特開 2024-79366 検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024079366

(43)【公開日】2024-06-11

(54)【発明の名称】検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20240604BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022192271

(22)【出願日】2022-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 朱音

(72)【発明者】

【氏名】坂下 武

(57)【要約】

【課題】検出感度の低下を抑制することが可能な検出装置を提供する。
【解決手段】検出装置は、気体内の物質を吸着する感応膜を有するセンサと、前記センサの温度を設定する温度設定素子と、前記温度設定素子により前記センサの温度を第１温度Ｔ１に設定させ、前記第１温度における前記センサが出力する第１信号が所定条件のとき、前記第１信号に基づき前記気体に関する情報を導出し、前記第１信号が前記所定条件以外のとき、前記温度設定素子により前記センサの温度を前記第１温度と異なる第２温度Ｔ２に設定させ、前記第２温度における前記センサが出力する第２信号に基づき前記気体に関する情報を導出する処理部と、を備える。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体内の物質を吸着する感応膜を有するセンサと、
前記センサの温度を設定する温度設定素子と、
前記温度設定素子により前記センサの温度を第１温度に設定させ、前記第１温度における前記センサが出力する第１信号が所定条件のとき、前記第１信号に基づき前記気体に関する情報を導出し、
前記第１信号が前記所定条件以外のとき、前記温度設定素子により前記センサの温度を前記第１温度と異なる第２温度に設定させ、前記第２温度における前記センサが出力する第２信号に基づき前記気体に関する情報を導出する処理部と、
を備える検出装置。

【請求項2】

前記第２温度は前記第１温度より低い請求項１に記載の検出装置。

【請求項3】

前記感応膜はチャンバ内に設けられ、
前記処理部は、基準となる第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記センサの温度が前記第１温度である状態において、前記センサが出力する第１基準信号を測定し、前記センサの温度が前記第１温度であるとき測定対象である第２気体を前記チャンバに導入してから第１期間経過後に、前記第１信号を測定し、
前記所定条件は、前記第１基準信号と前記第１信号との差が所定値以上である請求項２に記載の検出装置。

【請求項4】

前記処理部は、前記第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記センサの温度が前記第２温度である状態において、前記センサが出力する第２基準信号を測定し、前記センサの温度が前記第２温度において前記第２気体を前記チャンバに導入してから第２期間経過後に、前記第２信号を測定する請求項３に記載の検出装置。

【請求項5】

前記第２期間は前記第１期間より長い請求項４に記載の検出装置。

【請求項6】

前記センサは複数設けられ、
前記感応膜はチャンバ内に設けられ、
前記処理部は、基準となる第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記複数のセンサの温度が前記第１温度である状態において、前記複数のセンサがそれぞれ出力する複数の第１基準信号を測定し、前記複数のセンサの温度が前記第１温度において測定対象である第２気体を前記チャンバに導入してから第１期間経過後に、前記複数のセンサがそれぞれ出力する複数の前記第１信号を測定し、
前記所定条件は、前記第１基準信号と前記複数の第１信号とのそれぞれの差である複数の差の内すべてが第１所定値以上かつ前記第１所定値より小さい第２所定値以下である請求項２に記載の検出装置。

【請求項7】

前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの感応膜の材料を、他のセンサの感応膜の材料と異なる請求項６に記載の検出装置。

【請求項8】

上面に前記センサを搭載する基板を備え、
前記温度設定素子は、前記基板の下面に接合する請求項１から７のいずれか一項に記載の検出装置。

【請求項9】

前記感応膜はチャンバ内に設けられ、
前記基板の上面と前記チャンバとで、前記気体が充満する空間を形成する請求項８に記載の検出装置。

【請求項10】

前記基板および前記チャンバの下に設けられ、前記センサと着脱可能なピンを介し電気的に接続され、平面視において前記基板と重なる領域に開口を有する回路基板と、
前記開口内に設けられ、前記温度設定素子の上面と前記基板の下面とを熱的に接触させる熱伝導体と、
を備える請求項９に記載の検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検出装置に関し、例えば感応膜を有する検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

気体等の流体中の物質を検出するセンサとして、感応膜を有するセンサが知られている。センサである圧電振動子の温度を制御することが知られている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１５６６９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

感応膜を有するセンサにおいて、流体中の物質の検出感度が低くなることがある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、検出感度の低下を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、気体内の物質を吸着する感応膜を有するセンサと、前記センサの温度を設定する温度設定素子と、前記温度設定素子により前記センサの温度を第１温度に設定させ、前記第１温度における前記センサが出力する第１信号が所定条件のとき、前記第１信号に基づき前記気体に関する情報を導出し、前記第１信号が前記所定条件以外のとき、前記温度設定素子により前記センサの温度を前記第１温度と異なる第２温度に設定させ、前記第２温度における前記センサが出力する第２信号に基づき前記気体に関する情報を導出する処理部と、を備える検出装置である。

【0007】

上記構成において、前記第２温度は前記第１温度より低い構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記感応膜はチャンバ内に設けられ、前記処理部は、基準となる第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記センサの温度が前記第１温度である状態において、前記センサが出力する第１基準信号を測定し、前記センサの温度が前記第１温度であるとき測定対象である第２気体を前記チャンバに導入してから第１期間経過後に、前記第１信号を測定し、前記所定条件は、前記第１基準信号と前記第１信号との差が所定値以上である構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記処理部は、前記第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記センサの温度が前記第２温度である状態において、前記センサが出力する第２基準信号を測定し、前記センサの温度が前記第２温度において前記第２気体を前記チャンバに導入してから第２期間経過後に、前記第２信号を測定する構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記第２期間は前記第１期間より長い構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記センサは複数設けられ、前記感応膜はチャンバ内に設けられ、前記処理部は、基準となる第１気体が前記チャンバ内に導入されかつ前記複数のセンサの温度が前記第１温度である状態において、前記複数のセンサがそれぞれ出力する複数の第１基準信号を測定し、前記複数のセンサの温度が前記第１温度において測定対象である第２気体を前記チャンバに導入してから第１期間経過後に、前記複数のセンサがそれぞれ出力する複数の前記第１信号を測定し、前記所定条件は、前記第１基準信号と前記複数の第１信号とのそれぞれの差である複数の差の内すべてが第１所定値以上かつ前記第１所定値より小さい第２所定値以下である構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの感応膜の材料を、他のセンサの感応膜の材料と異なる構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、上面に前記センサを搭載する基板を備え、前記温度設定素子は、前記基板の下面に接合する構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記感応膜はチャンバ内に設けられ、前記基板の上面と前記チャンバとで、前記気体が充満する空間を形成する構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記基板および前記チャンバの下に設けられ、前記センサと着脱可能なピンを介し電気的に接続され、平面視において前記基板と重なる領域に開口を有する回路基板と、前記開口内に設けられ、前記温度設定素子の上面と前記基板の下面とを熱的に接触させる熱伝導体と、を備える構成とすることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、検出感度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、実施例１における検出装置の断面図である。

【図2】図２は、実施例１におけるセンサの例を説明する断面図である。

【図3】図３は、チャンバ内の温度に対するΔｆを示す図である。

【図4】図４は、実施例１における検出装置のブロック図である。

【図5】図５は、実施例１における処理部のフローチャートである。

【図6】図６は、図５におけるステップＳ１２およびＳ２０のフローチャートである。

【図7】図７は、実施例１における時間に対する、ポンプのオン／オフ、｜Δｆ｜および温度を示す図である。

【図8】図８は、実施例２における検出装置のブロック図である。

【図9】図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例２おける時間に対する｜Δｆ｜の例を示す図である。

【図10】図１０は、実施例２おける時間に対する｜Δｆ｜の例を示す図である。

【図11】図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例３に係る検出装置の断面図である。

【図12】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例３に係る検出装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0019】

気体中のにおいの原因となる特定の物質を優先的に検出するセンサとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）を例にして説明する。以下、「特定の物質Ａを優先的に検出する、または吸着する。」「特定物質の検出」とは、以下のように定義する。例えば、においの元となる特定の物質を吸着または検出する感応膜は、特定の物質Ａ以外に、物質ＢおよびＣ等を吸着していると考えられる。感応膜には、物質ＢおよびＣに比べ物質Ａが吸着されやすい。このような場合、感応膜には、物質ＢおよびＣ等に対し、物質Ａが優先的に吸着または検出されている。また、特定の物質Ａを優先的に吸着する感応膜では、吸着された物質の全体量に対する物質Ａの割合が最も多い。

【0020】

図１は、実施例１における検出装置の断面図である。検出装置は、センサ１０が設けられた流路またはセンサ空間である空間２３を備える。空間２３は、基板２５の上面を内壁とし、基板２５が取りつけられたチャンバ２０の内壁とともに構成され、気体を収納する空間を形成する。さらに、チャンバ２０には、気体を取り込む導入路２１と、気体を排出する排出路２４とを有する。基板２５は、例えばプリント基板などの回路基板である。センサ１０は基板２５の上面に搭載されている。センサ１０は、空間２３内に設けられており、この空間２３内の気体の特定の物質を検出する。例えば導入路２１に設けられたポンプにより、導入路２１から特定の物質を含む気体が空間２３に取り込まれ、センサ１０に供給される。

【0021】

ここでは、センサ１０に供給された気体は、図１の紙面の左側の導入路２１から導入され右方向に流れ、紙面の右側の排出路２４から排出される。基板２５の下面に熱伝導体３１を介し温度設定素子３０が設けられている。温度設定素子３０は、例えばペルチェ素子である。温度設定素子３０は、加熱と冷却の機能を有し、センサ１０の温度を所望の温度に設定する。温度設定素子３０は、ペルチェ素子以外に例えばヒータ等の加熱装置でもよいし、冷却装置でもよい。センサ１０が設けられた基板２５の下面を、熱伝導体３１を介して温度設定素子３０に接触させることで、センサ１０の温度を設定することができる。熱伝導体３１を設けず、基板２５の下面に温度設定素子３０を直接接触させてもよいが、熱伝導体３１を設けた方がよい。熱伝導体３１は、例えばゲル状であり、基板２５の表面との密着性が高く、基板２５より熱伝導率が高い材料である。

【0022】

図２は、実施例１に採用したＦＢＡＲセンサの断面図である。センサ１０は、共振器１５および感応膜１６を備えている。共振器１５では、基板１１上に空隙１３を介して下部電極１４ａが設けられ、下部電極１４ａ上に圧電層１２が設けられ、さらに圧電層１２上に上部電極１４ｂが設けられている。空隙１３はキャビティである。圧電層１２を挟み、下部電極１４ａと上部電極１４ｂとが重なる領域は弾性波が振動する共振領域１７である。平面視において共振領域１７は空隙１３と重なる。平面視において共振領域１７内の上部電極１４ｂ上に感応膜１６が設けられている。感応膜１６は、気体内の特定の物質を吸着させる。特定の物質が感応膜１６に吸着されると、感応膜１６の質量が増加する。これにより、共振器１５の共振周波数が低くなり、発振回路２６の発振周波数が低くなる。測定器２８は、この発振回路２６の発振周波数を測定する。

【0023】

基板１１は、例えばシリコン基板、サファイア基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板である。下部電極１４ａおよび上部電極１４ｂは、例えばルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの膜から複数の種類を選択した積層膜である。圧電層１２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）膜、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）膜またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）膜である。

【0024】

感応膜１６の材料は、例えば高分子材料、多孔質材料または有機金属化合物である。高分子材料としては、例えばセルロース、フッ素系ポリマー、ポリエチレンイミン、エステル系ポリマー、アクリル系ポリマー、ポリスチレン、ポリブタジエン、シクロオレフィンポリマー等であり、高分子材料は特定の物質が結合しやすい官能基を有している。多孔質材料は、例えばゼオライト、ＵｉＯ－６６またはＺＩＦ－８等のＭＯＦ（Metal Organic Flamework）である。有機金属化合物は、例えば金属フタロシアニンまたは金属ポルフィリンである。有機金属化合物の金属は、例えば銅、ニッケル、コバルトまたは亜鉛である。

【0025】

共振器１５としては、ＦＢＡＲ以外にＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）またはＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振器でもよい。共振器１５は、水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）でもよい。検出する気体内の物質としては、例えばエタノール、アセトンもしくはトルエン等の有機化合物、または、アンモニア、窒素酸化物、オゾンもしくは塩素等の無機物質である。また、導入される気体は、例えばにおいの元となる色々な成分（特定の物質）を有し、その中の特定の物質として例えば前述した物質が含まれている。例えば、エタノールおよびエタノール以外のガスを含む気体を用意し、その中からエタノールを検出する。

【0026】

以下、発明者が行った実験の結果を示す。チャンバ２０内の温度と発振周波数の変動量との関係を調べた。共振器１５は、ＦＢＡＲである。下部電極１４ａは、基板１１側から厚さが７０ｎｍのクロム膜および厚さが１６６ｎｍのルテニウム膜である。圧電層１２は厚さが９９６ｎｍの（００２）方向に配向する窒化アルミニウム膜である。上部電極１４ｂは、圧電層１２側から厚さが１６６ｎｍのルテニウム膜および厚さが５５ｎｍのクロム膜である。感応膜１６は、厚さが８０ｎｍのポリマー系の樹脂である。共振器１５の共振周波数は約２．４ＧＨｚである。

【0027】

チャンバ２０内の温度を一定にし、検出する気体としてエタノールの濃度が９０ｐｐｍの空気を１０分間チャンバ２０内に導入した後の、発振周波数の変動量Δｆを測定した。気体内の特定の物質の分子（ここではエタノール）が、感応膜１６に吸着されるにつれ、時間経過とともに、徐々に変動量Δｆの変化が小さくなっていく。変動量Δｆを測定する時点は、この変動量Δｆの変化が安定化し、一定となる時点である。以降、この変動量Δｆを測定する時点を、単に「安定化」したときまたは時点と呼ぶ。

【0028】

図３は、センサの温度を４つの温度に設定し、各温度において、測定対象の気体を導入する前と導入した後の変動量Δｆを算出してグラフにしたものである。なお、各測定において温度以外は同じ条件である。

【0029】

式で表せば、測定対象となる気体が感応膜１６に触れる前の基準となる発振周波数をｆ０とし、測定対象の気体が感応膜１６に触れた後の発振周波数をｆとしたとき、Δｆ＝ｆ０－ｆである。図３は、チャンバ内の温度を横軸に設定したとき、Δｆを縦軸に示す図である。Δｆがマイナスの符号のときは、検出する気体を導入した後に発振周波数が低くなっていることを示している。ドットは測定点を示し、直線は近似直線を示している。

【0030】

チャンバ２０内の温度を一定とし、上記のように安定化した時点においてΔｆを測定した場合、感応膜１６には、気体内の特定の物質の分子が吸着と脱離を繰り返しており、吸着量と脱着量が平衡状態となって、感応膜１６の質量は一定となる。このため、Δｆは一定となる。本実験によれば、チャンバ２０内の温度が低いときΔｆの絶対値は大きい。これは、温度が低いときには、気体中の特定の物質（例えばエタノール）の分子が感応膜１６に吸着する量が増えた状態で、平衡状態となるためと考えられる。一方、チャンバ２０内の温度が高いときΔｆの絶対値は小さい。これは、温度が高くなると、気体中の分子が感応膜１６に吸着する量が減った状態で、平衡状態となるためと考えられる。

【0031】

このように、感応膜１６の温度が低くなると、Δｆの絶対値が大きくなり、センサ１０の検出感度が向上する。一方、温度が低くなると、感応膜１６への物質の分子の吸着速度が遅くなり、安定化するまでの時間が長くなる。一方、感応膜１６の温度が高くなると、感応膜１６への物質の分子の吸着速度が速くなり、安定化するまでの時間が短くなる。

【0032】

センサ１０の検出精度を向上させるために、安定化した時点でのセンサ１０の測定値を用いることが好ましい。安定化する前にセンサ１０の測定値を取得すると、センサ１０の検出精度が悪化する。一方、安定化したあとに、センサ１０の測定値を取得すると、検出精度は向上するが測定時間が長くなるという問題がある。

【0033】

このように、感応膜１６の温度が低いと、センサ１０の検出感度は高いが、センサ１０が特定の物質を検出する時間が長くなる。感応膜１６の温度が高いと、センサ１０が特定の物質を検出する時間は短いが、検出感度は低くなる。上記説明した通り、このような現象は、温度を変えたときの、分子の感応膜１６への吸着および脱離のメカニズムに起因するものである。一般には、温度が高くなると分子の感応膜１６への吸着および脱離は促進される。よって、上記現象は、感応膜１６の材料および検出する物質の種類によらず、生じる現象と言える。

【0034】

実施例１では、このような現象に基づき、センサ１０の温度を第１温度に設定し、第１温度におけるセンサが出力する第１信号が所定条件のとき、第１信号に基づき気体に関する情報を導出する。第１信号が所定条件以外のとき、センサ１０の温度を第１温度と異なる第２温度に設定し、第２温度におけるセンサが出力する第２信号に基づき気体に関する情報を導出する。これにより、センサ１０の検出感度が低い場合には、センサ１０を適切な検出感度とすることができる。または、センサ１０の安定化までの時間が長い場合に、時定数の小さな応答で気体中の物質を検出することができる。詳細を以下に説明する。

【0035】

図４は、実施例１における検出装置のブロック図である。チャンバ２０内に、センサ１０および温度センサ１８が設けられている。センサ１０および温度センサ１８は、基板２５上に搭載されている。チャンバ２０には、導入路２１ａおよび２１ｂより気体５０ａおよび５０ｂが導入され、排出路２４より、チャンバ２０内を通過した気体５２が排出される。導入路２１ａおよび２１ｂにポンプ２２ａおよび２２ｂがそれぞれ設けられている。ポンプ２２ａを駆動することで、基準となる気体５０ａがチャンバ２０内に導入される。そのため、ポンプ２２ａの前または後ろにフィルタが取り付けられている。

【0036】

この基準の気体５０ａは、水分およびにおい成分（特定の物質の分子）が除去されている。外部の気体を、フィルタを通過させることにより、水分およびにおい成分が除去され、気体５０ａはクリーンな空気かつドライな空気となる。ポンプ２２ｂを駆動することで、測定対象となる気体５０ｂがチャンバ２０内に導入される。気体５０ｂは、例えば、におい成分を含む空気である。

【0037】

処理部３２は、例えばプロセッサである。処理部３２には、ソフトウエアが組み込まれている。処理部３２は、ソフトウエアと協働し、演算または推測により気体５０ｂに関する情報を導出する。気体５０ｂに関する情報は、例えば、気体５０ｂ内の特定の物質の濃度の情報、または、気体５０ｂに、どのようなにおい成分が含まれているのかという情報である。また、処理部３２は、温度センサ１８の出力信号に基づき、温度設定素子３０が設定する温度等を制御する制御部として機能する。処理部３２の少なくとも一部は専用回路等のハードウエアにより形成されていてもよい。処理部３２は、測定器２８の測定結果および温度センサ１８の検出した温度に基づき、温度設定素子３０およびポンプ２２ａおよび２２ｂを制御する。メモリ３４は、例えば揮発性メモリまたは不揮発性メモリであり、データおよびプログラムなどを記憶する。

【0038】

図５は、実施例１における処理部のメインのフローを示すフローチャートである。図６は、このメインのフローにおける測定処理のフローのフローチャートである。ここでは、図６のフローは、図５の測定ステップＳ１２およびＳ２０のときに実施される。

【0039】

図７は、横軸を時間に設定している。１番上のグラフは、ポンプ２２ａおよび２２ｂのオン／オフ駆動を示している。上から２番目のグラフは、｜Δｆ｜の変動を示している。上から３番目のグラフは、センサ１０の温度を示している。なお、｜Δｆ｜は、Δｆの絶対値を示している。｜Δｆ｜は、各温度における基準となる発振周波数ｆ０を仮定したときの｜ｆ－ｆ０｜である。

【0040】

センサ１０の温度は、温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３に設定される。温度Ｔ１は、室温よりやや高い温度であり、例えば４０℃である。温度Ｔ２は、室温より低い温度であり、例えば５℃～１５℃である。温度Ｔ３は温度Ｔ１より高い温度であり、例えば７０℃である。このように、加熱と冷却の両方を、１つの素子で可能な温度設定素子３０として、ペルチェ素子を用いることができる。

【0041】

図７において、時刻ｔ１～ｔ２の期間Ｐ１は、通常感度モードの測定を行う期間であり、時刻ｔ５～ｔ６の期間Ｐ２は、高感度モードの測定を行う期間である。この２つのモードの切り分けは、以下のように行われる。通常感度モードにおいて測定される｜Δｆ｜に対し目標値Δｆｔｈが設定され、センサ１０により測定された｜Δｆ｜が目標値Δｆｔｈを越えたか否かを判定する。｜Δｆ｜がΔｆｔｈを越えた場合、導入された気体５０ｂ内の検出する物質が感応膜１６に十分に吸着している。このため通常感度モードで気体５０ｂ内の物質を解析できると判定する。この場合、点線で示す曲線Ｓ１のように、時刻ｔ１～ｔ２の間において気体５０ｂ内の物質を測定し、時刻ｔ３において終了する。

【0042】

また、センサ１０で測定された｜Δｆ｜が目標値Δｆｔｈよりも低いと判定された場合、高感度な測定を行う。この場合には、ポンプ２０ａをオンし、空間２３に基準となる気体５０ａ（すなわち、リフレッシュガス）を導入しつつ、センサ１０を温度Ｔ３まで加熱して、感応膜１６に吸着したガスを脱離させてリフレッシュする。その後、センサ１０を温度Ｔ２まで低下させ、センサ１０の感度を高くして、ポンプ２２ｂをオンし、空間２３に測定対象の気体５０ｂを導入し、時刻ｔ５から再度測定を開始する。

【0043】

このように、センサ１０の感度が高いと判定された場合は、そのまま気体５０ｂに関する情報を導出して終了する。センサ１０の感度が低いと判断された場合には、センサ１０を高温としつつ、ポンプ２２ａをオンし、気体５０ａをセンサ１０に供給して感応膜１６をリフレッシュする。その後、センサ１０の感度を高くするため、センサ１０の温度Ｔ２を低温にして、再度測定を開始する。

【0044】

こうして、センサ１０の感応膜１６への吸着量が少ない検出物質を含む気体５０ｂが空間２３に導入された場合、または、気体５０ｂ内の検出物質の濃度が低い場合に、センサ１０を低温とし、センサ１０の感度を高めて測定が可能となる。さらに、感応膜１６に吸着された物質をリフレッシュし、再度測定を行うため、感応膜１６に吸着していたノイズ源となる物質を除去できる。このため、センサ１０を高感度化でき、センサ１０の長期使用が可能となる。

【0045】

なお、センサ１０の感度が低いことが、感応膜１６にノイズ源となる物質が結合してしまい、感応膜１６の劣化に起因する場合がある。このように、感応膜１６に恒久的に物質が結合してしまうと、測定前から感応膜１６の質量が増加する。また、感応膜１６における吸着サイトの数が減るため、同じ濃度の検出物質を含む気体５０ｂを供給しても、同じ感度が得られなくなる。このように、センサ１０の感度が低下し、１回以上のリフレッシュをしても、｜Δｆ｜が目標値Δｆｔｈに到達しない場合は、センサ１０の交換時期と判断し、処理部３２から交換の指示を発出してもよい。なお、この指示は、ディスプレイに表示されてもよい。

【0046】

続いて、図５から図７を参照し、処理部３２の具体的な処理について説明する。

【0047】

図５のように動作が開始されると、ステップＳ１０の「Ｔ１に設定」に移行する。ステップＳ１０において、処理部３２は、温度設定素子３０にセンサ１０を温度Ｔ１に設定させる。図７の時刻ｔ０では既にセンサ１０の温度は、温度設定素子３０により温度Ｔ１（例えば４０℃）に設定されている。

【0048】

時刻ｔ０～ｔ１において、処理部３２は、温度Ｔ１を維持した状態において、ポンプ２２ａをオンとし、空間２３にリフレッシュガスとなる気体５０ａを導入する。空間２３に気体５０ａが導入され、温度Ｔ１においてセンサ１０の感応膜１６はリフレッシュされている。

【0049】

まず、通常感度モードについて説明する。時刻ｔ１において、ステップＳ１２の通常感度モードの測定処理に移行する。測定処理では、図６のように、ステップＳ３０において、処理部３２は、ポンプ２２ａをオンし、空間２３に基準となる気体５０ａを導入する。すでに、空間２３に気体５０ａを導入している場合には、ステップＳ３０は行わなくてもよい。続いて、ステップＳ３２において、処理部３２は、測定器２８から基準となる発振周波数ｆ０を取得する。

【0050】

ステップＳ３４において、処理部３２は、ポンプ２２ａをオフし、ポンプ２２ｂをオンし、空間２３に測定対象となる気体５０ｂを導入する。続いて、ステップＳ３６において、時刻ｔ１から期間Ｐ１経過後の時刻ｔ２において、処理部３２は、測定器２８から発振周波数ｆを取得する。続いて、ステップＳ３８において、処理部３２は、｜Δｆ｜＝｜ｆ－ｆ０｜を算出する。その後、測定処理を終了し図５に戻る。

【0051】

図７において、センサ１０の感度が低くない場合は、期間Ｐ１において、処理部３２が導出した｜Δf｜は、点線の曲線Ｓ１のように、時間とともに大きくなり、目標値Δｆｔｈを越える。

【0052】

図５のステップＳ１４の判定のステップにおいて、処理部３２は、｜Δｆ｜は所定の範囲か判定する。｜Δｆ｜が目標値Δｆｔｈを越えるとき、処理部３２は、｜Δｆ｜は所定範囲であると判定し、Ｙｅｓの矢印のように、ステップＳ２２へ移行する。

【0053】

ステップＳ２２は、算出のステップである。ステップＳ２２において、処理部３２は、｜Δｆ｜の値から、気体５０ｂに関する情報を算出する。ステップＳ２２が終了すると、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４において、処理部３２は、ポンプ２２ａをオンし、センサ１０を温度Ｔ３に設定する。感応膜１６が温度Ｔ３の高温下でリフレッシュされる。その後、温度Ｔ１に戻り、時刻ｔ３において終了する。

【0054】

次に、高感度モードの場合について説明する。図７において、センサ１０の感度が低い場合は、実線の曲線Ｓ２のように、期間Ｐ１において、｜Δf｜の上昇は小さく、時刻ｔ２においても目標値Δｆｔｈを越えない。このとき、図５のステップＳ１４において、処理部３２は、｜Δｆ｜が所定範囲でないと判定する。Ｎｏの矢印のように、時刻ｔ２において、ステップＳ１６に移行する。

【0055】

ステップＳ１６において、処理部３２は、ポンプ２２ａをオンし、センサ１０を温度Ｔ３に設定する。時刻ｔ３までの所定期間、センサ１０は温度Ｔ３に維持され、空間２３に気体５０ａが導入される。感応膜１６は、高温の温度Ｔ３においてリフレッシュガスの気体５０ａに曝される。このため、感応膜１６に吸着された物質は、ほとんど脱離され、感応膜１６はリフレッシュされる。

【0056】

続いて、時刻ｔ４において、ステップＳ１８に移行する。ステップＳ１８において、処理部３２は、センサ１０を低い温度Ｔ２に設定する。処理部３２は、時刻ｔ４～ｔ５の間、センサ１０を温度Ｔ２に設定し、空間２３に気体５０ａを導入する。この時刻ｔ４～ｔ５では、｜Δｆ｜がほぼゼロである。

【0057】

続いて、時刻ｔ５において、ステップＳ２０の高感度モードの測定処理に移行する。測定処理では、図６のように、ステップＳ３０において、処理部３２は、空間２３に基準となる気体５０ａを導入する。続いて、ステップＳ３２において、処理部３２は、測定器２８から基準となる発振周波数ｆ０を取得する。ステップＳ３４において、処理部３２は、空間２３に測定対象となる気体５０ｂを導入する。続いて、時刻ｔ５から期間Ｐ２経過後の時刻ｔ６において、ステップＳ３６として、処理部３２は、測定器２８から発振周波数ｆを取得する。続いて、ステップＳ３８において、処理部３２は、｜Δｆ｜＝｜ｆ－ｆ０｜を算出する。その後、測定処理を終了し図５に戻る。

【0058】

図７において、センサ１０の温度がＴ２のとき、センサ１０の感度が高くなる。このため、実線の曲線Ｓ２のように、期間Ｐ２において、｜Δf｜は時間とともに大きくなる。

【0059】

続いて、図５のステップＳ２２において、処理部３２は、｜Δｆ｜の値から、気体５０に関する情報を算出する。ステップＳ２２が終了すると、時刻ｔ６においてステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４において、処理部３２は、感応膜１６をリフレッシュし、時刻ｔ７において終了する。

【0060】

図７の期間Ｐ１における曲線Ｓ１では、｜Δｆ｜が大きくなる。これは、感応膜１６に気体中の特定物質の分子が吸着していることを示している。一方、曲線Ｓ２では、｜Δｆ｜が多少大きくなるものの｜Δｆ｜は曲線Ｓ１に比べて小さい。これは、感応膜１６に気体中の特定物質の分子が吸着しているものの、吸着する分子の量が小さいことを示している。

【0061】

図５のステップＳ１２および図６のステップＳ３２のように、処理部３２は、基準となる気体５０ａ（第１気体）がチャンバ２０内に導入されかつセンサ１０の温度が温度Ｔ１（第１温度）である状態において、センサ１０が出力する発振周波数ｆ０（第１基準信号）を測定する。ステップＳ３６のように、温度Ｔ１において測定対象である気体５０ｂ（第２気体）をチャンバ２０に導入してから期間Ｐ１（第１期間）経過後に、センサ１０の発振周波数ｆ（第１信号）を測定する。図５のステップＳ１４において、処理部３２は、発振周波数ｆ０とｆとの差｜Δｆ｜がΔｆｔｈ（所定値）以上のとき、Ｙｅｓと判定する。これにより、温度Ｔ１において、センサ１０の感度が高いときには、ステップＳ２２において、処理部３２は、気体に関する情報を算出できる。

【0062】

ステップＳ１４において、Ｎｏのとき、図５のステップＳ２０および図６のステップＳ３２のように、処理部３２は、気体５０ａがチャンバ２０内に導入されかつセンサ１０の温度が温度Ｔ１より低い温度Ｔ２である状態において、センサ１０が出力する発振周波数ｆ０（第２基準信号）を測定する。ステップＳ３６のように、処理部３２は、温度Ｔ２において気体５０ｂをチャンバ２０に導入してから期間Ｐ２（第２期間）経過後に、センサ１０の発振周波数ｆを測定する。このように、温度Ｔ１において、センサ１０の感度が低いときには、センサ１０の温度を温度Ｔ２に設定することでセンサ１０の感度を高くして、ステップＳ２２において、処理部３２は、気体に関する情報を算出できる。

【0063】

温度Ｔ２が温度Ｔ１より低いとき、期間Ｐ２は期間Ｐ１より長くなる。よって、最初からセンサ１０の温度が低い温度Ｔ２として、気体の測定を行うと、測定時間が長くなる。実施例１では、最初は、高い温度Ｔ１において、気体の測定を行い、センサ１０の感度が十分でないときに、温度Ｔ２において、気体の測定を行う。これにより、気体の測定時間を短縮できる。

【0064】

温度Ｔ１は、室温よりやや高い温度であり、例えば３０℃以上かつ５０℃以下であり、３５℃以上かつ４５℃以下である。温度Ｔ２におけるセンサ１０の感度を向上させる観点から、温度Ｔ２は、温度Ｔ１より５℃以上低いことが好ましく、１０℃以上低いことがより好ましい。また、温度Ｔ２は０℃以上かつ１５℃以下が好ましい。温度Ｔ３は、感応膜１６をリフレッシュする観点から７０℃以上かつ８０℃以下が好ましい。温度Ｔ１において、測定時間を短縮させる観点から、期間Ｐ２は期間Ｐ１の２倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましい。期間Ｐ２が長すぎると測定時間が長くなってしまう。この観点から期間Ｐ１は期間Ｐ２の５０倍以下が好ましい。

【0065】

図５から図７では、温度Ｔ２が温度Ｔ１より低い例を説明したが、温度Ｔ２は温度Ｔ１より高くてもよい。例えば、｜Δｆ｜が大きすぎると、気体に関する情報の算出精度が低くなる場合がある。このような場合に、通常、特定の物質の濃度が比較的低い気体の測定を行っている。温度Ｔ１はセンサ１０の感度を高くするように低い温度とする。ステップＳ１４において、処理部３２は、｜Δｆ｜がΔｆｔｈ以下のときＹｅｓと判定し、Δｆｔｈより大きいときＮｏと判定する。｜Δｆ｜がΔｆｔｈ以下のときには、センサ１０の感度が高く、特定の物質の濃度が低くても気体に関する情報の算出精度を高くすることができる。｜Δｆ｜がΔｆｔｈより大きいときには、センサ１０の感度が高すぎて、特定の物質の濃度が高い場合に気体に関する情報の算出精度が低下する。そこで、ステップＳ１８において、センサ１０の温度を温度Ｔ２とし、センサ１０の感度を低くする。これにより、気体に関する情報の算出精度を向上させることができる。

【実施例0066】

実施例２は、チャンバ２０内に複数のセンサ１０ａ～１０ｄを設ける例である。図８は、この実施例２における検出装置のブロック図である。図８に示すように、チャンバ２０内に、感応膜が異なる複数のセンサ１０ａ～１０ｄが設けられている。センサ１０ａ～１０ｄは、例えば４個設けられている。なお、センサ１０ａ～１０ｄの個数は任意に設定できる。複数の発振回路２６は、それぞれ複数のセンサ１０に接続され、発振周波数の信号を出力する。測定器２８は、複数の発振回路２６の発振周波数を測定する。温度設定素子３０は、例えばペルチェ素子であり、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの温度を、加熱または冷却して、所望の温度に設定する。センサ１０ａ～１０ｄは例えばほぼ同じ温度である。その他の構成は実施例１の図４と同じであり説明を省略する。

【0067】

実施例２における処理部３２の処理は、図６において、ステップＳ３２における基準となる発振周波数ｆ０の測定を複数のセンサ１０ａ～１０ｄごとに行う。ステップＳ３６における発振周波数ｆの測定を複数のセンサ１０ａ～１０ｄごとに行う。ステップＳ３８における｜Δｆ｜の算出を複数のセンサ１０ａ～１０ｄごとに行う。図５のステップＳ２２における気体に関する情報の算出を、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜を用いて行う。これにより、気体に関する情報を精度よく算出できる。特に、複数のセンサ１０ａ～１０ｄのうち少なくとも１つのセンサ１０の感応膜１６の材料を、他のセンサ１０ａ～１０ｄの感応膜１６の材料と異ならせる。感応膜１６の材料を異ならせることで、処理部３２は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜に基づき、気体に関する情報をそのセンサ１０ａ～１０ｄごとに算出できるため、気体に関する情報を精度よく算出できる。

【0068】

実施例２における図５のステップＳ１４の判定について説明する。図９（ａ）から図１０は、実施例２における時間に対する｜Δｆ｜の例を示す図である。この例では、閾値Δｆｔｈ２はΔｆｔｈ１より小さい。ステップＳ１４においてＹｅｓと判定する条件は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄのうちすべてのセンサ１０ａ～１０ｄにおいて、｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１以上またはΔｆｔｈ２以下であること、である。すなわち、少なくとも１つのセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１より小さくかつΔｆｔｈ２より大きいとき、処理部３２はＮｏと判定する。なお、Δｆｔｈ１およびΔｆｔｈ２は、全てのセンサ１０ａ～１０ｄに共通の値でもよいし、センサ１０ａ～１０ｄごとに異なる値でもよい。Δｆｔｈ１は、｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１より小さいときセンサ１０ａ～１０ｄの感度が低いと判定されるように、予め設定する。例えば、通常感度モードにおけるステップＳ３２の測定時に、ノイズレベルを測定しておく。このノイズレベルのうち、最大のノイズレベルの２０倍の値を、Δｆｔｈ１と設定することができる。Δｆｔｈ２は、｜Δｆ｜がΔｆｔｈ２より小さいときノイズレベルと判定されるように設定する。以降、Δｆｔｈ２はノイズレベルの閾値として説明する。あるいは、例えば通常感度モードにおけるステップＳ３２の測定における最大のノイズレベルの２倍の値を、Δｆｔｈ２と設定することもできる。

【0069】

図９（ａ）で示すセンサ１０ａ～１０ｄの感応膜１６は互いに異なっており、気体中の特定の物質の種類に依存し、感度が異なる。このため、期間Ｐ１におけるセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜の値が異なる。図９（ａ）の例では、時刻ｔ２におけるセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜は、全てΔｆｔｈ１以上である。この状態では、センサ１０ａ～１０ｄはいずれも特定の物質を検出する感度が良好である。このため、図５のステップＳ１４において、処理部３２はＹｅｓと判定する。ステップＳ２２において、処理部３２は、センサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜に基づき、気体に関する情報を算出する。

【0070】

図９（ｂ）の例では、時刻ｔ２におけるセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜は、全てΔｆｔｈ２以下である。この状態では、センサ１０ａ～１０ｄの出力はいずれもノイズレベルである。このため、図５のステップＳ１４において、処理部３２はＹｅｓと判定し、ステップＳ２２において、処理部３２は、センサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜に基づき、気体に関する情報として、例えば特定の物質は検出されないと判断する。

【0071】

図９（ｃ）の例では、時刻ｔ２におけるセンサ１０ａ～１０ｃの｜Δｆ｜は、Δｆｔｈ１以上であり、センサ１０ｄの｜Δｆ｜はΔｆｔｈ２以下である。この状態では、センサ１０ａ～１０ｃでは特定の物質を検出する感度が良好である。センサ１０ｄの出力はノイズレベルである。このため、図５のステップＳ１４において、処理部３２はＹｅｓと判定し、ステップＳ２２において、処理部３２は、センサ１０ａ～１０ｃの｜Δｆ｜に基づき、気体に関する情報を算出する。

【0072】

図１０の例では、時刻ｔ２におけるセンサ１０ａおよび１０ｂの｜Δｆ｜はΔｆｔｈ１以上であり、センサ１０ｃの｜Δｆ｜はΔｆｔｈ１より小さくΔｆｔｈ２より大きく、センサ１０ｄの｜Δｆ｜はΔｆｔｈ２以下である。少なくとも１つのセンサ１０ｃの｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１より小さくかつΔｆｔｈ２より大きい。このため、図５のステップＳ１４において、処理部３２はＮｏと判定する。

【0073】

センサ１０ａ～１０ｄを温度Ｔ２に設定した後の期間Ｐ２では、センサ１０ａ～１０ｄの感度が高くなる。これにより、センサ１０ａ～１０ｃの｜Δｆ｜が大きくなる。センサ１０ｄの感応膜１６は、特定の物質をほとんど吸着しない。このため、温度Ｔ２においてもセンサ１０ｄの｜Δｆ｜はノイズレベルである。センサ１０ａ～１０ｃの｜Δｆ｜が大きいため、ステップＳ２２において、処理部３２はセンサ１０ａ～１０ｃの｜Δｆ｜に基づき、気体に関する情報を算出する。

【0074】

図５のステップＳ１４において、処理部３２は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜のうち全てがΔｆｔｈ１以上のときＹｅｓと判定し、センサ１０ａ～１０ｄのうち少なくとも１つのセンサの｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１より小さいときに、Ｎｏと判定してもよい。しかし、この場合には、図９（ｃ）のように、センサ１０ｄの｜Δｆ｜がノイズレベルであっても温度Ｔ２における気体の測定を行なってしまう。これにより、測定期間が長くなる。

【0075】

また、図５のステップＳ１４において、処理部３２は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜の少なくとも１つがΔｆｔｈ１以上のときＹｅｓと判定し、センサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜の全てがΔｆｔｈ１より小さいときに、Ｎｏと判定してもよい。しかし、この場合には、図９（ｃ）のように、センサ１０ｄの｜Δｆ｜がノイズレベルであっても温度Ｔ２における気体の測定を行なってしまう。これにより、測定期間が長くなる。

【0076】

実施例２によれば、図５のステップＳ１２および図６のステップＳ３２において、処理部３２は、気体５０ａがチャンバ２０内に導入されかつ複数のセンサ１０ａ～１０ｄの温度が温度Ｔ１である状態において、複数のセンサ１０ａ～１０ｄがそれぞれ出力する複数の発振周波数ｆ０を測定する。ステップＳ３６において、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの温度が温度Ｔ１において気体５０ｂをチャンバ２０に導入してから期間Ｐ１経過後に、複数のセンサ１０ａ～１０ｄがそれぞれ出力する複数の発振周波数ｆを測定する。図５のステップＳ１４において、処理部３２は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄのそれぞれの｜Δｆ｜のすべてがΔＶｔｈ１（第１所定値）以上かつΔＶｔｈ２（第２所定値）以下のとき、ステップＳ２２において｜Δｆ｜を用い気体に関する情報を算出する。処理部３２は、複数のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜の少なくとも１つがΔＶｔｈ１より小さくかつΔＶｔｈ２より大きいとき、センサ１０ａ～１０ｄの温度を温度Ｔ２として、気体の測定を行う。

【0077】

これにより、図９（ｂ）のセンサ１０ａ～１０ｄの｜Δｆ｜および図９（ｃ）のセンサ１０ｄの｜Δｆ｜のように、｜Δｆ｜がΔｆｔｈ１より小さくても、｜Δｆ｜がノイズレベルのときには、温度Ｔ２としない。よって、測定期間を短くできる。