JPH06308008A - 混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置 - Google Patents
混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置Info
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- JPH06308008A JPH06308008A JP9969693A JP9969693A JPH06308008A JP H06308008 A JPH06308008 A JP H06308008A JP 9969693 A JP9969693 A JP 9969693A JP 9969693 A JP9969693 A JP 9969693A JP H06308008 A JPH06308008 A JP H06308008A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 安価に正確に成分ガスの判別と濃度定量を行
う。 【構成】 測定セル１に配置された単一の水晶発振子３
にはガス吸着膜２が表面に形成され、ガス供給器８から
試料が供給されると発振回路４が発振する水晶発振子３
の共振周波数を周波数カウンタ５がカウントする。コン
ピュータ６は周波数カウンタ５の計測による共振周波数
の時間変化に含まれる指数関数の時定数と、各成分ガス
の単独ガスの場合の時定数とを比較して各成分ガスの種
類の同定を行い、かつ、ガス吸着膜２への飽和吸着量を
求めて成分ガスの濃度を定量して結果を表示装置７に表
示する。
う。 【構成】 測定セル１に配置された単一の水晶発振子３
にはガス吸着膜２が表面に形成され、ガス供給器８から
試料が供給されると発振回路４が発振する水晶発振子３
の共振周波数を周波数カウンタ５がカウントする。コン
ピュータ６は周波数カウンタ５の計測による共振周波数
の時間変化に含まれる指数関数の時定数と、各成分ガス
の単独ガスの場合の時定数とを比較して各成分ガスの種
類の同定を行い、かつ、ガス吸着膜２への飽和吸着量を
求めて成分ガスの濃度を定量して結果を表示装置７に表
示する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は表面にガス吸着膜を設け
た水晶発振子を用い、被検知ガスの前記ガス吸着膜への
吸着による前記水晶発振子の共振周波数の変化を求める
ことにより混合ガス中の各成分ガスの種類を同定し、か
つ濃度を定量する混合ガス成分判別および定量方法なら
びに装置に関する。
た水晶発振子を用い、被検知ガスの前記ガス吸着膜への
吸着による前記水晶発振子の共振周波数の変化を求める
ことにより混合ガス中の各成分ガスの種類を同定し、か
つ濃度を定量する混合ガス成分判別および定量方法なら
びに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】化学物質を測定する化学センシング装置
においては、簡単、安価な構成で微量の被検知ガスを感
度良く検知し、判別する必要がある。従来よりこのよう
なガス判別方法として、表面にガス吸着膜（以下単に吸
着膜と称する）を設けた水晶発振子を用いる方法があ
る。この方法は、被検知ガス分子がこの吸着膜に吸着し
たとき、水晶発振子の共振周波数が吸着膜の質量変化に
比例して変化することを利用するものであり、共振周波
数の最大変化量から被検知ガスの種類、濃度を同定する
ものである。この方法においては、吸着膜がある特定の
ガスのみに感応するものである場合を除き、複数の水晶
発振子が必要となり、それぞれの水晶発振子の飽和吸着
量の値からパタン認識等の方法によって同定を行ってい
た。
においては、簡単、安価な構成で微量の被検知ガスを感
度良く検知し、判別する必要がある。従来よりこのよう
なガス判別方法として、表面にガス吸着膜（以下単に吸
着膜と称する）を設けた水晶発振子を用いる方法があ
る。この方法は、被検知ガス分子がこの吸着膜に吸着し
たとき、水晶発振子の共振周波数が吸着膜の質量変化に
比例して変化することを利用するものであり、共振周波
数の最大変化量から被検知ガスの種類、濃度を同定する
ものである。この方法においては、吸着膜がある特定の
ガスのみに感応するものである場合を除き、複数の水晶
発振子が必要となり、それぞれの水晶発振子の飽和吸着
量の値からパタン認識等の方法によって同定を行ってい
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の混合ガ
ス成分判別方法では以下のような欠点があった。すなわ
ち、ある特定のガスのみに感応するような吸着膜を開発
すること自体困難であり、たいていは複数の水晶発振子
を用いることになる。その場合、混合ガス中の各成分ガ
スを同定するには、まず、少なくとも成分ガスと同数以
上の異なる吸着特性を持つ吸着膜を用意しなければなら
ず、コストが高くなる。また、成分ガスの種類およびそ
の濃度が既知の混合ガスに対する各吸着膜を被覆した水
晶発振子の飽和吸着量をデータベースとして用意し、パ
タンマッチングによって各成分ガスを同定しなければな
らないが、ある混合ガスとそれに対する各吸着膜を被覆
した水晶発振子の飽和吸着量のパターンは一対一対応し
ないため、混合ガス中の成分ガスの判別を正確に行うこ
とができないのが現状である。さらに、各成分ガスの定
量も困難である。
ス成分判別方法では以下のような欠点があった。すなわ
ち、ある特定のガスのみに感応するような吸着膜を開発
すること自体困難であり、たいていは複数の水晶発振子
を用いることになる。その場合、混合ガス中の各成分ガ
スを同定するには、まず、少なくとも成分ガスと同数以
上の異なる吸着特性を持つ吸着膜を用意しなければなら
ず、コストが高くなる。また、成分ガスの種類およびそ
の濃度が既知の混合ガスに対する各吸着膜を被覆した水
晶発振子の飽和吸着量をデータベースとして用意し、パ
タンマッチングによって各成分ガスを同定しなければな
らないが、ある混合ガスとそれに対する各吸着膜を被覆
した水晶発振子の飽和吸着量のパターンは一対一対応し
ないため、混合ガス中の成分ガスの判別を正確に行うこ
とができないのが現状である。さらに、各成分ガスの定
量も困難である。
【０００４】本発明の目的は、複数の種類のガス成分に
感応する吸着膜を設けた一つの水晶発振子だけで混合ガ
ス中の成分ガスの種類を確実に同定し、かつ濃度を定量
できる混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置を
提供することにある。
感応する吸着膜を設けた一つの水晶発振子だけで混合ガ
ス中の成分ガスの種類を確実に同定し、かつ濃度を定量
できる混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置を
提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の混合ガス成分判
別および定量方法は、ガス吸着膜を表面に設けた一つの
水晶発振子を用い、前記水晶発振子の共振周波数の時間
変化に含まれる指数関数の時定数を検出する手順と、前
記手順により検出された水晶発振子の共振周波数の時間
変化に含まれる指数関数の時定数と、各成分ガスの単独
ガスの場合の共振周波数の時間変化を表わす指数関数の
時定数とを比較して一致するか否かにより、各成分ガス
の種類の同定を行う手順と、各成分ガスの前記ガス吸着
膜への飽和吸着量を求めて各成分ガスの濃度の定量を行
う手順とを含む。
別および定量方法は、ガス吸着膜を表面に設けた一つの
水晶発振子を用い、前記水晶発振子の共振周波数の時間
変化に含まれる指数関数の時定数を検出する手順と、前
記手順により検出された水晶発振子の共振周波数の時間
変化に含まれる指数関数の時定数と、各成分ガスの単独
ガスの場合の共振周波数の時間変化を表わす指数関数の
時定数とを比較して一致するか否かにより、各成分ガス
の種類の同定を行う手順と、各成分ガスの前記ガス吸着
膜への飽和吸着量を求めて各成分ガスの濃度の定量を行
う手順とを含む。
【０００６】水晶発振子の共振周波数の時間変化に含ま
れる指数関数の時定数の検出に線型フィルタのアルゴリ
ズムを用いてもよい。
れる指数関数の時定数の検出に線型フィルタのアルゴリ
ズムを用いてもよい。
【０００７】本発明の混合ガス成分判別および定量装置
は、ガス吸着膜が表面に設けられた単一の水晶発振子が
配置された測定セルと、前記測定セルにガス試料を供給
するガス供給器と、前記測定セルにガス試料が供給され
たとき、前記水晶発振子の共振周波数で発振する発振回
路と、前記発振回路が発振する水晶発振子の共振周波数
をカウントする周波数カウンタと、表示装置と、前記周
波数カウンタでカウントされた、前記ガス試料のガス吸
着膜への吸着による水晶発振子の共振周波数の時間変化
に含まれる指数関数の時定数を検出し、前記測定セルに
供給されたガス試料の各成分ガスの単独ガスの場合の共
振周波数の時間変化を表わす指数関数の時定数とを比較
して一致するか否かにより各成分ガスの種類の同定を行
い、かつ各成分ガスの前記吸着膜への飽和吸着量を求め
て各成分ガスの濃度の定量を行い、結果を前記表示装置
に表示するコンピュータとを有する。
は、ガス吸着膜が表面に設けられた単一の水晶発振子が
配置された測定セルと、前記測定セルにガス試料を供給
するガス供給器と、前記測定セルにガス試料が供給され
たとき、前記水晶発振子の共振周波数で発振する発振回
路と、前記発振回路が発振する水晶発振子の共振周波数
をカウントする周波数カウンタと、表示装置と、前記周
波数カウンタでカウントされた、前記ガス試料のガス吸
着膜への吸着による水晶発振子の共振周波数の時間変化
に含まれる指数関数の時定数を検出し、前記測定セルに
供給されたガス試料の各成分ガスの単独ガスの場合の共
振周波数の時間変化を表わす指数関数の時定数とを比較
して一致するか否かにより各成分ガスの種類の同定を行
い、かつ各成分ガスの前記吸着膜への飽和吸着量を求め
て各成分ガスの濃度の定量を行い、結果を前記表示装置
に表示するコンピュータとを有する。
【０００８】水晶発振子のガス吸着膜にプラズマ由来の
含弗素系高分子薄膜が用いられたものを含む。
含弗素系高分子薄膜が用いられたものを含む。
【０００９】
【作用】吸着膜を設けた単一の水晶発振子を用いて、前
記水晶発振子の共振周波数の時間変化に含まれる指数関
数の時定数を検出して、各成分ガスの単独の場合の指数
関数の時定数と比較して、各成分ガスの種類の同定と濃
度の定量を行うので、装置が安価となるとともに、正確
な結果が得られる。
記水晶発振子の共振周波数の時間変化に含まれる指数関
数の時定数を検出して、各成分ガスの単独の場合の指数
関数の時定数と比較して、各成分ガスの種類の同定と濃
度の定量を行うので、装置が安価となるとともに、正確
な結果が得られる。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００１１】図１は本発明の混合ガス成分判別および定
量装置の一実施例の構成ブロック図、図２は図１のコン
ピュータ６の処理のフローチャート、図３は図１の水晶
発振子３の単独ガスおよび混合ガスに対する共振周波数
の時間変化、すなわち圧電応答の一具体例を示すグラ
フ、図４は図３圧電応答から得られた単独ガスおよび混
合ガスの時定数および飽和吸着量を示すグラフである。
量装置の一実施例の構成ブロック図、図２は図１のコン
ピュータ６の処理のフローチャート、図３は図１の水晶
発振子３の単独ガスおよび混合ガスに対する共振周波数
の時間変化、すなわち圧電応答の一具体例を示すグラ
フ、図４は図３圧電応答から得られた単独ガスおよび混
合ガスの時定数および飽和吸着量を示すグラフである。
【００１２】本発明は吸着膜への被検知ガス分子の吸着
過程を詳細に検討した結果なされたものである。ここ
で、その検討結果について説明する。
過程を詳細に検討した結果なされたものである。ここ
で、その検討結果について説明する。
【００１３】ポリエチレンとポリテトラフロロエチレン
両方をタ−ゲットとして高周波スパッタリングによって
水晶発振子上に吸着を膜形成し、この吸着膜への被検知
ガス分子の吸着による水晶発振子の共振周波数の変化を
調べた。水晶発振子の共振周波数は、吸着膜の質量変化
すなわち吸着した被検知ガスの質量に比例することが知
られている。その結果、被検知ガスが通常の有機化合
物、例えば各種のアルコール、芳香族化合物、ケトンで
ある場合、被検知ガスを全く吸着していない状態のこの
吸着膜を一定濃度の被検知ガスに曝したところ、ある一
定時間Δｔごとにサンプリングした（時刻ｋ・Δｔ）に
おける共振周波数の時間変化、つまり吸着量ｍ［ｋ］は
両方をタ−ゲットとして高周波スパッタリングによって
水晶発振子上に吸着を膜形成し、この吸着膜への被検知
ガス分子の吸着による水晶発振子の共振周波数の変化を
調べた。水晶発振子の共振周波数は、吸着膜の質量変化
すなわち吸着した被検知ガスの質量に比例することが知
られている。その結果、被検知ガスが通常の有機化合
物、例えば各種のアルコール、芳香族化合物、ケトンで
ある場合、被検知ガスを全く吸着していない状態のこの
吸着膜を一定濃度の被検知ガスに曝したところ、ある一
定時間Δｔごとにサンプリングした（時刻ｋ・Δｔ）に
おける共振周波数の時間変化、つまり吸着量ｍ［ｋ］は
【００１４】
【数１】 ｍ［ｋ］＝ａ（１−ｅｘｐ（−ｋ・Δｔ／τ）） と表わされるようになる。
【００１５】ここで、ｅｘｐはイクスポーネンシャル、
すなわち指数関数で，ｋは時刻を表わす変数（整数）、
Δｔはサンプリング時間、ａは被検知ガスの飽和吸着量
を表わしており、また、時定数τは、被検知ガスの種類
に深く関わっていることが分かっている。
すなわち指数関数で，ｋは時刻を表わす変数（整数）、
Δｔはサンプリング時間、ａは被検知ガスの飽和吸着量
を表わしており、また、時定数τは、被検知ガスの種類
に深く関わっていることが分かっている。
【００１６】混合ガス（ｎ種類の成分ガスを含む）に対
する水晶発振子の共振周波数の時間変化ｍ［ｋ］は次の
ように指数関数の和で表わされることが分かっている。
する水晶発振子の共振周波数の時間変化ｍ［ｋ］は次の
ように指数関数の和で表わされることが分かっている。
【００１７】
【数２】 ここで各成分ガスの時定数τj は混合ガス中でも変化し
ないため、予め各成分ガスの標準試料に対して時定数を
測定しておき、後に述べる線型フィルタのアルゴリスム
によって測定データから上式τj すなわち各成分ガスの
時定数とａj すなわち各成分ガスの飽和吸着量を抽出
し、標準試料の時定数と比較すれば各成分ガスの種類を
同定することができる。濃度が同じならば混合ガスでも
単独ガスでも飽和吸着量は同じであることから、各成分
ガスの飽和吸着量から濃度の定量もできる。
ないため、予め各成分ガスの標準試料に対して時定数を
測定しておき、後に述べる線型フィルタのアルゴリスム
によって測定データから上式τj すなわち各成分ガスの
時定数とａj すなわち各成分ガスの飽和吸着量を抽出
し、標準試料の時定数と比較すれば各成分ガスの種類を
同定することができる。濃度が同じならば混合ガスでも
単独ガスでも飽和吸着量は同じであることから、各成分
ガスの飽和吸着量から濃度の定量もできる。
【００１８】次に、本実施例の混合ガス成分判別および
定量装置について説明する。
定量装置について説明する。
【００１９】この混合ガス成分判別および定量装置は図
１に示すように、測定セル１と水晶発振子３と発振回路
４と周波数カウンタ５とコンピュータ６と表示装置７と
ガス供給器８とから構成される。
１に示すように、測定セル１と水晶発振子３と発振回路
４と周波数カウンタ５とコンピュータ６と表示装置７と
ガス供給器８とから構成される。
【００２０】ガス供給器８はポンプ等の吸引機能を持っ
ていて測定セル１に定常的にガス試料を供給する。測定
セル１には、１つの水晶発振子３が配置されている、水
晶発振子３の表面には、吸着膜２が設けられている。こ
こで吸着膜２は、ポリエチレンとポリテトラフロロエチ
レンをターゲットとしてスパッタリングを行って水晶発
振子３の表面に被覆を行うことによって形成されている
が、例えば、グラファイト、ポリフロロトリフルオロエ
チレン等をターゲットとして形成された他のプラズマ由
来の含弗素系高分子薄膜であってもよい。発振回路４は
水晶発振子３の共振周波数で発振する。周波数カウンタ
５は発振回路４が発振した水晶発振子３の共振周波数を
カウントする。
ていて測定セル１に定常的にガス試料を供給する。測定
セル１には、１つの水晶発振子３が配置されている、水
晶発振子３の表面には、吸着膜２が設けられている。こ
こで吸着膜２は、ポリエチレンとポリテトラフロロエチ
レンをターゲットとしてスパッタリングを行って水晶発
振子３の表面に被覆を行うことによって形成されている
が、例えば、グラファイト、ポリフロロトリフルオロエ
チレン等をターゲットとして形成された他のプラズマ由
来の含弗素系高分子薄膜であってもよい。発振回路４は
水晶発振子３の共振周波数で発振する。周波数カウンタ
５は発振回路４が発振した水晶発振子３の共振周波数を
カウントする。
【００２１】コンピュータ６は、周波数カウンタ５で計
測された発振回路４の発振周波数の変化を追跡し、水晶
発振子３の共振周波数の変化から、ガス試料中の各成分
ガスの時定数、飽和吸着量を抽出し、測定セル１内の成
分ガスの種類の同定、濃度の定量を行う。また、コンピ
ュータ６には表示装置７が接続されており、水晶発振子
３の圧電応答、成分ガスの同定結果および濃度を表示す
る。
測された発振回路４の発振周波数の変化を追跡し、水晶
発振子３の共振周波数の変化から、ガス試料中の各成分
ガスの時定数、飽和吸着量を抽出し、測定セル１内の成
分ガスの種類の同定、濃度の定量を行う。また、コンピ
ュータ６には表示装置７が接続されており、水晶発振子
３の圧電応答、成分ガスの同定結果および濃度を表示す
る。
【００２２】以下コンピュータ６における処理を図２の
フローチャートによって詳細に説明する。
フローチャートによって詳細に説明する。
【００２３】まず、コンピュータ６は各標準試料に対す
る水晶発振子３の圧電応答曲線から、各標準試料の飽和
吸着量ａ、時定数τを求める（ステップ１１）。この応
答曲線は一つの指数関数を含む式で表わされるので時定
数、飽和吸着量の推定は容易である。
る水晶発振子３の圧電応答曲線から、各標準試料の飽和
吸着量ａ、時定数τを求める（ステップ１１）。この応
答曲線は一つの指数関数を含む式で表わされるので時定
数、飽和吸着量の推定は容易である。
【００２４】次に、測定セル１に測定しようとする混合
ガスが導入されると、混合ガスに対する水晶発振子３の
圧電応答を獲得する（ステップ１２）。ここで以下のよ
うな線型フィルタのアルゴリズムに従って圧電応答曲線
に含まれる指数関数の時定数τj 、飽和吸着量ａj を抽
出する（ステップ１３）。
ガスが導入されると、混合ガスに対する水晶発振子３の
圧電応答を獲得する（ステップ１２）。ここで以下のよ
うな線型フィルタのアルゴリズムに従って圧電応答曲線
に含まれる指数関数の時定数τj 、飽和吸着量ａj を抽
出する（ステップ１３）。
【００２５】すなわち、時刻ｋ・Δｔから時刻（Ｋ−
Ｐ）・Δｔまでの吸着量からなるベクトルＭを Ｍ＝（ｍ［ｋ］，ｍ［ｋ−１］，・・・ｍ［ｋ−Ｐ］）
T ， 時刻（ｋ−１）・Δｔから時刻（ｋ−Ｐ−Ｌ）・Δｔま
での吸着量からなる（Ｐ＋１）×Ｌの行列φを
Ｐ）・Δｔまでの吸着量からなるベクトルＭを Ｍ＝（ｍ［ｋ］，ｍ［ｋ−１］，・・・ｍ［ｋ−Ｐ］）
T ， 時刻（ｋ−１）・Δｔから時刻（ｋ−Ｐ−Ｌ）・Δｔま
での吸着量からなる（Ｐ＋１）×Ｌの行列φを
【００２６】
【数３】 およびＰ＞Ｌ＞ｎとしたとき、 （１）Ｂ＝｛φT φ｝-1φT Ｍを計算し、 Ｂ＝（ｂ1 ，ｂ2 ，・・・・ｂL ）T を得る。
【００２７】（２）（１）で得られたｂj を用いて、Ｘ
についての方程式
についての方程式
【００２８】
【数４】 を解く。この実数解を
【００２９】
【数５】 とする。
【００３０】（３）時定数τj ＝−Δｔ／ｌｏｇ（ｒ
j ）を求める。
j ）を求める。
【００３１】この値のうち、絶対値の一番大きいもの
（τ1 とする）を除いた残りの時定数が各成分ガスの時
定数である。各成分ガスの飽和吸着量からなるベクトル
Ａを Ａ＝（ａ1,−ａ2 ，−ａ3 ，・・・，−ａn+1 ）T ， （２）において得られた実数解の逆数を用いて得られる
（Ｐ＋１）×（ｎ＋１）の行列Ｒを
（τ1 とする）を除いた残りの時定数が各成分ガスの時
定数である。各成分ガスの飽和吸着量からなるベクトル
Ａを Ａ＝（ａ1,−ａ2 ，−ａ3 ，・・・，−ａn+1 ）T ， （２）において得られた実数解の逆数を用いて得られる
（Ｐ＋１）×（ｎ＋１）の行列Ｒを
【００３２】
【数６】 とすると、 （４）Ａ＝｛ＲT Ｒ｝-1ＲT Ｍより 各成分ガスの飽和吸着量ａj を求める。
【００３３】以上のアルゴリズムにより得られた時定数
τj より各成分ガスの種類を同定する。すなわち、ある
時定数τj をガスｉの時定数τi と比較し（ステップ１
４）、τj がτi と等しくなければガスｉは判別されな
い（ステップ１６）。ステップ１４でτj がτi に等し
く、該混合ガス中にガスｉが含まれる可能性が大と判断
したのち、ａj がしきい値ｄi より大きいかどうかが判
断される（ステップ１５）。ｄi はａj がノイズによる
ものであるかどうか判断するための量であり、例えば予
め測定しておいた最小濃度の標準試料に対する飽和吸着
量とする。ａj≦ｄi の時、そのａj はノイズであると
判断されガスｉと判別されない（ステップ１６）。ａj
＞ｄi の時、ガスｉと判別し（ステップ１７）、その濃
度をａjから推定する（ステップ１８）。
τj より各成分ガスの種類を同定する。すなわち、ある
時定数τj をガスｉの時定数τi と比較し（ステップ１
４）、τj がτi と等しくなければガスｉは判別されな
い（ステップ１６）。ステップ１４でτj がτi に等し
く、該混合ガス中にガスｉが含まれる可能性が大と判断
したのち、ａj がしきい値ｄi より大きいかどうかが判
断される（ステップ１５）。ｄi はａj がノイズによる
ものであるかどうか判断するための量であり、例えば予
め測定しておいた最小濃度の標準試料に対する飽和吸着
量とする。ａj≦ｄi の時、そのａj はノイズであると
判断されガスｉと判別されない（ステップ１６）。ａj
＞ｄi の時、ガスｉと判別し（ステップ１７）、その濃
度をａjから推定する（ステップ１８）。
【００３４】次に、この混合ガス成分判別および定量装
置の使用方法について説明する。
置の使用方法について説明する。
【００３５】まず、ガス供給器８から被検知ガスを含む
ガス試料を測定セル１内に送り出し、測定時間に比べ無
視できる時間内に測定セル１の内部の気体をガス試料で
置換する。すると、水晶発振子３の吸着膜２への被検知
ガス分子の吸着が開始し、この被検知ガスの吸着量の時
間変化は水晶発振子３の圧電応答に変換され、発振回路
４の発振周波数を周波数カウンタ５で計測することによ
って吸着量の時間変化をモニターできる。コンピュータ
６は一定時間ごとにカウンタ５の出力をサンプリング
し、水晶発振子３の圧電応答を追跡し、各成分ガスの時
定数τj 、飽和吸着量ａj を推定する。
ガス試料を測定セル１内に送り出し、測定時間に比べ無
視できる時間内に測定セル１の内部の気体をガス試料で
置換する。すると、水晶発振子３の吸着膜２への被検知
ガス分子の吸着が開始し、この被検知ガスの吸着量の時
間変化は水晶発振子３の圧電応答に変換され、発振回路
４の発振周波数を周波数カウンタ５で計測することによ
って吸着量の時間変化をモニターできる。コンピュータ
６は一定時間ごとにカウンタ５の出力をサンプリング
し、水晶発振子３の圧電応答を追跡し、各成分ガスの時
定数τj 、飽和吸着量ａj を推定する。
【００３６】その後コンピュータ６は標準試料に対して
行った測定から得られた時定数と比較することによって
各成分ガスの同定を行い、また、飽和吸着量から濃度の
定量を行って表示装置７に表示する。
行った測定から得られた時定数と比較することによって
各成分ガスの同定を行い、また、飽和吸着量から濃度の
定量を行って表示装置７に表示する。
【００３７】次に、本実施例による混合ガス成分判別お
よび定量の具体例について説明する。
よび定量の具体例について説明する。
【００３８】図３は本実施例の混合ガス成分判別および
定量装置による水晶発振子３の圧電応答を示し、９４０
ｐｐｍのメタノ−ル（ａ）、１１１０ｐｐｍのベンゼン
（ｂ）、５８０ｐｐｍのアセトン（ｃ）および９４０ｐ
ｐｍのメタノールと１１１０ｐｐｍのベンゼンと５８０
ｐｐｍのアセトンの混合ガス（ｄ）に対する水晶発振子
３の圧電応答が周波数変化／時間曲線で示されている。
定量装置による水晶発振子３の圧電応答を示し、９４０
ｐｐｍのメタノ−ル（ａ）、１１１０ｐｐｍのベンゼン
（ｂ）、５８０ｐｐｍのアセトン（ｃ）および９４０ｐ
ｐｍのメタノールと１１１０ｐｐｍのベンゼンと５８０
ｐｐｍのアセトンの混合ガス（ｄ）に対する水晶発振子
３の圧電応答が周波数変化／時間曲線で示されている。
【００３９】ここで、コンピュータ６によるサンプリン
グ時間Δｔは４秒とした。吸着膜２は直径８０ｍｍのポ
リエチレン円盤を直径１３５ｍｍのポリテトラフロロエ
チレン円盤の上に乗せたものをターゲットとし、スパッ
タリングパワーは平均０．９４Ｗ／ｃｍ2 、スパッタリ
ング時間は７６分で作成し、その厚さは０．７６μｍで
ある。水晶発振子３はＡＴ−カットで厚さ０．１ｍｍ、
直径８５ｍｍの円盤である。Ｌ＝１５とし、混合ガス
（ｄ）から上述のアルゴリズムを用いて推定した時定数
と飽和吸着量を図４に示す。
グ時間Δｔは４秒とした。吸着膜２は直径８０ｍｍのポ
リエチレン円盤を直径１３５ｍｍのポリテトラフロロエ
チレン円盤の上に乗せたものをターゲットとし、スパッ
タリングパワーは平均０．９４Ｗ／ｃｍ2 、スパッタリ
ング時間は７６分で作成し、その厚さは０．７６μｍで
ある。水晶発振子３はＡＴ−カットで厚さ０．１ｍｍ、
直径８５ｍｍの円盤である。Ｌ＝１５とし、混合ガス
（ｄ）から上述のアルゴリズムを用いて推定した時定数
と飽和吸着量を図４に示す。
【００４０】図４のグラフにおいて、○印２１，２２，
２３はそれぞれメタノール（ａ）、ベンゼン（ｂ），ア
セトン（ｃ）の単独ガスに対する水晶発振子３の圧電応
答から得られた時定数および飽和吸着量である。また、
□印３１，３２，３３，３４はメタノール、アセトン、
ベンゼンの混合ガス（ｄ）に対する圧電応答から求めた
時定数および飽和吸着量である。混合ガス（ｄ）からは
４つの時定数が得られたが、その内の一つに対する飽和
吸着量３３は非常に小さく（０．７Ｈｚ）、これはノイ
ズによるものであると判断された。残りの３１，３２，
３４の３つはそれぞれ単独ガスの時定数に近く、この混
合ガスには上記メタノール、ベンゼン、アセトンの３つ
のガスが含まれていることがわかる。
２３はそれぞれメタノール（ａ）、ベンゼン（ｂ），ア
セトン（ｃ）の単独ガスに対する水晶発振子３の圧電応
答から得られた時定数および飽和吸着量である。また、
□印３１，３２，３３，３４はメタノール、アセトン、
ベンゼンの混合ガス（ｄ）に対する圧電応答から求めた
時定数および飽和吸着量である。混合ガス（ｄ）からは
４つの時定数が得られたが、その内の一つに対する飽和
吸着量３３は非常に小さく（０．７Ｈｚ）、これはノイ
ズによるものであると判断された。残りの３１，３２，
３４の３つはそれぞれ単独ガスの時定数に近く、この混
合ガスには上記メタノール、ベンゼン、アセトンの３つ
のガスが含まれていることがわかる。
【００４１】また、各成分ガスの飽和吸着量は単独ガス
の場合の飽和吸着量にほとんど等しいので、単独ガスの
場合の飽和吸着量−濃度の関係式から濃度の定量も可能
である。この場合、ガス（ａ），（ｂ），（ｃ）の飽和
吸着量はそれぞれ２５．８Ｈｚ、５５．１Ｈｚ、７４．
６Ｈｚであり、混合ガス（ｄ）中のメタノール、ベンゼ
ン、アセトンの飽和吸着量はそれぞれ２２．３Ｈｚ、４
５．７Ｈｚ、６１．３Ｈｚであって、各成分ガスの飽和
吸着量は単独ガスの場合の飽和吸着量にほとんど等しい
ので、単独ガスの場合の飽和吸着量−濃度の関係式から
濃度の定量も可能である。
の場合の飽和吸着量にほとんど等しいので、単独ガスの
場合の飽和吸着量−濃度の関係式から濃度の定量も可能
である。この場合、ガス（ａ），（ｂ），（ｃ）の飽和
吸着量はそれぞれ２５．８Ｈｚ、５５．１Ｈｚ、７４．
６Ｈｚであり、混合ガス（ｄ）中のメタノール、ベンゼ
ン、アセトンの飽和吸着量はそれぞれ２２．３Ｈｚ、４
５．７Ｈｚ、６１．３Ｈｚであって、各成分ガスの飽和
吸着量は単独ガスの場合の飽和吸着量にほとんど等しい
ので、単独ガスの場合の飽和吸着量−濃度の関係式から
濃度の定量も可能である。
【００４２】本実施例の混合ガス成分判別および定量装
置では、一つの水晶発振子を用いて混合ガスに対する圧
電応答から得られる複数の時定数によって成分ガスの種
類を同定でき、また各成分ガスの飽和吸着量から濃度の
定量ができるので、コストが安くかつ正確な同定結果が
得られる。
置では、一つの水晶発振子を用いて混合ガスに対する圧
電応答から得られる複数の時定数によって成分ガスの種
類を同定でき、また各成分ガスの飽和吸着量から濃度の
定量ができるので、コストが安くかつ正確な同定結果が
得られる。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、吸着膜を
表面に設けた単一の水晶発振子を用い、前記水晶発振子
をガス状の試料に曝し、前記水晶発振子の共振周波数の
時間変化から複数の時定数を抽出して各成分ガスの同定
を行い、各成分ガスの飽和吸着量から濃度の定量を行う
ので、従来困難であった混合ガス成分の同定と定量を安
価にかつ正確に行うことができるという効果がある。
表面に設けた単一の水晶発振子を用い、前記水晶発振子
をガス状の試料に曝し、前記水晶発振子の共振周波数の
時間変化から複数の時定数を抽出して各成分ガスの同定
を行い、各成分ガスの飽和吸着量から濃度の定量を行う
ので、従来困難であった混合ガス成分の同定と定量を安
価にかつ正確に行うことができるという効果がある。
【図１】本発明の混合ガス成分判別および定量装置の一
実施例の構成ブロック図である。
実施例の構成ブロック図である。
【図２】図１のコンピュータ６の処理のフローチャート
である。
である。
【図３】図１の水晶発振子３の単独ガスおよび混合ガス
に対する圧電応答の一具体例を示すグラフである。
に対する圧電応答の一具体例を示すグラフである。
【図４】図３の圧電応答から得られた単独ガスおよび混
合ガスの時定数および飽和吸着量を示すグラフである。
合ガスの時定数および飽和吸着量を示すグラフである。
１ 測定セル ２ 吸着膜 ３ 水晶発振子 ４ 発振回路 ５ 周波数カウンタ ６ コンピュータ ７ 表示装置 １１，１２，・・・、１８ ステップ ２１，２２，２３ ○印 ３１，３２，３３，３４ □印 ａ ９４０ｐｐｍのメタノール ｂ １１１０ｐｐｍのベンゼン ｃ ５８０ｐｐｍのアセトン ｄ ９４０ｐｐｍのメタノール、１１１０ｐｐｍのベ
ンゼンおよび５８０ｐｐｍのアセトンの混合ガス
ンゼンおよび５８０ｐｐｍのアセトンの混合ガス
Claims (4)
- 【請求項１】 表面にガス吸着膜を設けた水晶発振子を
用い、被検知ガスの前記ガス吸着膜への吸着による前記
水晶発振子の共振周波数の変化を求めることにより混合
ガス中の各成分ガスの種類を同定し、かつ濃度を定量す
る混合ガス成分判別および定量方法において、 ガス吸着膜を表面に設けた一つの水晶発振子を用い、前
記水晶発振子の共振周波数の時間変化に含まれる指数関
数の時定数を検出する手順と、 前記手順により検出された水晶発振子の共振周波数の時
間変化に含まれる指数関数の時定数と、各成分ガスの単
独ガスの場合の共振周波数の時間変化を表わす指数関数
の時定数とを比較して一致するか否かにより、各成分ガ
スの種類の同定を行う手順と、 各成分ガスの前記ガス吸着膜への飽和吸着量を求めて各
成分ガスの濃度の定量を行う手順とを含むことを特徴と
する混合ガス成分判別および定量方法。 - 【請求項２】 水晶発振子の共振周波数の時間変化に含
まれる指数関数の時定数の検出に線型フィルタのアルゴ
リズムを用いたことを特徴とする請求項１記載の混合ガ
ス成分判別および定量方法。 - 【請求項３】 ガス吸着膜が表面に設けられた単一の水
晶発振子が配置された測定セルと、 前記測定セルにガス試料を供給するガス供給器と、 前記測定セルにガス試料が供給されたとき、前記水晶発
振子の共振周波数で発振する発振回路と、 前記発振回路が発振する水晶発振子の共振周波数をカウ
ントする周波数カウンタと、 表示装置と、 前記周波数カウンタでカウントされた、前記ガス試料の
ガス吸着膜への吸着による水晶発振子の共振周波数の時
間変化に含まれる指数関数の時定数を検出し、前記測定
セルに供給されたガス試料の各成分ガスの単独ガスの場
合の共振周波数の時間変化を表わす指数関数の時定数と
を比較して一致するか否かにより各成分ガスの種類の同
定を行い、かつ各成分ガスの前記吸着膜への飽和吸着量
を求めて各成分ガスの濃度の定量を行い、結果を前記表
示装置に表示するコンピュータとを有する混合ガス成分
判別および定量装置。 - 【請求項４】 水晶発振子のガス吸着膜にプラズマ由来
の含弗素系高分子薄膜が用いられたことを特徴とする請
求項３記載の混合ガス成分判別および定量装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05099696A JP3141969B2 (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05099696A JP3141969B2 (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06308008A true JPH06308008A (ja) | 1994-11-04 |
| JP3141969B2 JP3141969B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=14254218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05099696A Expired - Lifetime JP3141969B2 (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 混合ガス成分判別および定量方法ならびに装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141969B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5817921A (en) * | 1996-07-12 | 1998-10-06 | Advanced Technology Materials, Inc. | Piezoelectric enviromental fluid monitoring assembly and method |
| US6029500A (en) * | 1998-05-19 | 2000-02-29 | Advanced Technology Materials, Inc. | Piezoelectric quartz crystal hydrogen sensor, and hydrogen sensing method utilizing same |
| US6079252A (en) * | 1998-05-20 | 2000-06-27 | Advanced Technology Materials, Inc. | Leak detection device, and fluid vessel assembly comprising same |
| CN1070266C (zh) * | 1994-09-20 | 2001-08-29 | 株式会社日立制作所 | 涡旋流体机械 |
| US6295861B1 (en) | 1999-01-28 | 2001-10-02 | Advanced Technology Materials, Inc. | Quartz crystal microbalance sensors and semiconductor manufacturing process systems comprising same |
| JP2002350313A (ja) * | 2001-05-25 | 2002-12-04 | Mitsubishi Electric Corp | 化学物質定量方法および化学物質定量装置 |
| JP2010071716A (ja) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Seiko Epson Corp | Ｑｃｍデバイスとその製造方法 |
| WO2020026328A1 (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | 日本電気株式会社 | 情報処理装置、制御方法、及びプログラム |
-
1993
- 1993-04-26 JP JP05099696A patent/JP3141969B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1070266C (zh) * | 1994-09-20 | 2001-08-29 | 株式会社日立制作所 | 涡旋流体机械 |
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| JP2010071716A (ja) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Seiko Epson Corp | Ｑｃｍデバイスとその製造方法 |
| WO2020026328A1 (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | 日本電気株式会社 | 情報処理装置、制御方法、及びプログラム |
| JPWO2020026328A1 (ja) * | 2018-07-31 | 2021-08-02 | 日本電気株式会社 | 情報処理装置、制御方法、及びプログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3141969B2 (ja) | 2001-03-07 |
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