(57)【要約】本体内に搭載された表面弾性波センサーにおける該センサー用空気捕集装置であって、該センサーが表面弾性波アレー検知器および該本体表面上に暴露された微細加工試料前濃縮器を有し、該空気捕集装置は、該本体上に設置する動作可能に配置された筐体を有し、該筐体は入口と出口を有する多段チャネルを有し、該多段チャネルは、入口に隣接する第１の高さと幅を有する第１段、該微細加工試料前濃縮器に隣接する第２番目に低い高さと幅を有する第２段、該表面弾性波アレー検知器に隣接するさらに低い第３の高さと幅を有する第３段、該出口に隣接する第４の高さと幅を有する第４段、からなり、ここに該第４の高さと幅が実質的に該第１の高さと幅に等しい。
2005510693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体内に設置された表面弾性波センサーにおける該センサー用の空気捕集装置であって、該センサーは表面弾性波アレー検知器と該本体表面上に暴露された微細加工試料前濃縮器を有し、該空気捕集装置は、該本体上に設置する、動作可能に配置された筐体を有し、該筐体は入口と出口を有する通路を有し、該通路は、入口に隣接する第１断面積の第１セクション、該第１セクションに隣接する第２の断面積の第２セクション、該第２セクションに隣接する第３の断面積の第３セクション、該出口に隣接する第４の断面積の第４セクション、からなり、ここに該第３の断面積が該第２の断面積より小さく、該第１と第４の断面積がそれぞれ該第２の断面積より大きい、表面弾性波センサー用空気捕集装置。
【請求項２】
該通路の該第２セクションが、該微細加工試料前濃縮器にサンプリングした空気を送る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
該通路の該第３セクションが、該表面弾性波アレー検知器にサンプリングした空気を送る請求項１に記載の装置。
【請求項４】
該第１の断面積が実質的に該第４の断面積と等しい請求項１に記載の装置。
【請求項５】
該第１と第４の断面積が等しい請求項１に記載の装置。
【請求項６】
該入口が、サンプリングしようとする接近する空気流に向くように動作可能に配置され、該出口が、該本体周囲の空気流中の低圧領域に試料空気を排出するように動作可能に配置される請求項１に記載の装置。
【請求項７】
該装置が該入口と該出口の間に圧力差を生じさせる請求項１に記載の装置。
【請求項８】
本体内に設置された表面弾性波センサーにおける該センサー用の空気捕集装置であって、該センサーが表面弾性波アレー検知器および該本体表面上に暴露された微細加工試料前濃縮器を有し、該空気捕集装置は、該本体上に設置する、動作可能に配置された筐体を有し、該筐体は入口と出口を有する多段チャネルを有し、該チャネルは、入口に隣接する、第１の高さと幅を有する第１段、該微細加工試料前濃縮器に隣接する、第２番目に低い高さと幅の第２段、該表面弾性波アレー検知器に隣接する、さらに低い第３の高さと幅を有する第３段、および、該出口に隣接する、第４の高さと幅を有する第４段、からなり、ここに、該第４の高さと幅が実質的に該第１の高さと幅に等しい、表面弾性波センサー用空気捕集装置。
【請求項９】
本体内に設置された表面弾性波センサーにおける該センサー用の空気捕集装置であって、該センサーが検知器と該本体表面上に暴露された試料前濃縮器とを有し、該空気捕集装置は、該本体上に設置する動作可能に配置された筐体を有し、該筐体は入口と出口を有する通路を有し、該通路は、入口に隣接する第１断面積の第１セクション、該第１セクションに隣接する第２の断面積の第２セクション、該第２セクションに隣接する第３の断面積の第３セクション、該出口に隣接する第４の断面積の第４セクション、からなり、ここに該第３の断面積が該第２の断面積より小さく、該第１と第４の断面積がそれぞれ該第２の断面積より大きい、表面弾性波センサー用空気捕集装置。
【請求項１０】
該通路の第２セクションが該試料前濃縮器にサンプリング空気を送る、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
該通路の第３セクションが該検知器にサンプリング空気を送る請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
該第１の断面積が実質的に該第４の断面積に等しい請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
該第１と第４の断面積が等しい請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
該入口が捕集しようとする空気流に向かって動作可能に配置され、該出口が該本体周囲の空気流れ中の低圧領域に試料空気を排出する動作可能に配置される請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
該装置が該入口と該出口との間に圧力差を生じさせる請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
表面弾性波センサー用ラム空気捕集装置であって、該センサー上に設置する動作可能に配置された筐体を有し、該筐体は入口と出口を有する多段チャネルを有し、該チャネルは該入口に隣接する、第１の高さと幅を有する第１段、第１段に隣接する第２番目に低い高さと幅を有する第２段、第２段に隣接するさらに低い第３の高さと幅を有する第３段、および該出口に隣接する第４の高さと幅を有する第４段からなり、ここに該第４の高さと幅は実質的に該第１の高さと幅に等しい、ラム空気捕集装置。
【請求項１７】
該多段チャネルが該筐体に覆われている請求項１６に記載のラム空気捕集装置。
【請求項１８】
該多段チャネルが該センサー内の検知器に試料空気を送る動作可能に配置されている請求項１６に記載のラム空気捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
連邦政府委託研究及び開発に関する明細書。本発明は米国エネルギー省に与えられた契約番号DE- AC04-94AL85000の政府支援により完成された。
【０００２】
（技術分野）
本発明は化学兵器物質センサーに関し、さらに詳細には化学兵器物質センサー用ラム空気 (ram-air) 試料捕集装置に関する。
【０００３】
（背景技術）
表面弾性波センサーやイオン移動度スペクトロメータなどの化学兵器物質ポイントセンサーは、多くの無人航空機（ＵＡＶ‘ｓ）での使用には重すぎ、そして大きすぎる。この理由は、これらのセンサーは現在全て、化学物質を含む空気のサンプリング用に、サイクロンまたはロータリーファン／ブロアなどのポンプを必要とするからである。このブロア／ファンがこのセンサー機器の最も重く、そして最も大きい機器となっている。
【０００４】
従って現在の化学物質センサーは、能動ポンピングを用いてセンサー素子に気体を強制的に流している。このポンピングはこれら装置において主要なエネルギー消費源である。ラム空気を利用すると、センサー本体に対する空気流れの相対運動によりもたらされる静圧のみを利用して前濃縮器およびセンサー装置に試料空気流を通すことが可能となる。この装置は、低電力消費が求められる小型無人航空機や、空気が装置上ないしダクトを通じて流れるその他の装置に利用することができる。
【０００５】そこで、化学兵器物質センサーに搭載することができ、センサーモジュールの計測のためにサンプリングする空気を送り込むのに、ＵＡＶの前進運動量を利用可能なラム空気捕集装置が必要となる。
【０００６】
（発明の要約）
本発明は広義には、センサー上に搭載する動作可能に配置されたハウジング、該ハウジングは入口と出口を有する多段チャネル、該多段チャネルは、入口に隣接した第１の高さと幅を有する第１段、微細加工された試料前濃縮器に隣接した第２のより小さな高さと幅を有する第２段、表面弾性波アレー検知器に隣接したさらに小さな第３の高さと幅を有する第３段、および出口に隣接した第４の高さと幅を有する第４段、ここに第４の高さと幅は実質的に、第１の高さと幅に等しい、からなる化学兵器センサー用ラム空気捕集装置からなっている。
【０００７】
本発明の広義の目的は、センサー上に空気を強制的に送るためのブロアまたはファンを必要としない化学兵器物質ないし爆発物のセンサー用の、運動している物体ないし機器に搭載される動作可能に配置された、軽量で効率的なラム空気捕集装置の提供にある。
【０００８】
本発明のこれらの目的、特徴および利益は、図面およびクレームを参照し、以下の発明の詳細説明を参照することにより当業者には明らかとなるであろう。
【０００９】
（好適例の詳細な説明）
以下の好適例の詳細説明、および請求の範囲において、以下の用語は次のように定義する。
ＵＡＶ：無人航空機。この名称が意味するように、これらは、無人で飛行する乗物である。限定するものではないが、これらの例は、プレデター (Predator) 、ダークスター (DarkStar) 、グローバルホーク (Global Hawk) などが含まれる。それらは通常、諜報、監視および偵察任務の遂行に使用される。しかしＵＡＶは本発明の一つの可能な用途ではあるが、用途はそれだけではなく、本発明は、航空機、ヘリコプター、ミサイル、陸上移動車両、船舶など、広範囲の移動体および実質的にその他の移動する対象に搭載し、有効に使用することができる。
ＳＡＷ：表面弾性波。音響波(acoustic wave)機器は６０年以上の間商業的に使用されている。音響波機器の最大のユーザーは遠距離通信産業であるが、それらはまた化学薬品蒸気の探知にも使用される。それらが感知機構として機械的または音の波を使用するところから表面弾性波センサーと呼ばれる。音響波が物質内またはその表面を進むにつれて、進む経路の特性の変化が波の速度および／または振幅に変化を与える。速度の変化は、センサーの周波数または位相特性を測定することにより監視することができ、測定する物理特性に対応して相関付けることができる。実質的に全ての音響波機器およびセンサーは圧電性結晶を、音響波の生成に使用している。ほとんどのＳＡＷ化学センサーは、対象気体を吸収する化学的な選択性あるＳＡＷセンサーのコーティングにより生ずる質量負荷の増加に対するセンサーの質量感度に基づいている。ビル・ドラフト、「音響波技術センサー」マイクロセンサーシステム社、ソーテック社（Bill Drafts, "Acoustic Wave Technology Sensors", Microsensor Systems, Inc., a Sawtek Company）。
【００１０】
好適例において、本発明は、多種の化学兵器物質、生物兵器物質および爆発物質のセンサーとしての使用に好適である。しかし好適例において、本発明はイオン移動度および表面弾性波（ＳＡＷ）センサーに対し、最も有用である。ＳＡＷセンサーは、個々のセンサーの化学的選択性の設定に非常に柔軟性があり、それらの応答機構の徹底的理解をある程度の理由として、おそらく最先端の化学兵器物質探知用マイクロセンサー技術である。次いで好適例において本発明は、ＳＡＷセンサーとの組合せとして示され、記載されているが、本発明はその他の種類のセンサーとの組合せにおいても有用であり、これらの用途も特許請求の範囲に含まれると理解すべきである。イオン移動度およびＳＡＷセンサーの一般的理論と操作の説明は次の通り：
【００１１】
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）は、質量分光分析での大気圧下または加圧下におけるイオン−分子化学の研究から、そして航空機気体監視用イオン化検知器から、１９６５年から１９７０年の間に誕生した。従来のイオン移動度分光分析は、反応領域とドリフト領域(drift region)の、二つの主たる領域からなっている。反応領域において、（汚染のない乾燥した）大気圧の搬送ガスは、窒素と酸素と、弱いニッケル６３源からのベータ粒子との衝突によりイオン化される。これら反応イオンは次に爆発物質／化学兵器物質の分子と、イオン／分子反応する。爆発物質／化学兵器物質分子はまた、アダクト形成および解離反応など、他のイオン生成反応をする。
【００１２】
電場の影響下、反応物と生成イオンの混合物は、反応領域とドリフト領域を分けるシャッター・グリッド (shutter grid) に到達する。このシャッター・グリッドは、それらの間にバイアス電位のかかる薄い格子のワイアの組からなっている。適用されるバイアス電位により、イオンはゲート格子に引きつけられ、電荷を失う。次いで、格子バイアス (grid vias) はわずかに弱められ、イオンはセルのドリフト領域に送られる。次いでイオンは電場（典型的には１０００から３０００ボルト）によりドリフト領域に沿って（典型的には８センチメーター）焦点合わせ、加速され、（典型的には１０から２０ミリ秒の時間で）コレクター電極に到達する。より小さい、コンパクトなイオンは、重いイオンより大きな移動度を有するので、より短時間のうちに該領域を横切り、コレクタ・プレートに衝突する。次いでコレクター電流は増幅され、その大きさは、時間の関数として、その時に到達するイオンの数に比例する。
【００１３】
ＩＭＳ爆発物質／化学兵器物質探知システムにおいて、特定の爆発物質のイオンがＩＭＳ管を通過するのに必要な時間は、正確に知られており、システムのマイクロプロセッサーにプログラムされている。マイクロプロセッサーはプログラムされたドリフト時間でコレクタ電極の信号を監視し、爆発物／化学兵器分子イオンの存在を検知する。典型的な分析周期では、試料導入から警報発令まで５から８秒を要する。
【００１４】
いくつかの装置は、選択性を最適化するために、フロントエンド (front-end) ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）をＩＭＳに結合させている。
【００１５】
いくつかの製造者は現在、物質検知をＩＭＳ検知器の標準またはオプション機能として提供している。多くの場合、機器は物質と爆発物の間の検知モ−ドを瞬時に切り換えるため、エネルギー消費を下げなければならないことが分かる。ＩＭＳ技術の流れは、検知機器の小型化を進めることと、非放射性イオン化源の導入にある。
【００１６】
ガスクロマトグラフィー／表面弾性波（ＧＣ／ＳＡＷ）
爆発物質／化学兵器物質探知に使用されるその他の技術では、表面弾性波（ＳＡＷ）検知器に設置された携帯用ガスクロマトグラフ（ＧＣ）を使用する。ＳＡＷを基礎とするＧＣ装置では、ＳＡＷ共鳴器結晶は、注意深く位置決めされ温度制御されたノズルにより、ＧＣのキャピラリーカラムの出口ガスに暴露される。ＧＣ搬送ガスに混ぜられた可凝縮蒸気が共鳴器電極間の活性領域に衝突するとき、結晶表面に凝縮する物質の質量に比例した周波数シフトが生じる。この周波数シフトは析出した物質の物性（質量および弾性定数）、ＳＡＷ結晶の温度、および結晶表面の化学的性質に依存する。
【００１７】
熱電冷却器がＳＡＷ表面を十分低温に維持し、爆発物蒸気の良好な捕集効率を確保する。この冷却器は、活性表面を浄化する（吸収蒸気を蒸散させる）ための結晶の加熱にも逆に使用することができる。ＳＡＷ結晶の温度は、捕集される化学種の蒸気圧を基礎とするセンサーの特異性 (specificity) を制御する機能を果たす。この特徴は比較的揮発性物質と粘着性の爆発物質の間の識別に有用である。
【００１８】
サンプリング操作の間、蒸気試料は、前濃縮器からのＧＣの入口から吸引され、次いで低温トラップ (cryo-trap) を通じてポンプで送られる。低温トラップは爆発物蒸気を捕集するのに十分低温に保たれた金属キャピラリー管であり、一方より揮発性蒸気は通過させる。第２の低温トラップを通過後、試料はＧＣカラムに注入され、化学種識別のために通常のカラム操作により時間基準で分離される。構成蒸気がカラムを出ると、それらは集められ、ＳＡＷ結晶表面上に選択的に捕集され、そこでは周波数シフトが物質濃度と相関している。
【００１９】
蒸気の前濃縮を含む全分析時間は、典型的には１０から１５秒である。市場から購入可能な装置のみの製造者により、爆発物のピコグラム単位の感度が示されている。装置は携帯型で、ほぼ大きなブリーフケースの大きさである。価格はＥＣＤ装置と同等であり、装置は１０分以内の設定時間で可動である。
【００２０】
本発明はいかなる特定の表面弾性波センサーにも限定されない。表面弾性波センサーはフロリダ州オーランドのサウテック社により製造されたタイプのもの、サンディア・ナショナル・ラボラトリーズの「ケムラブーオンーアーチップ (chemlab-on-a-chip) 」マイクロセンサー（μＣｈｅｍｌａｂ（商標））と同様のタイプの物である。この装置はサンディア主導でパームトップコンピュータの大きさの携帯型「化学実験室」を構成する。音響波センサーは、その実験室では一体型の装置である（そしてパームトップコンピュータより少し小さい）。実際センサーは非常に小さいので、４または５つの小型センサーのアレーで、それぞれが２ミリメーター掛ける０．５ミリメーター掛ける０．５ミリメーターで、異なる化学物質に感応、シャツのボタンの大きさのチップ上に設置することができる。他の可能なセンサーが、米国特許番号５４６９３６９（ローズ−パールソン他）に記載されており、本特許に参考に加えられる。最後に該センサーは、「ＮＢＣ−安全ビルディング用保安システム」という名称の、２００１年８月某日出願の米国特許出願一連番号＊＊、＊＊＊、＊＊に記載されている化学または生物兵器センサーでも良く、本願に参考に加える。
【００２１】
表面弾性波センサーの動作理論は上記した通りであり、そして典型的な表面弾性波センサー１０の図面が図１と３にある。実際のセンサーは図中１３に表示され−モジュール（印刷回路基板）１２中のその他の構成物は、関連電子部品である。図２に示すように、センサー１３は、回路基板１２に設置された本体を有する。ラム空気捕集器１１はセンサー１３上に設置され、図１および２に示されている。好適例において、該捕集装置本体はセラミック素材でできており、筐体 (housing) 本体もセラミックのときは、ハイブリッド・マイクロ回路包装方法を用いることができる。しかし、当業者には、全てをプラスチック包装中に設置することができることは明白であり、そうすると捕集装置本体は容易にプラスチックで作成することができる。セラミックとプラスチックの２つは捕集装置に最もふさわしい物質であるが、金属も捕集装置と筐体そのものとすることが可能である。また好適例において、捕集装置は、例えば、ネジ止め、（エポキシ）接着剤接着など、全ての好適手段によってセンサーに設置することができる。示された例において、図示されていないガスケットは、ラム空気捕集装置とセンサーの間に置かれ、第１の設置ネジ（図示されていない）は捕集装置（図３に示す）中の開口２０を通過し、センサー本体中の孔２６を部分通過し、ねじ込まれて固定され、第２の設置ネジ（図示されていない）は捕集装置の開口１４を通過し、センサー本体の孔２３を部分通過し、ねじ込まれ、固定される。
【００２２】
図３はラム空気捕集装置を後ろに反転させ、取り去った後のセンサーの平面図である。この図において、センサー１３は、微細加工試料前濃縮器２５と表面弾性波アレー検知器２４と共に示されている。ラム空気捕集装置１１はセンサーから取り去られ、その後ろに反転されている。捕集装置１１はチャネルまたは通路１７を含んで示され、サンプリングされた空気はそれを通って点線の矢印に示された方向に進む。チャネル１７は、第１セクション１５，第２セクション１６，第３セクション１８と第４セクション１９からなって示されている。第１セクション１５は、入口３１に隣接し、第４セクション１９は出口３０に隣接する。図示したように、第１セクション１５は第２セクション１６より広い。図４および図６に示すように、第１セクション１５はまた第２セクション１６よりも高さがある。言い換えれば、第１セクション１５の断面積は、第２セクション１６の断面積よりも大きい。従って、空気試料はセクション１５に対してセクション１６の減少された容積の空気空隙の通過を強制される。同様に第２セクション１６は、第３セクション１８よりも広いので、図４と６に示すように、第２セクション１６は第３セクション１８よりも大きな高さを持つ。言い換えれば、」第２セクション１６は第３セクション１８よりも大きな断面積を有する。従って、空気試料はセクション１６に対してセクション１８の容積の減少した空気空間の通過を強制される。好適例において、第４チャネルセクション１９の幅、高さおよび断面積は、第１セクション１５と等しいが、セクション１９の断面積が第３セクション１８のものよりも大きい限り、もし第４チャネルセクション１９が第１チャネルセクションのものと同じ寸法でない場合であっても捕集装置は機能する。好適例において、チャネルの第２セクション１６は、前濃縮器２５と見当があって (in register) おり、第３セクション１８はＳＡＷ検知器２４と見当があっている。「見当を合わせる」とは、チャネルのこれらの特定のセクションが、これら特定の第２および第３チャネルセクション中の空気が、前濃縮器と検知器のそれぞれに直接通じ合うように、前濃縮器と検知器のそれぞれと整列することを意味している。作動中、検知器と捕集装置の組み合わせが、入口３１が運動方向に向き、それにより空気がチャネルの入口に押し込まれるように乗物などの運動体に設置される。
【００２３】
図５は、どのようにセンサー１３が基板に設置されるかを図示する回路基板１２の部分図である。この図はセンサー本体中の溝 (rabbet) ２９も示し、溝は、捕集装置が所定位置に置かれ、図６（図６はセンサー上所定位置の捕集装置を示す端面図である。）に最も良く示されるように、共に入口３１を形成するとき、チャネル１７と整列する。
【００２４】
（作動理論）
本発明の基本装置１１は、種々の図面に図示されている気体捕集装置である。大きな入口の第１セクション１５（図の下）は、接近する流れに向かい、装置の排出口である第４セクション１９（図の上）はセンサー１３の周囲の流れ中の低圧領域につながる。捕集装置の入口と排出（出口）の間の圧力差が前濃縮器と表面弾性波化学センサーに気体を搬送する。
【００２５】
入口と出口の間で発生する最大圧力は、１／２ρＶ２の大きさであり、ここにρは空気密度であり、Ｖはセンサー筐体と環境空気の間の相対速度である。３０ノット（約５５ｋｍ／ｈｒ）の速度のとき、この圧力差は約０．０２ｐｓｉ（１５０Ｐａ）である。
【００２６】
この低輸送圧力のため、輸送チャネルはできるだけ無負荷にする必要がある。この必要は、前濃縮器とＳＡＷの流れ中の拡散距離の極小化の必要と釣り合わされる。図示されたラム空気流れチャネルにおいて、断面積は、前濃縮器とＳＡＷ検知器の間で減少し、次いで出口（第４セクション）でまた拡大する。ＳＡＷのチャネルは、好適例において、１．３ｍｍ幅×０．１ｍｍ高さ×２．３ｍｍ長さの寸法で、最も絞られる。センサーの各セクションでの圧力低下は、下式関係により計算することができる。
【数１】
2005510693.tif 000003
ここにμは空気粘度である。装置内での圧力低下を利用可能な静圧と等しくすることにより、センサー内でのポテンシャル流れ速度から計算することができる。図７は、空気速度の関数としてのセンサー内の容量流れ速度の計算値を示す。図８に示す測定結果は、センサー内の流れ速度が空気流上の化学分析の実施に十分であることを図示している。これらの結果では、空気流中の分析物質は、特定時間、７秒、１５秒及び３０秒間、前濃縮器上に捕集された。次いで前濃縮器は熱的振動で、分析物質を脱離し、濃縮された分析物質は空気流によりＳＡＷ検知器に送られた。１５秒捕集時間と２０ノットの空気速度において、ＳＡＷ、前濃縮器、ラム空気ポンピングのこの組合せにより、マスタードガスや神経ガスなどの分析物質の１ｐｐｍ濃度の検知が可能である。
【００２７】
従って、本発明の目的は効率的に達成されるが、本発明への修正、変更は当業者には容易に明らかであり、これらの修正は特許請求の範囲記載の発明の範囲内にあるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置を搭載する典型的センサーの平面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って得られた、図１に示す装置の側面図である。
【図３】図１に示されたセンサーの平面図（左図）および、センサーから取り去られ、その上部を反転された、本発明装置の底面図（右図）である。
【図４】図３の線４−４に沿って得られた本発明装置の端面図である。
【図５】本発明装置を取り去った、図１に示された典型的センサーの部分端面図である。
【図６】本発明装置がセンサー上に置かれた、図５と同様の図である。
【図７】空気流速度の関数として、本発明のラム空気流れダクトを通過する計算された流れを示すグラフである。
【図８】３つの前濃縮器の捕集時間について測定されたＳＡＷ信号を示したグラフである。
【図１】
2005510693.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005510693.tif 000008
【図６】
2005510693.tif 000009
【図７】
2005510693.tif 000010
【図８】
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【国際調査報告】
2005510693.tif 000012
2005510693.tif 000013