すると、多孔質材料の比表面積、すなわち単位質量当たりの面積を見積もることが可能である。
【００２２】
この技術は、数オングストロームまで下がる、「微細な多孔質部」ともまた呼ばれる、微小多孔質部およびナノ多孔質部を分析することを可能にする。しかしながら、その技術は、乾燥の事前ステップを必要とし、そのステップは、非常に長いこともあり、材料の構造を変更することもある。加えて、得られる結果は、材料の準備の条件に部分的に依存する。
【００２３】
「小角度での拡散」と呼ばれる方法は一方で、材料によって拡散される放射の強度を分析することにある。小角度での拡散技術は一般に、中性子放射またはX線放射を使用する。拡散図は、すべての拡散物体についての統計情報を与える。この技術は、非破壊的であり、乾燥ステップを必要としない。それらのさまざまな解像度のスペクトルは、広い。
【００２４】
しかしながら、試料の準備は、かなりの前処理を必要とし、そのことは、結果を妨げる可能性が高い。この技術に基づく方法の大部分は、破壊的である。
【００２５】
これらの高解像度だが破壊的な評価方法に加えて、構造を破壊しない評価方法がある。その場で行われるこれらの方法は、例えばレーダー法または音響波を使用する方法である。
【００２６】
そのような方法の例は、文書「Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures」、D. M. McCann、M. C. Forde、NDT&E International 34 (2001)、71〜84頁で与えられる。
【００２７】
音響方法に関しては、衝撃法、振動法および超音波法がある。
【００２８】
一般に、これらの方法は、20kHzの動作周波数を超えず、そのことは、それらの方法の解像度を数十cmに制限する。
【００２９】
1MHz程度の周波数、すなわち3mm程度の解像度で動作する音響方法は、文書「Numerical methods for multiple scattering of ultrasounds in random media」、M. Chekroun他、Mathematical and Numerical Aspects of Waves (2007)、492〜494頁で提示されるが、それらの方法は、それらの解像度に起因して巨視的構造の分析に制限される。
【００３０】
セメント材料での微小多孔質部の調査は、終了しつつある。そのような材料の微細構造の監視は、これらの材料がそれらの機能を果たす能力の指標であり、それらの耐久性のための条件である。
【００３１】
示されたように、微小多孔質部を理解するために広範囲の調査技術がある。
【００３２】
上で述べられた不都合を有さないセメント材料の多孔質部の分析の新しい方法を見いだす問題がそれ故に、提起される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】EN 08 57928
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】「Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures」、D. M. McCann、M. C. Forde、NDT&E International 34 (2001)、71〜84頁
【非特許文献２】「Numerical methods for multiple scattering of ultrasounds in random media」、M. Chekroun他、Mathematical and Numerical Aspects of Waves (2007)、492〜494頁
【非特許文献３】「Micromachined pressure sensors: review and recent developments」、W. P. Eaton他、Smart Mater. Struct.、Vol. 6、1997年、530〜539頁
【非特許文献４】「MEMS flow sensors for nanofluidic applications」、Shuyun Wu、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 89、No. 1〜2、2001年3月、152〜158頁
【非特許文献５】「MEMS based humidity sensors with integrated temperature sensors for signal drift compensation」、Chia-Yen Lee、Sensors、2003. Proc. of IEEE、Vol. 1、2003年10月、384〜388頁およびJ. Micromech. Microeng.、Vol. 13、2003年、620〜627頁
【非特許文献６】「MEMS sensors for density-viscosity sensing in a low flow microfluidic environment」、Isabelle Etchart、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 141、No. 2、2008年2月、266〜275頁
【非特許文献７】「Surface properties of an associative alkali soluble polymer (Acrysol TT-935) 」、E. Hernandez-Baltazar、G. A. Reyes-Sandoval、J. Gracia-Fadrique 、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects、Vol. 238、Issues 1〜3、2004年5月4日、113〜122頁
【非特許文献８】「Synthesis of alkali-soluble silicone resin suitable for resist material in microlithography」、Hiroshi Ban、Akinobu Tanaka、Yoshio Kawai、Saburo Imamura、Polymer、Vol. 31、Issue 3、1990年3月、564〜568頁
【非特許文献９】「Photo-patternable gelatin as protection layers in low-temperature surface micromachinings」、Lung-Jieh Yang、Wei-Zhi Lin、Tze-Jung Yao、Yu-Chong Tai、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 103、Issues 1〜2、2003年1月、284〜290頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は初めに、少なくとも1つの流体相を含む少なくとも2つの相を有する所与の材料の多孔質部、およびより具体的には微小多孔質部を分析するためのデバイスであって、前記所与の材料に組み込まれる多重センサーを含み、センサーの各々は、1つまたは複数のcMUT型容量性電気音響変換器(cMUTは「容量性マイクロマシン加工超音波変換器」を表す)を含む、デバイスに関する。
【００３６】
本発明のデバイスは、微小多孔質部が材料中に均一に分配されない状態で、微小多孔質部および特に毛管多孔質部を監視することを可能にする。
【００３７】
センサーは、1nmから100μmの間の臨界寸法の1つまたは複数の感知ゾーンを有することができる。
【００３８】
センサーは、各々が100μmより小さい長さおよび幅の感知ゾーンを有することができる。
【００３９】
そのような寸法を有する感知ゾーンを備えるセンサーは、測定を微小多孔質部に対応する小さな体積で行うことを可能にする。
【００４０】
「感知ゾーン」は、音響波を放出しかつ/または受け取るために振動することを目的とするゾーンまたは素子を意味すると解釈される。
【００４１】
「臨界寸法」は、それらの厚さを除いて、これらの感知ゾーンのより小さな寸法を意味すると解釈される。
【００４２】
そのような寸法の感知ゾーンは、センサーが微小多孔質部を個別の方法で音響的に励起することを可能にする。
【００４３】
変換器は、容量型のcMUT変換器とすることができる。
【００４４】
微小多孔質部の、すなわち100μmより小さい直径の細孔の分析は、そのようなデバイスを使用して行うことができる。
【００４５】
このように、材料中に音響波を放出し、この放出から生じる音響波を材料に組み込まれるcMUTレシーバーを通じて分析することによって、この材料のミクロン程度のサイズの細孔の分析を行うことが可能である。
【００４６】
このように、各センサーは、音響波を受け取る少なくとも1つのcMUT変換器を含む。デバイスはまた、前記所与の材料に組み込まれる多重cMUT放出変換器を含んでもよい。
【００４７】
分析すべき材料に組み込まれるcMUT変換器は、音響波エミッターとして、音響波レシーバーとしてまたはエミッターレシーバーとして動作する変換器とすることができる。
【００４８】
1つの可能性によると、cMUTは、ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドのベースを持つ少なくとも1つの層を含む少なくとも1つの膜を有することができ、その膜は、音響波を発生させかつ/または検出することを目的とする。
【００４９】
膜は高周波数で動作するので、このことは、面積および厚さの観点からの小さな寸法の基準および動作の基準の両方に対応する膜をデバイスに実装することを可能にする。
【００５０】
放出変換器は、20kHzから100GHzの間、特に100MHzから10GHzの間の周波数範囲で音響パルスを放出するように設計できる。
【００５１】
そのような範囲は、微小多孔質部すなわち1ナノメートルから数十ミクロン程度のサイズの細孔の分析に特に適している。
【００５２】
変換器は、電場および/または音響波の影響下で振動することを目的とする1つまたは複数の膜を含むことができ、その膜または複数膜は、ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドの1つまたは複数の層から形成される。
【００５３】
デバイスはまた、前記所与の材料に組み込まれるセンサーの多重支持部を含むことができ、センサーの各々は、少なくとも1つのセンサーによって生成される信号を処理するための少なくとも1つの電子回路を含む支持部上にある。
【００５４】
そのような回路は、例えば少なくとも1つの増幅段またはモジュールを含んでもよい。
【００５５】
そのような回路は、ことによると例えば少なくとも1つのフィルタリング段またはモジュールを含んでもよい。
【００５６】
センサーの支持部は各々、少なくとも1つのcMUT変換器を含む、マトリクス状のcMUT変換器および/または異なる種類のいくつかのセンサーを含んでもよい。
【００５７】
可能性がある実装形態によると、センサーは、統合された電力供給部を含みかつ/または前記材料の外部の電源を通じて電力を供給されてもよい。
【００５８】
可能性がある実装形態によると、センサーは、材料の外側に信号を放出するための手段を含んでもよく、デバイスはまた、材料の外部にあり、RFおよび/または有線接続を通じてセンサーに接続されるデータ処理デバイスも含む。
【００５９】
可能性がある実装形態によると、センサーは、保護ケーシングで覆われてもよい。
【００６０】
1つの可能性によると、センサーは、塩基性または酸性媒質中で安定である材料に基づく少なくとも1つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護されてもよい。
【００６１】
永続的保護層は、少なくとも感知ゾーンが永続的保護層によって覆われないようにセンサーを部分的に覆ってもよい。
【００６２】
第1の永続的保護層および第2の一時的保護層から形成され、第2の材料、例えば調べるべき材料へのセンサーの組み込みの後に損傷を受ける可能性が高い材料のベースを有する保護ケーシングが、使用されてもよい。
【００６３】
保護ケーシングは、センサーの感知ゾーンまたは複数ゾーン、すなわち音響波を放出しかつ/または受け取ることを目的とするゾーンまたは複数ゾーン、例えば1つまたは複数の膜が、第2の保護層によってだけ覆われ、その結果感知ゾーンまたは複数ゾーンがそれ故に、第2の保護層の劣化の後に調べるべき材料と直接接触するように設計されてもよい。
【００６４】
本発明はまた、少なくとも2つの相を有する所与の材料の多孔質部、およびより具体的には微小多孔質部を分析するための方法であって、
- 少なくとも1つの所与の音響波の、1つまたは複数のcMUT容量性音響変換器による放出のステップであって、変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップと、
- 前記所与の音響波の放出から生じる少なくとも1つの波の、少なくとも1つのcMUT容量性音響変換器による受け取りのステップであって、変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップとを含む方法に関する。
【００６５】
微小多孔質部の、すなわち100μmより小さい直径の細孔の分析を行うことができる。
【００６６】
測定より前に、センサーは、前記所与の材料が少なくとも部分的に液体状態であるときに前記所与の材料中に無作為に分配することができ、測定は、前記所与の材料の少なくとも部分的な固化の後に行われる。
【００６７】
この分配中に、1つまたは複数のセンサーは、少なくとも1つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護されてもよく、前記保護ケーシングは、前記所与の材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも1つの一時的保護層から形成される。
【００６８】
本発明は、純粋に指示するものとしておよび決して限定しないものとして与えられる実施形態の例の記述を読み、次の付属の説明図を参照することでより良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】セメント材料中に封入され、前記材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスに属するMEMSセンサーの例を与える図である。
【図２】材料の微小多孔質部を分析するためのデバイス内で使用できるセンサー支持部の例を説明する図である。
【図３Ａ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｂ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｃ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図３Ｄ】材料の微小多孔質部を分析するための本発明によるデバイス内で使用できるセンサーの配置の例を説明する図である。
【図４Ａ】エミッターとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｂ】レシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｃ】エミッターレシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図４Ｄ】エミッターレシーバーとして動作するcMUTセルの例を説明する図である。
【図５】本発明によるデバイス内のcMUT変換器のパルス動作の例を説明する図である。
【図６Ａ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｂ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｃ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図６Ｄ】本発明による材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスのセンサーの活性ゾーンの配置を示す図である。
【図７】セメント材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスの実装のための方法のステップを流れ図の形態で説明する図である。
【図８】材料の微小多孔質部の分析のために設計され、cMUT変換器をその寿命中保護することを目的とする別のポリマー層を覆う少なくとも1つの一時的保護ポリマー層から形成される保護ケーシングに封入されるcMUT変換器を説明する図である。
【図９】ナノチューブおよび/またはナノワイヤーおよび/またはナノロッドから形成される振動膜を備えるcMUT変換器の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
さまざまな図の同一の、同様のまたは等価な部分は、1つの図から別の図へ進むのをより容易にするために同じ参照番号を有する。
【００７１】
図で表されるさまざまな部分は、図をより読みやすくするために必ずしも均一なスケールで表されていない。
【００７２】
いくつかの相を持つ材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスの例は、図1で与えられる。
【００７３】
調べられる材料は、MEMS(MEMSは「微小電気機械システム」を表す)またはNEMS(NEMSは「ナノ電気機械システム」を表す)センサーが組み込まれる二相材料であり、センサーは、この材料を破壊することなく導入された。
【００７４】
センサーは、例えば材料がそれの固化より前に全体的に液体形態であるときに材料に導入された。例えば、セメント材料の場合には、センサーは、この材料が固化する前に液体形態であるときに無作為に分配される。
【００７５】
調べられる材料は、少なくとも1つの固相および少なくとも1つの液相または気相を含む二相材料または少なくとも2つの相を持つ材料であり、その材料の多孔質部の少なくとも1つの小部分は、数十ナノメートルから数百ミクロンの間の特性寸法を有し、この多孔質部は、気体または液体で満たされてもよい。
【００７６】
調べられる材料は、セメントもしくはコンクリートなどのセメント材料、アスファルト材料、少なくとも2つの相を有する複合構造、または石こうであってもよい。
【００７７】
図1の例では、非水和セメント粒50、C-S-H(CAO-SiO2-H2O)のベースを持つ部位52、および微小多孔質部60を含むセメント材料の一部分が、表される。
【００７８】
材料のこの部分は、前記材料に組み込まれるいくつかのセンサーのうちに含まれるMEMS(MEMSは「微小電気機械システム」を表す)またはNEMS(NEMSは「ナノ電気機械システム」を表す)センサー100を含む。
【００７９】
この例では、センサーは、音響波S1を放出する部分または音響波S1を放出する少なくとも1つの素子、および音響波を受け取る受取り部分または少なくとも1つの素子を含む。この図では、センサーによる波S1の放出に続く反射波S2のある種の波S20が、表される。
【００８０】
センサー100は、音響波を放出しかつ/または受け取るために、少なくとも1つの感知ゾーン、すなわち振動することを目的とする1つのゾーンまたは1つの素子を含む。感知ゾーンは、膜の形態であってもよい。
【００８１】
センサー100は、各々が1nmから100μmの間である寸法、すなわち長さおよび幅の少なくとも1つの感知ゾーンを含んでもよい。そのような寸法を有する感知ゾーンを備えるセンサーは、特に微小多孔質部に対応する小さな体積で測定を行うことを可能にする。より詳しくは、これらのセンサーによって供給されるすべての測定結果を使用すると、微小多孔質部の形態に関する統計情報を推定することが可能である。
【００８２】
センサー100は、例えば普通cMUT変換器(cMUTは「容量性マイクロマシン加工超音波変換器」を表す)と呼ばれる1つまたは複数の容量型の超音波変換器を含んでもよく、その変換器または複数変換器は、音響波のエミッターとして、または音響波のレシーバーとして、または音響波のエミッターレシーバーとしての役割を果たしてもよい。
【００８３】
cMUT容量型の1つまたは複数の電気音響変換器を有するセンサー100の場合には、活性ゾーンは、1つまたは複数の振動膜の形態である。
【００８４】
多数のマイクロセンサーまたはナノセンサーは、例えばセンサーおよび材料の性質に応じて0.1から0.0001の間、例えば0.01程度の密度で材料の製造中に分析すべき材料中に分散されていてもよい。マイクロセンサーまたはナノセンサーは、例えばセメント中にそれの固化より前に分散されてもよい。
【００８５】
センサーから導かれる情報の統計分析は、例えば材料の外部にあり、少なくとも1つの有線接続152および/または少なくとも1つの無線接続154を使用してセンサーと通信することができるデータ処理デバイス150を使用して行われてもよい(図1)。
【００８６】
センサーは、例えば時々または周期的に問い合わされてもよく、センサーの問い合わせ周波数は、それらの寿命中に変更されてもよい。
【００８７】
すべてのセンサーは、同時に問い合わされてもよく、またはセンサーのいくつかだけが、同時に問い合わされてもよく、または各センサーが、個別に問い合わされてもよい。
【００８８】
センサーは、例えば所与の継続時間の間の活性化信号または「オン」信号の放出を通じて初期化されてもよく、その信号は、それを受け取るセンサーを初期化することを可能にする。変調された信号が、cMUTの電極で放出されてもよい。
【００８９】
収集された情報のすべてまたは一部を外部デバイスに送るために、連続的な、または周期的なもしくは時々の放出、またはこれらのモードの交代が、各センサーに実装されてもよい。
【００９０】
データの放出は、例えばセンサーに関連するクロックによって制御されてもよい。時々の放出は、例えば測定される物理的大きさがしきい値よりも高くなったとき、例えばこのセンサーの活性化を引き起こしたセンサーの環境の変化に続いて行われてもよい。
【００９１】
センサーは、それの環境を連続的に、または周期的に、または時々、またはこれらのモードの交代によって検出してもよい。
【００９２】
検出行動は、センサーそれ自体によってまたは外部処理デバイスによって活性化されてもよい。
【００９３】
外部処理デバイス150によって行われてもよいタスクには、記録動作、放出センサーを設置する動作、スペクトル分析動作、しきい値と比較するまたはセンサーから放出されるノイズを分析する動作、センサーから生じるデータの統計処理、例えば平均値の計算または標準偏差の計算のための動作、および誤差分析動作が含まれる。
【００９４】
そのような処理デバイスは、例えばマンマシンインターフェースおよび取得カードを取り付けられたPCコンピュータを含んでもよい。外部デバイスおよびセンサーが有線接続によって接続される動作モードの場合には、PCコンピュータは、センサーに連結される接続ワイヤーが接続されるカードにUSBまたはGPIB(バスIEEE488)またはRS232コネクタによって接続されてもよい。
【００９５】
センサー100は、例えば接続、例えば無線接続を使用して材料の外側から電力を供給されてもよく、かつ/または統合された電源をことによると含んでもよい。
【００９６】
センサー100は、cMUT容量性変換器によって受け取られる信号を処理するための手段を含んでもよい。そのような処理手段は、例えば信号のスペクトル分析、しきい値との比較、または保存/記録動作を行うように設計されてもよい。
【００９７】
センサーのMEMS/NEMS、特にセンサーのcMUT変換器または複数変換器は、活性ゾーンを形成し、その活性ゾーンの特性寸法は、センサーによる観測が可能な微小多孔質部寸法の最小値の大きさの程度を規定する。1μm2程度の活性ゾーンcMUTセンサーの場合には、最小観察可能特性多孔質部寸法は、例えば500nm程度であってもよい。
【００９８】
活性ゾーン104(MEMSまたはNEMSセンサー)およびそれの制御電子機器105は、同一支持部101上に、ことによると保護層、例えばポリマーベースの層によって覆われる、例えばシリコンまたは酸化シリコン支持部上に位置決めされ、その支持部が調べるべき材料と接触しそうな場所に置かれてもよい。
【００９９】
1つの可能性によると(図2)、支持部101上に置かれた構成要素は、ことによると金線110を使用して材料の外部のデバイスに接続されてもよい。金線110は、外部デバイスに直接接続でき、または電気測定信号を材料の外側へ伝える同軸ケーブル(図示されず)に接続でき、その電気測定信号は、電子処理デバイス150を使用して処理される。
【０１００】
図3Aでは、活性ゾーン104は、それの支持部101上にMEMSまたはNEMSの形態のcMUT容量型の音響変換器103から形成される。
【０１０１】
変形形態によると、センサーは、支持部101上に分配され、マトリクス状の変換器の形態で配置されるいくつかの同一cMUT変換器203から形成される活性ゾーン104を含むことができる(図3B)。
【０１０２】
別の可能性によると、各々がcMUT変換器またはマトリクス状のcMUT変換器203から形成されるいくつかの活性ゾーン104、204は、同一支持部101上に設計できる(図3C)。
【０１０３】
図3Dでは、異なる種類のいくつかのセンサーは、例えば少なくとも1つのcMUT超音波変換器またはマトリクス状のcMUT変換器203、および少なくとも1つの他のセンサー213とともに同じ支持部101上に形成される。
【０１０４】
同一支持部101上では、cMUT変換器またはマトリクス状のcMUT変換器は、次のセンサー、すなわち温度センサー、粘度センサー、湿度センサー、圧力センサーのうちの1つまたは複数のセンサーに関連してもよい。
【０１０５】
上で述べられたセンサー100などのセメント材料に組み込まれるセンサーは各々、音響波のエミッターとして、または音響波のレシーバーとしておよび/または音響波のエミッターレシーバーとしての役割を果たすことができる少なくとも1つのcMUT変換器を含む。
【０１０６】
図3A、3B、3C、3Dでは、変換器または複数変換器の支持部101はまた、センサーから生じる信号を処理するための手段105または回路105も含む。この回路105またはこれらの手段105は、変換器から生じる信号の増幅の手段、およびことによると1つまたは複数の他の信号処理モジュール、例えばフィルタリングモジュールを含むことができる。この回路105またはこれらの手段105は、信号を材料の外側へ送るための手段、例えば少なくとも1つのRFモジュールを含むことができる。
【０１０７】
図4Aでは、本発明による微小多孔質部の分析のためのデバイスのセンサーに組み込むことができるcMUT変換器が、与えられる。この変換器は、音響波エミッター500として動作し、電極407に面する空洞410中で振動することを目的とする膜405を含む。デバイスはまた、膜405に可変電位Vaを印加するための手段410、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412も取り付けられる。
【０１０８】
図4Bでは、本発明による微小多孔質部の分析のためのデバイスのセンサーに組み込むことができるcMUT変換器もまた、表される。変換器は、音響波レシーバー502として動作し、膜405、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412、および膜405によって受け取られた波を表す容量の変化δCmを測定するために容量計を形成する手段420を含む。
【０１０９】
図1に関連して上で述べられたのと同じ種類のセンサーに組み込むことができるcMUT変換器の別の例は、図4Cで与えられる。変換器は、エミッターレシーバーとして動作し、第1の空洞450および第2の空洞452の上に浮遊される膜405を含む。第1の空洞450は、変換器の放出部分に属する。cMUT変換器はまた、膜405に可変電位Vaを印加するための手段410、および電極407に固定電位Vsを印加するための手段412も含む。第2の空洞452は、変換器の受取り部分に属する。変換器はまた、第2の電極407に固定電位Vsを印加するための手段422、および第2の電極407に接続され、膜405の容量の変化δCmを測定するための手段420も含む。
【０１１０】
cMUT変換器の別の例は、図4Dで与えられる。この変換器は、図1に関連して上で述べられたのと同じ種類のセンサーに組み込むことができ、エミッターレシーバーとして動作する。変換器は、エミッターとしておよびレシーバーとしての両方の役割を果たすことができるように膜405および単一の空洞450を含む。cMUT変換器はまた、電極407に固定電位Vsを印加するための手段412、および電極407に接続され、膜405の容量の変化δCmを測定するための手段420も含む。
【０１１１】
今しがた述べられた変換器の膜は、ナノチューブ(またはナノワイヤーまたはナノロッド)の1つまたは複数の並置層から形成できる。
【０１１２】
ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドは、例えば0.5ナノメートルから5ミクロンの間の臨界寸法の棒の形態を有する。
【０１１３】
ナノチューブは、管状形状を有するが、一方ナノワイヤーは、円柱形状を有することができ、ナノロッドは、平行六面体形状を有することができる。
【０１１４】
ナノチューブまたはナノワイヤーまたはナノロッドはことによると、ナノチューブまたはナノワイヤーに貼り付けられ、ナノチューブを接続しかつ膜の密閉を提供するために使用されることを目的とする1つまたは複数の「接続」層に関連してもよい。そのような接続層は、例えばグラフェンベースを有することができる。
【０１１５】
そのような膜は、通常の変換器のサイズおよび周波数と比較して高周波数で動作する能力がある、非常に小さなサイズのcMUT変換器を作製することを可能にすることができる。膜は、例えば各々が1ナノメートルから100ミクロンの間の幅および長さを有することができる。
【０１１６】
目的とする応用範囲に応じて、センサーの活性ゾーンは、例えばCOOH基の官能基化によって親水性にされてもよい。
【０１１７】
並置ナノチューブ508から形成される膜505を含むcMUT変換器の例は、図9で与えられる。
【０１１８】
変形形態によると、センサーの活性ゾーンは、例えば疎水性ポリマーでの電解重合によって疎水性にされてもよい。
【０１１９】
活性ゾーンが親水性または疎水性にされる場合には、同一の処理が、センサーの電極に、特に膜に面して置かれる電極または複数電極に適用される。
【０１２０】
音響波500の放出に続いて、エミッターでのエコー帰還時間の測定は、波の反射ゾーンを位置付けることを可能にし、これらのエコーの周波数分析は、これらの波が横断する材料のそのゾーンの性質を識別することを可能にする。
【０１２１】
微小多孔質部、すなわち1ミクロン程度のサイズの細孔を検出するために、デバイスの変換器は、20kHzから50MHzの間または50MHzから100GHzの間の周波数範囲で音響パルスを放出するように設計できる。
【０１２２】
トランジスタに基づくアクティブマトリクス化システムによって独立して動作する、上で述べられたようなマトリクス状のエミッターまたはレシーバーまたはエミッター/レシーバーが、作製できる。
【０１２３】
cMUT変換器は、パルス動作モードを有することができる(図5)。
【０１２４】
パルスモードでは、エミッターに印加される電圧パルス(信号S1)を使用して、エミッターは次に、音響波をパルスの形態で放出することができ(信号S2)、その音響波の時間的拡大は、エミッターの帯域幅および周囲媒質に依存する。例えば、エミッターが微小多孔質部の含水ゾーンに位置するとき、信号S2の時間的拡大は、もし媒質が高周波数を切り取るならばかなりである可能性があるが、一方空気ゾーンでは、信号S2の時間的拡大は、無視できるほどである。
【０１２５】
例えば、センサーに向かい合う細孔の寸法Lに応じて、パルスのある周波数f(f=cfluid/L)もまた、増幅されることになる。パルスS2は、媒質中を伝搬され、期間T1(T1=d/cfluid、ただしcfluidは媒質中の音速である)の後に距離dにあるレシーバーに達する。受け取られた信号S3の周波数分析およびその信号の放出信号S2との比較は、エミッターおよびレシーバーのスペクトルに存在する周波数についての媒質の伝達関数を単一の演算で決定することを可能にする。パルスS2は、媒質によって部分的に反射される可能性があり、レシーバーに連続するエコーをもたらす。エコーがエミッターに戻る時間は、反射ゾーンを位置付けることを可能にし、エコーの周波数分析は、パルスS2が横断する界面の性質を分析することを可能にする。材料の微小多孔質部がそれ故に、分析できる。
【０１２６】
各エコーの帰還時間は、例えばエコーを生み出した障害物のエミッターからの距離の見積もりを与えることができる。スペクトルは、障害物の性質、例えばそれの粗さに関する情報を提供することができる。振幅は、減衰係数に関する情報を提供することができる。
【０１２７】
デバイスの可能性がある実装形態によると、他のセンサーが、支持部101上のcMUT変換器にまたはマトリクス状のcMUT変換器に加えられてもよい。例えば文書「Micromachined pressure sensors: review and recent developments」、W. P. Eaton他、Smart Mater. Struct.、Vol. 6、1997年、530〜539頁で述べられるような圧力センサーは、例えばcMUT変換器と同じ支持部101上に位置決めできる。
【０１２８】
他の可能性によると、文書「MEMS flow sensors for nanofluidic applications」、Shuyun Wu、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 89、No. 1〜2、2001年3月、152〜158頁で述べられるような種類の流量センサー、または文書「MEMS based humidity sensors for signal drift compensation」、Chia-Yen Lee、Sensors、2003. Proc. of IEEE、2003年10月、Vol. 1、384〜388頁およびJ. Micromech. Microeng.、Vol. 13、2003年、620〜627頁で述べられる種類の湿度センサー、および/または文書「MEMS sensors for density-viscosity sensing in a low flow microfluidic environment」、Isabelle Etchart、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 141、No. 2、2008年2月、266〜275頁で述べられるような粘度センサー、および/または温度センサーが、cMUT変換器または複数変換器と同じ支持部101に組み込まれてもよい。
【０１２９】
デバイスのMEMSまたはNEMSセンサーの各々によって回収されるデータは、デバイス150によって統計的に処理され、次いでフィードバックされて、材料の微小多孔質部に関する全体的な情報、例えば多孔質体積、細孔のサイズ分布に関する情報、例えば液体含有量(例えば含水量)、液体(例えば水)での可能性のある細孔の飽和に関連する情報、例えば、コンクリートについては、CSH厚さ(CSHはCAO-SiO2-H2Oを表す)、CSH密度、媒質の粗さまたは接続性などの壁の構造に関する情報に含まれる。
【０１３０】
さまざまなセンサーは、細孔およびそれらの含有物に関するマイクロメートル単位の解像度情報をそれらのすぐそばの周囲に与えることができる。
【０１３１】
デバイスのセンサーによって得られる情報は、局所的である、すなわちセンサーの活性ゾーンのすぐ近くの材料の領域だけに関することができ、センサーによって調べられる体積は、センサーおよび測定パラメーターに応じて、例えば1オングストロームから100nmの間の小さな厚さをかけたセンサーの活性ゾーンの面積である。
【０１３２】
デバイスのセンサーによって得られる情報はまた、遠隔である、すなわち微小多孔質部の体積Vに関することもできる。例えば、粘度センサーの共振周波数は、それを取り囲む流体に依存するが、それに向かい合う流体ドメインにもまた依存する。
【０１３３】
センサー100は、例えばセンサーと流体固体界面との間の距離を規定するために、例えばセンサーが、それが放出した信号に続くエコーを検出するパルスモードで使用される少なくとも1つのcMUT変換器を有するとき、
・流体相を隣接する固体マトリクスとは無関係に、
・流体相を固相と関連付けながら、
分析する能力がある。
【０１３４】
局所測定の場合には、センサーのすぐ近くの温度、圧力、湿度または流量などの大きさを測定できる。
【０１３５】
遠隔測定の場合には、センサーに向かい合う細孔の含有物の平均粘度測定、センサーに近い多孔質体積、センサーに向かい合う多孔質部の含有物および寸法、流体固体界面の性質、または細孔間接続チャネルの直径の測定もまた、行うことができる。
【０１３６】
センサーは、材料中に無作為に分配される。
【０１３７】
センサーの環境は、いくつかの形態をとってもよい。
【０１３８】
図6A〜6Dでは、センサーの4つの可能性のある環境が、与えられる。
【０１３９】
図6Aでは、センサーの活性ゾーン104は、材料の固相604に面している。
【０１４０】
図6Bでは、センサーの活性ゾーン104は、部分的に固相604に面し、部分的に液相602に面している。
【０１４１】
図6Cでは、センサーの活性ゾーン104は、閉じたまたは接続されない細孔605の形態で液相602に面している。
【０１４２】
図6Dでは、センサーの活性ゾーン104は、開いた細孔606の形態で液相に面している。
【０１４３】
各センサーは、材料中に無作為に位置決めされ、所与の体積の多孔質部を探索し、この体積で少なくとも1つのパラメーターを測定する。
【０１４４】
もし問題になっている材料が均一であるならば、この微視的パラメーターについてすべてのセンサーによって測定されるすべての値は、この微視的パラメーターの見本を構成する。測定される微視的パラメーターの変化の法則をそれらから推定し、例えば平均値または分散などの統計データを得ることが可能である。
【０１４５】
必要とされるセンサーの数は、材料の無秩序度に応じて変更されてもよい。
【０１４６】
もし材料が不均質であり、もし材料の構造の巨視的性質の変化のスケールLの見積もりが利用できるならば(ただしLは、例えばブリッジの骨組みと外側との間の距離、または例えば構造の骨組み間の距離、または例えばブリッジの2つのピア間の距離、またはコンクリート構造でのイオン侵入距離であってもよい)、状況を均一な材料のそれと同等と見なすことが可能なこともある。
【０１４７】
調べられる材料の点M(x, y, z)における微視的パラメーターの法則を決定するために、点Mの周りの半径r<<Lの球中に位置するセンサーによって与えられる測定値からこの法則の見本をとることが可能である。点Mにおけるパラメーターの法則の見積もりの精度は、半径rの球中のセンサーの数に依存する。均質な材料の場合と同じ精度を得るために、センサー密度は、(D/r)3をかけられてもよく、ただしDは、調べられる材料の特性寸法であり、Dは、測定される大きさに関連する材料の均質化のスケールを指定する。
【０１４８】
選択は、r<<Lであるようにrを保ちながらrを最大化するように行われてもよい。
【０１４９】
その方法は次いで、微細構造の変化を監視するためにそのすぐ後に反復されてもよい。
【０１５０】
本発明は、ことによるとセメント材料以外の二相材料に、ことによると多孔質材料、セラミックおよびポリマーに適用されてもよい。
【０１５１】
骨を再構成するために医療分野で使用されるヒドロキシアパタイトセメントの微小多孔質部が、例えば調べられてもよい。
【０１５２】
他の種類のセラミックがまた、分析されてもよい。
【０１５３】
例えば自動車触媒コンバーターで使用される多孔質セラミック、他の状況では、生体材料で使用される多孔質ポリマー、および織物または触媒基板で断熱に使用される二相材料もまた、本発明によるデバイスおよび方法を使用して分析できる。
【０１５４】
複合材料に関しては、GFRP(ガラス強化プラスチック)、CFRP(炭素強化プラスチック)またはAFRP(アラミド繊維強化プラスチック)などのプラスチック材料もまた、分析できる。
【０１５５】
図7では、微小多孔質部を分析するためのデバイスの使用が後に続く実装形態の異なるステップが、図形の形態で与えられる。
【０１５６】
初めに(ステップE1)、上で述べられたような1つまたは複数のcMUT変換器を含むNEMSまたはMEMSセンサーが、作製される。
【０１５７】
この後に(ステップE2)、調べるべき材料に適したセンサーが、封入される。
【０１５８】
次いで(ステップE3)、多重センサーが、液体形態の調べるべき材料にそれの固化より前に分散される。
【０１５９】
次いで(ステップE4)、材料に組み込まれたセンサーは、材料の多孔質部の統計的再構成を作成するために問い合わされる。
【０１６０】
センサーは次いで、微小多孔質部への変化を監視するために、材料の寿命中に数回問い合わされる(ステップE5)。
【０１６１】
本発明によるデバイスの特定の実例応用によると、センサーは、例えばこの材料での湿度の変化を検出するために、石こうなどの材料に組み込まれてもよい。
【０１６２】
そのような材料への応用は、建築分野でまたは例えば石こうの下での出血を検出するために医療分野でとりわけ有用なこともある。
【０１６３】
可能性のある実装形態によると、センサーは、少なくとも1つの保護層またはコーティングによって保護され、封入されてもよい。
【０１６４】
そのような保護層を使って、2種類の保護、すなわち調べるべき材料へのセンサーの浸漬中の保護、およびセンサーの寿命中の保護が、実装されてもよい。
【０１６５】
一時的保護は、調べるべき材料にセンサーを分散させる目的で、例えばその後に劣化することができる厚い包装を使用して適用されてもよい。そのような包装は、例えば塩基性媒質中でゆっくり加水分解できる1つまたは複数のポリマー層、例えばPET型の線状ポリエステルを含んでもよい。別の例によると、そのような包装は、それのベースとして感光性樹脂を有してもよい。
【０１６６】
センサーの寿命の間持続するように設計された保護がまた、実装されてもよい。そのような保護は、ポリエステル、例えば塩基性媒質に耐えるものまたは例えばパリレンなどの別のポリマーコーティングから形成されてもよい。
【０１６７】
図8では、本発明によるデバイスのcMUTセンサーは、保護ケーシングがセンサー100を封入している状態で表され、そのケーシングは、第1の保護層710から形成され、その保護層は、センサー全体、または例えば1つもしくは複数の膜および膜405もしくはいくつかの膜405が振動することを目的とする1つもしくは複数の空洞を含むセンサーの活性ゾーンもしくは複数活性ゾーンを除くセンサー全体を覆うように設計されてもよい。
【０１６８】
第1の保護層710は、永続的であってもよく、それの寿命の継続時間の間センサーを保護するように設計されてもよい。第1の保護層710は、例えばパリレンベースを有してもよい。
【０１６９】
第1の保護層710は、それのベースとして化学的攻撃、特に酸性または塩基性媒質に耐えるように設計された材料を有してもよい。
【０１７０】
例えば、第1の保護層710は、それのベースとしてpHが12程度の安定な材料を有してもよい。
【０１７１】
選択される材料は、マイクロエレクトロニクスまたはマイクロテクノロジーで使用されるのと同じ種類の方法に適合する材料であってもよい。
【０１７２】
材料は、例えばパリレンであってもよく、パリレンは、塩基性および酸性媒質の両方で化学的に安定であり、湿度に対する保護として使用されてもよい。
【０１７３】
センサーの感知ゾーンまたは複数感知ゾーンが第1の保護層710によって保護されないという場合には(この図8で表される)、感知ゾーンはそのとき、それらを親水性または疎水性にするための処理を受けた可能性がある(本出願者によって出願されたEN 08 57928の番号が付けられた出願で述べられるように)。
【０１７４】
例えば1つまたは複数の作動または検出電極407などの感知ゾーンまたは複数感知ゾーンに近いまたは直接隣接しているセンサーのある部分を化学的攻撃から保護するために、そこで第1の層710と同じ材料、または化学的攻撃に対する耐性の同じ性質を有することができる別の材料を使用して、これらの部分を永続的に封入することもまた可能である。
【０１７５】
第1の保護層710は、特にセンサーが上で述べられたようなcMUTセンサーである場合には、例えば1ミクロンまたは10分の1ミクロン程度の厚さを有してもよい。
【０１７６】
ケーシングはまた、第1の保護層710およびセンサーの活性ゾーンまたは複数活性ゾーンを覆う第2の保護層720からも形成される。
【０１７７】
第2の保護層720は、一時的であり、調べるべき材料へのそれの取り付け中にセンサーを一時的に保護するように設計される。第2の保護層720は、この取り付けの後に劣化することを目的としてもよい。
【０１７８】
第2の保護層720は、それのベースとして、センサーが分析すべき材料中に置かれるとき徐々に劣化するように設計される材料を有してもよい。
【０１７９】
第2の保護層720は、それのベースとして、例えばそれが酸性または塩基性媒質中に置かれるとき徐々に劣化するように設計される材料を有してもよい。
【０１８０】
第2の一時的保護層720の材料は、例えばアルカリ性媒質に溶ける一時的保護材料であってもよい。
【０１８１】
第2の一時的保護層720はそれ故に、それのベースとして例えば「アルカリ可溶性」材料と呼ばれるポリマー材料、例えば文書「Surface properties of an associative alkali soluble polymer (Acrysol TT-935)」、E. Hernandez-Baltazar、G. A. Reyes-Sandoval、J. Gracia-Fadrique、Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects、Vol. 238、Issues 1〜3、2004年5月4日、113〜122頁で述べられるものなどの材料を有してもよい。
【０１８２】
第2の一時的保護層720は、少なくともセンサーを材料に組み込み、測定デバイスを実装するために必要とされる期間の間耐えるように設計される。
【０１８３】
第2の一時的保護層720はとりわけ、この材料が永続的に固まる前に、センサーが組み込まれる材料のさまざまな構成物質の移動に起因する影響からセンサーの感知ゾーンを保護するように設計される。
【０１８４】
一時的保護層720は、完全に溶解できるように設計され、従って使用される材料の観点からは、溶解が、主に分析すべき材料の固化の第1の段階中に生じ、センサーを含む材料がほとんど完全に固まるときに完了するような、厚さおよびことによるとそれの表面が処理された方法で形成される。ある種の特に硬化の速い材料では、この継続時間は、例えば約1時間であってもよい。セメント材料の場合には、継続時間は一般に、24時間を超え、完全な固化には、数日を要することもある。
【０１８５】
第2の一時的保護層720を作製するために選択される材料は、マイクロエレクトロニクスまたはマイクロテクノロジーで使用されるのと同じ種類の方法に適合する材料であってもよい。
【０１８６】
この材料は、例えばそれのベースとしてポジ型樹脂などの感光性樹脂を有してもよく、例えば論文「Synthesis of alkali-soluble silicone resin suitable for resist material in microlithography」、Hiroshi Ban、Akinobu Tanaka、Yoshio Kawai、Saburo Imamura、Polymer、Vol. 31、Issue 3、1990年3月、564〜568頁で述べられるような例えばDNQ-Novolacなどのアルカリ可溶性ポリマーから形成されてもよい。例えば樹脂SU-8(登録商標)などのネガ型感光性樹脂を使用することもまた可能である。
【０１８７】
アルカリ媒質に対する一時的保護については、樹脂の瞬間的な溶解を防止するために、樹脂の組成は、媒質のアルカリ性度に合わされる。
【０１８８】
第2の一時的保護層720の厚さは、例えば1μmから100μmの間であってもよい。
【０１８９】
例えば1μmから10μmの間の厚さの比較的薄い保護層720が使用されるときは、例えば熱処理を使用する体積硬化および/または例えばO2プラズマを使用する表面硬化が、行われてもよい。
【０１９０】
一時的保護ケーシング720は、堅くされてもよい。特に、もし柔軟な構造、例えば膜の場合に、それが変形するのを防止しかつ/またはそれが空洞の底部に付着するのを防止することが必要ならば、例えば一時的保護ケーシング720をより堅くするためにゼラチンを使用することが可能である。
【０１９１】
ゼラチンを使用して堅くする方法は、例えば論文「Photo-patternable gelatin as protection layers in low-temperature surface micromachinings」、Lung-Jieh Yang、Wei-Zhi Lin、Tze-Jung Yao、Yu-Chong Tai、Sensors and Actuators A: Physical、Vol. 103、Issues 1〜2、2003年1月15日、284〜290頁で提示されている。
【符号の説明】
【０１９２】
50 非水和セメント粒
52 C-S-Hのベースを持つ部位
60 微小多孔質部
100 センサー
101 支持部
103 音響変換器
104, 204 活性ゾーン
105 制御電子回路
110 金線
150 データ処理デバイス
152 有線接続
154 無線接続
203 マトリクス状のcMUT変換器
213 他のセンサー
405, 505 膜
407 電極
410 可変電位印加手段
412 固定電位印加手段
420 容量計を形成する手段
450 第1の空洞
452 第2の空洞
500 音響波エミッター
502 音響波レシーバー
508 並置ナノチューブ
602 液相
604 固相
605 閉じた細孔
606 開いた細孔
710 第1の保護層
720 第2の保護層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの相を含み、そのうちの１つは流体相である所与の材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスであって、前記所与の材料（Ｍ）に組み込まれる多重センサー（１００）を含み、
前記センサーは各々、１つまたは複数のｃＭＵＴ音響および容量性変換器を含む、デバイス。
【請求項２】
各センサーは、少なくとも１つの音響波レシーバーｃＭＵＴ変換器および前記所与の材料に組み込まれ、音響波を放出することを目的とする多重エミッターｃＭＵＴ変換器を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記エミッター変換器は、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの間または１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の周波数範囲の音響パルスを放出する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記変換器は、振動することを目的とする少なくとも１つの膜を含み、前記膜は、各々が１００μｍ未満の長さおよび幅を有する、請求項１から３の一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記変換器は、電場および／または音響波の影響下で振動することを目的とする少なくとも１つの膜を含み、前記膜は、ナノチューブおよび／またはナノワイヤーおよび／またはナノロッドの１つまたは複数の層から形成される、請求項１から４の一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記所与の材料に組み込まれる前記センサーの多重支持部もまた含み、前記センサーの各々は、少なくとも１つのセンサーによって生成される信号を処理するための少なくとも１つの電子回路（１０５）を含む支持部（１０１）上にある、請求項１から５の一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記センサーの前記支持部は各々、マトリクス状のセンサーおよび／または異なる種類のいくつかのセンサーを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記センサーは、統合された電源を含み、及び／または前記材料の外部の電源を通じて電力を供給される、請求項１から７の一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサーは、前記材料の外側に信号を放出するための手段を含み、前記デバイスはまた、前記材料の外部にあり、ＲＦおよび／または有線接続を通じて前記センサーに接続されるデータ処理デバイスも含む、請求項１から８の一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つのセンサーは、塩基性または酸性媒質中で安定である少なくとも１つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護される、請求項１から９の一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記センサーは、音響波を放出しかつ／または受け取ることを目的とする少なくとも１つの「感知」ゾーンを有し、前記永続的保護層は、少なくとも前記感知ゾーンが前記永続的保護層によって覆われないように前記センサーを部分的に覆う、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記保護ケーシングは、前記材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも１つの他の一時的保護層から形成される、請求項１０または１１の一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
少なくとも２つの相を含む所与の材料、特にセメント材料の多孔質部の分析のための方法であって、
− 請求項１から１１の一項に記載のデバイスの１つまたは複数のｃＭＵＴ容量性音響変換器による、少なくとも１つの所与の音響波の放出のステップであって、前記変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップと、
− 請求項１から１２の一項に記載のデバイスの少なくとも１つのｃＭＵＴ容量性音響変換器による、前記所与の音響波の前記放出のステップから生じる少なくとも１つの波の受け取りのステップであって、前記変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップとを含む方法。
【請求項１４】
測定より前にセンサーは、前記所与の材料が少なくとも部分的に液相であるときに前記所与の材料中に無作為に分配され、前記測定は、前記所与の材料の少なくとも部分的な固化の後に行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記センサーが、前記材料が少なくとも部分的に液体状態であるときに前記材料中に分配されるとき、１つまたは複数のセンサーは、少なくとも１つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護され、前記保護ケーシングは、前記所与の材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも１つの他の一時的保護層から形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１】
少なくとも２つの相を含み、そのうちの１つは流体相である所与の材料の微小多孔質部を分析するためのデバイスであって、前記所与の材料（Ｍ）に組み込まれる多重センサー（１００）を含み、
前記センサーは各々、１つまたは複数のｃＭＵＴ音響および容量性変換器を含む、デバイス。
【請求項２】
各センサーは、少なくとも１つの音響波レシーバーｃＭＵＴ変換器および前記所与の材料に組み込まれ、音響波を放出することを目的とする多重エミッターｃＭＵＴ変換器を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記エミッター変換器は、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの間または１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの間の周波数範囲の音響パルスを放出する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記変換器は、振動することを目的とする少なくとも１つの膜を含み、前記膜は、各々が１００μｍ未満の長さおよび幅を有する、請求項１から３の一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記変換器は、電場および／または音響波の影響下で振動することを目的とする少なくとも１つの膜を含み、前記膜は、ナノチューブおよび／またはナノワイヤーおよび／またはナノロッドの１つまたは複数の層から形成される、請求項１から４の一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記所与の材料に組み込まれる前記センサーの多重支持部もまた含み、前記センサーの各々は、少なくとも１つのセンサーによって生成される信号を処理するための少なくとも１つの電子回路（１０５）を含む支持部（１０１）上にある、請求項１から５の一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記センサーの前記支持部は各々、マトリクス状のセンサーおよび／または異なる種類のいくつかのセンサーを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記センサーは、統合された電源を含み、及び／または前記材料の外部の電源を通じて電力を供給される、請求項１から７の一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサーは、前記材料の外側に信号を放出するための手段を含み、前記デバイスはまた、前記材料の外部にあり、ＲＦおよび／または有線接続を通じて前記センサーに接続されるデータ処理デバイスも含む、請求項１から８の一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つのセンサーは、塩基性または酸性媒質中で安定である少なくとも１つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護される、請求項１から９の一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記センサーは、音響波を放出しかつ／または受け取ることを目的とする少なくとも１つの「感知」ゾーンを有し、前記永続的保護層は、少なくとも前記感知ゾーンが前記永続的保護層によって覆われないように前記センサーを部分的に覆う、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記保護ケーシングは、前記材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも１つの他の一時的保護層から形成される、請求項１０または１１の一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
少なくとも２つの相を含む所与の材料、特にセメント材料の多孔質部の分析のための方法であって、
− 請求項１から１１の一項に記載のデバイスの１つまたは複数のｃＭＵＴ容量性音響変換器による、少なくとも１つの所与の音響波の放出のステップであって、前記変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップと、
− 請求項１から１２の一項に記載のデバイスの少なくとも１つのｃＭＵＴ容量性音響変換器による、前記所与の音響波の前記放出のステップから生じる少なくとも１つの波の受け取りのステップであって、前記変換器は、前記所与の材料に組み込まれる、ステップとを含む方法。
【請求項１４】
測定より前にセンサーは、前記所与の材料が少なくとも部分的に液相であるときに前記所与の材料中に無作為に分配され、前記測定は、前記所与の材料の少なくとも部分的な固化の後に行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記センサーが、前記材料が少なくとも部分的に液体状態であるときに前記材料中に分配されるとき、１つまたは複数のセンサーは、少なくとも１つの永続的保護層から形成される保護ケーシングによって保護され、前記保護ケーシングは、前記所与の材料への組み込みの後に徐々に劣化することを目的とする少なくとも１つの他の一時的保護層から形成される、請求項１４に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５０９４７５（Ｐ２０１２−５０９４７５Ａ）
【公表日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３６８７９（Ｐ２０１１−５３６８７９）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６５５８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５７９９０
【国際公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【出願人】（５１１１１６１２２）
【出願人】（５１１１１６１３３）エコール・ナショナル・デ・ポン・ゼ・ショッセ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６５５８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５７９９０
【国際公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【出願人】（５１１１１６１２２）
【出願人】（５１１１１６１３３）エコール・ナショナル・デ・ポン・ゼ・ショッセ (2)
【Ｆターム（参考）】
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