(57)【要約】集積化容量性検出器を有する分光計を提供する。集積化容量性検出器は、コレクタ（７６８）からのイオン電流を変化電圧に積分する。検出器は、分光計中のイオンを受けるように構成されたコレクタと、誘電体と、コレクタ側とは反対側の誘電体の側でコレクタと重なる構成配置のプレートとを有する。検出器は増幅器（７６４）をも有する。オフセット回路（７７６）を有する容量性検出器をも提供する。
2015526697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出器を備え、
前記検出器は、
イオンを検出するように構成されたコレクタと、
前記コレクタに結合された容量性トランスインピーダンス増幅器と、
前記検出器に含まれる前記容量性トランスインピーダンス増幅器に結合されたオフセット回路と、を有する分光計。
【請求項２】
請求項１に記載の分光計において、前記オフセット回路は、電圧源を有している分光計。
【請求項３】
請求項１に記載の分光計において、前記オフセット回路は、可変増幅度とした増幅器を有している分光計。
【請求項４】
請求項３に記載の分光計において、前記可変増幅度とした増幅器の増幅度を変化させるように構成された制御回路を備えている分光計。
【請求項５】
請求項４に記載の分光計において、前記制御回路は、プロセッサを有しており、
前記制御回路は、前記容量性トランスインピーダンス増幅器の出力端に結合されており、前記制御回路は、前記容量性トランスインピーダンス増幅器の出力に基づいて、前記可変増幅度とした増幅器の増幅度を変化させる分光計。
【請求項６】
請求項３に記載の分光計において、前記検出器の出力端に結合されたアナログ‐デジタル変換器を備える分光計。
【請求項７】
請求項６に記載の分光計において、前記アナログ‐デジタル変換器に結合されたプロセッサを有する制御回路と、前記プロセッサ及び前記可変増幅度とした増幅器に結合されたデジタル‐アナログ変換器とを備える分光計。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の分光計において、前記制御回路は、前記検出器の出力を、前記容量性トランスインピーダンス増幅器及び前記アナログ‐デジタル変換器のダイナミックレンジ内に維持させるように、前記可変増幅度とした増幅器の増幅度を制御するように構成されている分光計。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の分光計において、前記コレクタは、前記容量性トランスインピーダンス増幅器の帰還キャパシタの一方のプレートとして構成されている分光計。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の分光計において、前記容量性トランスインピーダンス増幅器は演算増幅器を有し、前記演算増幅器の帰還ループ内にキャパシタが構成されている分光計。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分光計において、前記コレクタと前記キャパシタとが加算用ジャンクションにおいて結合されており、
前記加算用ジャンクションは前記演算増幅器の入力端に結合されており、
前記加算用ジャンクションには他の構成素子が直接結合されていないようにした、
分光計。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の分光計において、前記容量性トランスインピーダンス増幅器は、前記コレクタからのイオン電流を電圧として積分するように構成された積分器として構成されている分光計。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の分光計において、少なくともイオンのピークが通過するまでイオンを受けるように構成された第２のトランスインピーダンス増幅器に結合された第２のコレクタを備える分光計。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の分光計において、ほぼ大気圧で動作するように構成されたイオン移動度分光計を備える分光計。
【請求項１５】
入力端及び出力端を有し、前記出力端がキャパシタに結合されている増幅器と、
前記増幅器の前記入力端に結合されたコレクタであって、前記コレクタに接触するイオンを収集するように構成された当該コレクタと、
前記増幅器に結合されたオフセット回路と
を有している検出器を備える分光計。
【請求項１６】
請求項１５に記載の分光計において、前記オフセット回路は、前記増幅器の出力を選択的にオフセットさせるように構成されている分光計。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の分光計において、前記オフセット回路は、前記増幅器の出力が前記増幅器のダイナミック範囲内に維持されるように、前記増幅器の出力を選択的にオフセットさせるように構成されている分光計。
【請求項１８】
請求項１２に記載の分光計において、前記キャパシタは、前記増幅器の帰還ループ内に構成され、前記増幅器及び前記キャパシタが、前記コレクタからの信号を電圧に変換するように構成されている分光計。
【請求項１９】
請求項１５〜１８の何れか一項に記載の分光計において、前記オフセット回路は、前記増幅器の帰還ループ内に構成された、選択的に調整可能な増幅器を有している分光計。
【請求項２０】
請求項１５〜１９の何れか一項に記載の分光計において、前記キャパシタは、前記コレクタの少なくとも一部分と、容量性プレート素子と、前記コレクタと前記容量性プレート素子との間に配置された誘電体とを有している分光計。
【請求項２１】
分光計であって、
出力端を有する増幅器の入力端に結合された加算用ジャンクションに結合され、前記分光計内でイオンを受けるように構成されたコレクタと、
入力端及び出力端を有し、前記入力端が前記増幅器の前記出力端に結合されているオフセット回路と、
前記オフセット回路の出力端と前記加算用ジャンクションとに結合されたキャパシタと
を備える分光計。
【請求項２２】
請求項２１に記載の分光計において、前記増幅器は、演算増幅器を有し、前記オフセット回路は、選択的に調整可能な計装用増幅器を有している分光計。
【請求項２３】
請求項２２に記載の分光計において、前記計装用増幅器の増幅度を調整するように構成されたマイクロプロセッサをさらに備える分光計。
【請求項２４】
請求項２１〜２３の何れか一項に記載の分光計において、前記増幅器及びキャパシタが、容量性トランスインピーダンス増幅器を構成するように配置されており、前記キャパシタ、前記コレクタおよび前記増幅器だけが、前記加算用ジャンクションに電気的に結合された素子である分光計。
【請求項２５】
請求項２１〜２４の何れか一項に記載の分光計において、ほぼ大気圧で動作するように構成されたイオン移動度分光計を備える分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出器装置、特に、分光計（スペクトロメータ）用検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光計（“ＩＭＳ”）、電界非対称イオン移動度分光計（“ＦＡＩＭＳ”）又は微分型移動度分光計（“ＤＭＳ”）装置は、爆発物、薬物、ブリスター及び神経ガス等のような物質を検出するのにしばしば用いられている。分光計は代表的に、疑わしい物質又は検体を含む空気の試料が気体又は蒸気として供給される検出セルを有している。検出セルは、大気圧で又はその付近で動作するものであり、検出セルに沿って電圧勾配を生じさせるように電圧が加えられる電極を有している。
【０００３】
空気の試料中の分子は、放射線源、紫外線（“ＵＶ”）源又はコロナ放電のような手段によりイオン化され、一端の静電ゲートによりセルのドリフト領域内に入れられる。イオン化された分子は、コレクタに対するイオンの寸法に依存する速度でセルの反対側の端部に移動し、コレクタ内に電流パルスを生じさせる。コレクタ内に生じた電流は電圧に変換され、増幅される。セルに沿った飛行時間を測定することにより、イオンを同定することができる。
【０００４】
ここまでに述べた主題は、背景技術の部分への記述の結果として単に従来技術とみなされるべきものではない。同様に、これまで述べた又はこの主題と関連する問題も従来技術で以前から認識されていたものとして前提されるべきものではない。ここまでに述べた主題は、それ自体で本発明ともなりうる種々の手法を単に表しているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第６１／６５４，３３３号
【特許文献２】米国特許第６，０５１，８３２号
【特許文献３】米国特許第６，２５５，６２３号
【特許文献４】米国特許第５，９５２，６５２号
【特許文献５】米国特許第４，５５１，６２４号
【特許文献６】米国特許第６，４５９，０７９号
【特許文献７】米国特許第６，４９５，８２４号
【発明の概要】
【０００６】
オフセットを備える容量性検出器を有する分光計を開示する。これら分光計は、分子をイオンに基づいて同定するために所望の（関心のある）試料の分子をイオン化するのに用いられる。一例では、イオンが分光計内の室（チャンバ）に沿って移動し、コレクタにより収集される。生じたイオン信号は、トランスインピーダンス増幅器により増幅される。トランスインピーダンス増幅器の帰還ループ内にはキャパシタが配置されている。この回路は、積分器として動作する。この回路の出力端は測定システムに接続されている。
【０００７】
本発明の一態様では、分光計を提供する。分光計は検出器を有している。検出器は、イオンを受けるように構成されたコレクタと、コレクタに結合された容量性トランスインピーダンス増幅器とを有している。
【０００８】
他の態様でも、分光計を提供する。分光計は検出器を有している。検出器は、入力端及び出力端を有する増幅器を備えている。出力端はキャパシタに結合されている。検出器はまた、コレクタを備え、コレクタは、増幅器の入力端に結合されているとともに、コレクタに接触するイオンを収集するように構成されている。検出器はまた、増幅器に結合されたオフセット回路を有している。
【０００９】
更に他の態様でも、分光計を提供する。分光計は、加算用ジャンクションに結合されイオンを受けるように構成されたコレクタを有している。分光計もまた、加算用ジャンクションを有している。加算用ジャンクションは、入力端および出力端を有する増幅器の増幅器の入力端に結合されている。分光計はまた、入力端と出力端とを有するオフセット回路を備えている。オフセット回路の入力端は増幅器の出力端に結合されている。分光計はまた、オフセット回路の出力端と加算用ジャンクションとに結合されたキャパシタを有している。
【００１０】
上述した「発明の概要」は、以下の「発明を実施するための形態」で更に説明される簡単な形態での概念の選択を導入するためのものである。この「発明の概要」は、特許請求の範囲の主題の重要な特徴又は基本的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲の主題の範囲を決定する際の補助として用いることを意図するものでもない。
【００１１】
本発明の詳細な説明を添付図面につき説明する。図面では、参照符号の最も左側の数字が、この参照符号が最初に現れる図面の番号を表している。以下の説明及び図面での異なる事例における同じ参照符号の使用により、同様な又は同じ要素を表すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施例による、集積化容量性検出器を有する代表的なＩＭＳ装置を示す略図である。
【図２】図２は、例えば図１に示す代表的なＩＭＳ装置に対する集積化容量性検出器として用いうる集積化容量性検出器の一実施例を示す詳細図である。
【図３】図３は、例えば図２に示す構成配置より成る回路のようなトランスインピーダンス増幅器回路の一実施例を示す略図である。
【図４】図４は、図２に示す構成配置より成る回路の他の実施例を示す略図である。
【図５】図５は、集積化容量性検出器及び第２の検出器を有するＩＭＳ装置の他の実施例を示す略図である。
【図６】図６は、リセット回路を有する検出器の一実施例を示す略図である。
【図７】図７は、オフセット回路を有する検出器の一実施例を示す略図である。
【図８】図８は、オフセット回路を有する検出器の他の実施例を示す略図である。
【図９】図９は、オフセット回路を有する検出器の更に他の実施例を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、所望の試料における分子の電気的なイオン化を実施するイオン移動度分光計（“ＩＭＳ”）１００のような代表的な分光計を示す略図である。ＩＭＳ１００は、第１の壁部１０４から第２の壁部１０６まで延在する細長状のハウジング１０２を有している。ハウジング１０２には第１の壁部１０４に近接して入口１０８が設けられている。入口１０８を経てハウジング１０２内に所望の分子が引き入れられる。ハウジング１０２は、流体連結状態のイオン化室１１０及びドリフト室１１２を規定するが、これらはドリフト室１１２へのイオンの流れを制御しうるゲート１１４により互いに分離されている。イオン化室１１０は、ニッケル６３放射源のような放射線源、コロナ放電装置、光イオン化源又は所望の試料をイオン化するその他の適切な種類のイオン化源としうるイオン化源１１６を有している。ドリフト室１１２は、イオンを（図１に示す状態で）左から右に引き入れるのに有効な電位勾配をドリフト室１１２の長手方向に沿って生じさせる、ドリフト室１１２に沿って離間させた電極対１１８を有している。ドリフト室１１２内でハウジング１０２の第２の壁部１０６に近接して検出器１２２のコレクタ１２０が設けられている。イオンは、これらのイオンがコレクタ１２０に接触すると検出される。
【００１４】
所望の分子のイオン化は種々の方法で達成することができる。例えば、プラズマ中で形成されたイオンを用いた種々の多段階プロセスを介して、分子をイオン化することができる。
【００１５】
実施例では、反応イオンをコロナにより発生させる。反応イオンが所望の分子をイオン化する。例えば、イオン源がイオンを形成し、その後これらのイオンが引き出されて所望の分子をイオン化する。反応イオンは、イオン化室内の、イオン化ガス（例えば、窒素及び空気中のガス）や、水等のような他のガスとすることができる。所望の分子の断片化が可能であるが、イオン化は“ソフト”イオン化となるように制御し、これにより分子の断片化を最少化して単一電荷、例えば、プラス１又はマイナス１の電荷を有する分子を選択するようにする。
【００１６】
一実施例では、ＩＭＳは、ゲート１１４が開放された後、イオンがコレクタ１２０に到達するまでどの位の時間を要するかを計時する。この飛行時間は内在する分子と関連付けることができる。イオンの移動度は、イオンと関連付けられた分子を同定するのに用いられる。例えば、コンピュータを用いて、検出器１２２の出力を既知のイオンのプラズマグラムライブラリと比較することができる。コレクタ１２０から放出されるイオン電流は概して、極めて小さい。従って、以下に更に説明するように、検出器１２２は、イオン電流を増幅する増幅素子１２６を含む増幅回路１２４を含む。検出器１２２の出力端は、以下に更に説明するように測定システム１２３に結合させることができる。
【００１７】
実施例の測定システム１２３には、以下に更に説明するように、アナログ‐デジタル変換器、デジタル‐アナログ変換器、増幅素子、プロセッサ等を設けることができる。プロセッサは、これらを形成する材料により、又はこれらプロセッサに採用される処理機構により制限されない。例えば、プロセッサは、半導体及びトランジスタ（例えば、電子的な集積回路（“ＩＣ”））の双方又は何れか一方で構成されてもよい。プロセッサにはメモリを含めることができる。メモリは、ＩＭＳを動作させる命令、データ等のプログラムのようなデータを記憶することができる。単一のメモリ装置を用いることができるが、ランダムアクセスメモリ（“ＲＡＭ”）、ハードディスクメモリ、リムーバブルメディアメモリ、外部メモリ及びその他の種類のコンピュータ可読記憶媒体のような、種々のメモリ及びこれらの組合せ（例えば、タンジブルメモリ）を採用することがでる。実施例では、他の適切な測定システムを設けることができる。
【００１８】
イオンは第２の壁部１０６に向かってドリフト室１１２を流れる。コレクタ１２０は第２の壁部１０６に近接して位置する。図示の例では、コレクタ１２０は、誘電体１２８により支持されている。誘電体１２８は適切な如何なる誘電体とすることができ、図示の例ではポリイミドより成るプリント回路基板（“ＰＣＢ”）である。コレクタ１２０は、適切な如何なる材料（例えば、銅や、その他の金属や、導電性材料等）、又はこれらの材料の組合せにより構成することができ、ＰＣＢ上に堆積させるか或いは適切な手段によりＰＣＢに結合させることができる。
【００１９】
図２は、例えば、図１に示す代表的なＩＭＳ装置に設けられる集積化容量性検出器として用いられうる容量性検出器の一実施例を示す詳細図である。コレクタ２２０は、イオンを収集するのに適した領域にまたがってＰＣＢ２２８上に堆積されている。一実施例では、ＰＣＢ２２８は、直径が約７．５ミリメートルで正方形の面積が約４４平方ミリメートルのほぼ円形状である。他の適切な形状、直径及び面積も考えられる。一実施例では、コレクタ２２０の寸法を、正確な検出が可能な程度に充分に小さくする。図示の実施例では、コレクタ２２０は、保護リング２３０で囲まれている。保護リング２３０は、適切な如何なる材料からも形成しうる。
【００２０】
コレクタ２２０とは反対側のＰＣＢ２２８の側には容量性プレート素子２３２が支持されている。容量性プレート素子２３２は、適切な如何なる材料（例えば、銅、その他の金属等）又はこれらの材料の組合せにより構成でき、適切な何らかの手段により、ＰＣＢ上に堆積させるか又はＰＣＢに結合させることができる。
【００２１】
平行プレートキャパシタは、これらプレートの重なり面の面積と、これらプレート間の距離間隔と、次式による誘電定数（比誘電率）とに基づくキャパシタンスを有している。
Ｃ＝（ｋ・８．８５４・１０−12・Ａ／Ｄ）・１・１０−12
ここで、ｋは誘電体材料の誘電定数であり、Ａはプレートの重なり面積であり、Ｄはプレート間の距離であり、Ｃはキャパシタのキャパシタンスである。
【００２２】
容量性プレート素子２３２とコレクタ２２０との重なり部分がＰＣＢ２２８とともに、キャパシタとして作用するように構成され、容量性プレート素子２３２と重なるコレクタ２２０の部分がキャパシタの一方のプレートとして作用し、ＰＣＢ２２８が誘電体として作用し、容量性プレート素子２３２がキャパシタの他方のプレートとして作用する。容量性プレート素子２３２は、以下に更に説明するように、目的とする適用分野に対する目的のキャパシタンスを達成するための、コレクタ２２０の面積の一部に重なる面積を有するような寸法とする。一実施例では、ＰＣＢ２２８を、約３．４の誘電定数を有するポリイミドから形成する。容量性プレート素子２３２は、コレクタ２２０に重なる約４４平方ミリメートルの面積を有するような寸法とする。ＰＣＢ２２８の厚さは約１．５ミリメートルとする。従って、コレクタ２２０、容量性プレート素子２３２およびＰＣＢ２２８により構成されるキャパシタのキャパシタンスは約０．８８３ピコファラッドである。種々の適用分野に適した他のキャパシタンスとなる他の構成配置も考えられる。
【００２３】
以下に更に説明するように、誘電体とともに、容量性プレート素子２３２とコレクタ２２０との重なり部分により形成されるキャパシタ、および、コレクタ２２０は、トランスインピーダンス増幅器回路の加算用ジャンクションノードを形成する。加算用ジャンクションノードは増幅素子２２６の第１の入力端２３４に結合されている。
【００２４】
図２を更に参照するに、増幅素子２２６は、適切な如何なる種類の演算増幅器とすることができる。更に、他の適切な種類の増幅素子も考えられる。演算増幅器２２６の第１の入力端２３４は演算増幅器の反転入力端である。演算増幅器２２６は、演算増幅器２２６の非反転入力端である第２の入力端２３６も有している。演算増幅器２２６の第２の入力端２３６は接地されている。演算増幅器２２６はまた、出力端２３８を有している。出力端２３８は容量性プレート素子２３２に結合されている。
【００２５】
図３は、図２に示す装置により形成される回路を示す略図である。図２の容量性プレート素子２３２、誘電体２２８及びコレクタ２２０により形成されるキャパシタは、増幅素子３２６の帰還ループ内に配置された帰還キャパシタ３４０として機能する。帰還キャパシタ３４０とコレクタ３２０とは、演算増幅器３２６の反転入力端３３４に結合された加算用ジャンクションノード３４２に接続されている。
【００２６】
図３の回路は、その入力端に供給される電流を低インピーダンス出力に変換する容量性トランスインピーダンス増幅器として機能する。イオンがコレクタ３２０に衝突すると、イオン信号により電荷をキャパシタ３４０の両端間に蓄積させ、演算増幅器３２６の出力は入力信号の極性に応じて正又は負の方向に増大する。従って、図示の回路は積分器として動作し、コレクタ３２０からのイオン電流を増大電圧として積分する。
【００２７】
電荷がキャパシタ３４０に蓄積され、キャパシタ３４０がその動作限界に達すると、キャパシタ３４０が放電を要求されてリセットされる。一実施例では、キャパシタ３４０は、リセット用のスイッチング回路３４４と並列に結合されている。キャパシタ３４０をリセットしたい場合、リセット用のスイッチング回路３４４のスイッチを閉じ、これによりキャパシタ３４０をリセットさせて放電させることができる。実施例では、リセット用のスイッチング回路３４４にまた、電圧の変化率を制御して瞬時電流を制御するために、抵抗性素子を含みうる。
【００２８】
図４は、キャパシタ４４０を放電させる他の構成配置を有する図２に示す装置より成る回路を示す略図である。種々の演算増幅器４２６が入力保護ダイオードを構成する。演算増幅器４２６の出力端に結合された容量性プレート素子４３２は接地されるようにスイッチングされる。従って、キャパシタに蓄積された電荷は、演算増幅器４２６の保護ダイオードを介して放出される。ある実施例では、抵抗性素子が、放電中の瞬時電流を制限するために設けられる。
【００２９】
演算増幅器４２６は、電力を演算増幅器４２６に与える給電接続ラインを有する。ある例では、演算増幅器４２６の給電接続ラインを接地することにより、キャパシタ４４０がリセットされる。これにより、キャパシタ４４０に蓄積された電荷は、演算増幅器の内部ダイオード構造部を介して放出される。
【００３０】
他の実施例では、演算増幅器４２６の給電接続ラインを部分的に又は完全に反転させることにより、キャパシタ４４０はリセットされる。この場合、キャパシタ４４０に蓄積されている電荷は、演算増幅器の内部ダイオード構造部を介して放出される。ある実施例では、電圧の変化率を制御して瞬時電流を制限するために、抵抗性素子が設けられる。
【００３１】
更に他の実施例では、分光計１００はさらに、極性切換セル内にイオン発生器を有する。キャパシタ４４０をリセットする代わりに、イオン発生器は、キャパシタを逆極性の向きに変えるために用いられる。
【００３２】
図５は、分光計５００の他の実施例を示している。分光計５００は、図１の分光計１００とほぼ同じ構成素子を有しているが、分光計５００はさらに、第２のコレクタ５４６と、第２の演算増幅器５４８と、演算増幅器５４８の帰還ループ内に配置された抵抗性素子５５０とを備えている。抵抗性素子５５０と第２のコレクタ５４６とは、第２の演算増幅器５４８の反転入力端５５４に結合されたジャンクション５５２に結合されている。第２の演算増幅器５４８の非反転入力端５５６は接地されている。
【００３３】
本例での動作に当っては、所望の試料をイオン化室５１０内に引き入れられ、イオン化源５１６が試料をイオン化する。イオンがドリフト室５１２を通過するようにするためにゲート１１４が開放されるのに続く第１の時間部分の間、イオンが第２のコレクタ５４６により収集される。この時間部分の間、第１のコレクタ５２０及びその関連の回路はリセット状態に保持されている。イオン化源５１６によるイオン化の結果、代表的に、反応イオンのピーク（従って、反応イオンのピーク電流）が得られる。反応イオンのピークを通過するまで、第２のコレクタ５４６及びその関連の回路を用いられる。しかし、反応イオンのピーク後は、第１のコレクタ５２０及びその関連の回路はもはやリセット状態に保持されず、これらのみで又は第２のコレクタ５４６と組合せて用いてイオンの流れを監視する。上述した構成配置をこのように用いて、イオンスペクトルの選択部分を増大させることができる。
【００３４】
図６は、検出器６２２の他の実施例を示す。本例では、演算増幅器６２６の出力端は抵抗性素子６５７に結合されている。抵抗性素子６５７は、スイッチ６５９に結合されており、スイッチ６５９は、閉じられると抵抗性素子６５７を接地する。スイッチ６５９が開放すると、抵抗性素子６５７は、第２の増幅素子６６１、一実施例では、計装用増幅器の非反転入力端に結合される。第２の演算増幅器６６１の出力端は帰還キャパシタ６４０に結合されている。この構造に基づくと、帰還キャパシタ６４０の両端間の電荷を、システムの現状や入力信号とは無関係に変えることができる。スイッチ６５９が閉じられると、第２の増幅素子６６１に接続された容量性プレート素子６３２における電圧を、第２の増幅素子の給電電圧内の如何なるレベルにも駆動しうる。キャパシタ６４０の反対側のプレートは、逆並列接続ダイオード６６３により接地電位付近に保持される。これらダイオード６６３は個別素子として示しているが、一実施例では、これらのダイオードは、第１の増幅素子６２６の入力回路内に組み込まれる。従って、一実施例では、追加の構成素子又は加算用ジャンクションノード６４２への追加の接続ラインを設けることなしに、キャパシタ６４０をリセットすることができる。
【００３５】
容量性検出器の実施例は、例えば、オフセット機能を用いることにより、リセットすることなしに用いうることが考えられる。本発明の実施例を用いうることが考えられる検出器の一例は、“Integrated Capacitor TransimpedanceAmplifier ”と題する米国特許出願第６１／６５４，３３３号明細書に開示されている。この米国特許出願は、本出願との同時出願であって本出願の譲受人に譲渡されたものであり、その内容の全ては参考のためにここに導入されるものである。更に、コレクタがキャパシタの一部を形成しない、すなわち電荷を蓄積しない（キャパシタを別体にする）分光計装置を含む適切な如何なる分光計装置に対して本発明の実施例を用いることができることも考えられる。
【００３６】
図７を参照するに、オフセットを有する容量性検出器７６０の実施例が示されている。本例では、検出器７６０の出力端７６２が、測定システム７２３に結合される。一実施例では、測定システム７２３は、適切な如何なる種類のアナログ‐デジタル変換器を含む。図示の実施例では、検出器７６０は、イオン移動度分光計からのイオン信号により駆動される積分器として機能するように構成されている。
【００３７】
検出器７６０は、演算増幅素子７６４、一実施例では演算増幅器と、キャパシタ７６６とを有している。キャパシタ７６６は、演算増幅器７６４の反転入力端７７２に結合された加算用ジャンクション７７０において、コレクタ７６８の出力端に結合されている。演算増幅器７６４の非反転入力端７７４は接地されている。キャパシタ７６６はまた、オフセット回路７７６に結合されている。オフセット回路７７６は、演算増幅器７６４の出力端に接続されている。
【００３８】
動作に当っては、検出器７６０は積分器として動作し、コレクタ７６８により収集された分光計装置からのイオン信号が積分器を駆動する。イオン信号は電荷をキャパシタ７６６の両端間に蓄積させ、演算増幅器７６４の出力は入力信号の極性に応じて正又は負の方向に増大する。
【００３９】
あるシステムでは、給電電圧により演算増幅器の利用可能な出力を制限させることができる。更に、測定システム７２３又はその構成素子が入力範囲を制限しうる。従って、単一極性のコレクタ７６８からの入力信号により、演算増幅器７６４の出力をその限界値に到達させるか或いは測定システム７２３又はその構成素子の入力範囲限界値に到達させることができる。
【００４０】
オフセット回路７７６は出力信号をオフセットさせ、演算増幅器７６４の出力がその限界値又は測定システム７２３の入力範囲の限界値内に戻るようにする。従って、演算増幅器７６４の出力信号が範囲外になる度に、測定システム７２３の入力範囲までオフセットさせれば、測定システムの入力範囲を再使用しうるようになる。
【００４１】
図７に示す実施例では、測定システム７２３は、入力範囲が制限されたアナログ‐デジタル変換器を備えている。図７に示す実施例におけるオフセット回路７７６は電圧源７７８を有している。電圧源７７８は電圧を選択的に発生させ、演算増幅器７６４の出力電圧が設定限界値よりも高くなると、電圧源７７８は、出力電圧をオフセットさせる電圧を発生させ、演算増幅器の出力をその限界値内に戻すとともに、検出器７６０の出力端７６２における電圧を測定システム７２３の入力範囲内に戻すようにする。
【００４２】
図８は、オフセットを有する容量性検出器８６０の他の実施例を示す。本例では、オフセット回路８７６は、計装用増幅器のような第２の増幅素子８８０を有している。他の適切な増幅素子には、集積回路の計装用増幅器や、種々の構成素子より成る計装用増幅器等を含むがこれらに限定されない。演算増幅器８６４の出力端は、計装用増幅器８８０の非反転入力端８８２に結合されている。反転入力端８８４は接地されている。計装用増幅器８８０はまた、選択的に可変としうる基準電圧源８８８に結合された基準電圧入力端８８６を有している。
【００４３】
選択的に可変としうる基準電圧源８８８から出力される電圧を変えることにより、計装用増幅器８８０及び検出器８６０の出力を変えることができる。従って、演算増幅器８６４の出力の限界値に達すると、電圧源８８８の出力調整を用いて検出器８６０のダイナミックレンジを拡張させることができる。
【００４４】
図９は、オフセットを有する容量性検出器９６０の他の実施例を示す。本例では、計装用増幅器９８０の基準電圧入力端９８６がデジタル‐アナログ変換器９９０に結合されている。検出器９６０の出力端９６２は、アナログ‐デジタル変換器９９２に結合され、アナログ‐デジタル変換器９９２は、プロセッサのような制御回路９９４に結合されている。制御回路９９４はデジタル‐アナログ変換器９９０に結合されている。従って、制御回路９９４は、検出器９６０の出力端９６２における電圧に基づく信号を受信し、計装用増幅器９８０の増幅度を制御する入力を生じるように構成されている。計装用増幅器９８０の制御は、一実施例では、検出器９６０の出力信号、プログラム化した論理法又は他の何らかの適切な制御に基づくようにしうる。一実施例では、制御回路９９４によるオフセットの選択制御を如何なる時点でも指令するようにしうる。
【００４５】
一実施例では、アナログ‐デジタル変換器９９２、制御回路９９４およびデジタル‐アナログ変換器９９０を組合せてマイクロコントローラとすることができる。
【００４６】
他の実施例では、“Integrated Capacitor Transimpedance Amplifier ”と題する米国特許出願第６１／６５４，３３３号明細書に開示されているような集積化容量性トランスインピーダンス増幅器を用いる他の例では、アナログ‐デジタル変換器９９２と、制御回路９９４と、デジタル‐アナログ変換器９９０とを集積化してここに開示されている誘電体により支持することができる。この米国特許出願は、本出願との同時出願であって本出願の譲受人に譲渡されたものであり、その内容の全ては参考のためにここに導入されるものである。更に、この米国特許出願に開示されているコレクタを、上述した且つ図面に示すオフセット回路を有する容量性検出器のキャパシタのプレートとして作用させることができる。
【００４７】
従って、上述したようなオフセットを有する容量性検出器の実施例によれば、構成配置内の他のレベルを正常限界値内に保った状態で、キャパシタの定格電圧及び第２の増幅素子の限界値のみにより制限される広いダイナミックレンジを可能にすることができることが分かる。上述したようなオフセットを有する容量性検出器の実施例によれば、積分回路に用いられている増幅器の給電電圧及び出力電圧の限界値、或いは測定システム又はアナログ‐デジタル変換器の制限された入力範囲に拘らず、広いダイナミックレンジを提供することができる。
【００４８】
他の実施例では、入力バイアス電流が小さく、低い給電電圧により動作する高性能増幅器を、より高い給電電圧で動作するとともにオフセットが追加されている計装用増幅器と組合せて広いダイナミックレンジを可能としうる。
【００４９】
容量性トランスインピーダンス増幅器を含む検出器の実施例によれば、熱雑音を回避又は低減させて低雑音の信号を生じるようにしうる。
【００５０】
上述したところでは、増幅器及び増幅素子を参照したが、増幅器又は増幅素子は単一素子に限定させることを意図するものではない。むしろ、これらの用語には、ある実施例では、複数の素子、集積回路又は増幅に適した他の如何なる構成も含む回路を包含させることができる。
【００５１】
上述したところでは、ＩＭＳの特定の実施例と組合せて集積化容量性検出器を説明したが、集積化容量性検出器の実施例を、ＦＡＩＭＳ及びＤＭＳを含む種々の異なる分光計の構成と組合せて用いることが考えられる。集積化容量性検出器の実施例を用いうると考えることのできる代表的な分光計装置は、例えば、米国特許第６，０５１，８３２号（発明者：Bradshaw等）、米国特許第６，２５５，６２３号（発明者：Turner等）、米国特許第５，９５２，６５２号（発明者：Taylor等）、米国特許第４，５５１，６２４号（発明者：Spangler等）、米国特許第６，４５９，０７９号（発明者：Machlinski氏等）及び米国特許第６，４９５，８２４号（発明者：Atkinson）に開示されている。これらの各米国特許の開示内容はここに導入しうるが、その全ては参考のためである。
【００５２】
「から成る」、「有する」、「含む」および「包含する」という語句は、特に言及しない限り、開放型の語句として解釈されるべきである。本明細書での値の範囲の言及は単に、その範囲内に収まるそれぞれの別個の値を言及する簡便な方法として役立つことを意図し、本明細書で特に言及しない限り、それぞれの別個の値は、ここで別個に列挙された場合には、本明細書に組み込まれる。ここに開示した方法は、特に断らない限り適切な如何なる順序でも実行しうるものである。ここで述べた何れかの例や全ての例又は代表的な言語（例えば、“のような”）の使用は、単に本発明を良好に示すためのものであり、別に主張しない限り本発明の範囲を限定するものではない。明細書中の言語は、請求項に記載されていない要素が本発明を実現するのに必須であるとして解釈されるべきものではない。
【００５３】
追加の実施例では、ここに開示した構造、技術等を種々の分析装置に用いることができる。従って、本明細書全体に亘ってＩＭＳ装置につき説明したが、上述した技術、方法、構造等を種々の分析装置に用いることができる。これらの装置は、機能性を制限して（例えば、装置を肉薄にして）或いは機能性を強固にして（例えば、装置を肉厚にして）構成することができる。従って、装置の機能性は、装置のソフトウェア又はハードウェアリソース、例えば、処理能力、メモリ（例えば、データ記憶能力）、解析能力等に関連付けることができる。例えば、質量分析計（“ＭＳ”）のようなイオン化処理を含む他の種類の分光分析にコロナ源を用いることもできる。
【００５４】
上述したところでは、本発明の実施例を構造的に説明したが、その構造や、その構造的及び機能的な双方又は何れか一方の等価物を方法で実行しうる。
【００５５】
上述したところでは、本発明を実行する上で本発明者にとって既知の最良のモードを含む本発明の好適実施例を説明した。しかし、上述したことを考慮することにより、これらの好適実施例の変形例も当業者にとって明らかとなりうるものである。本発明者は、熟練した当業者がこのような変形例を適切なものとして採用することを期待するものであり、又本発明者は、本発明をここに明瞭に述べたこと以外で実行することを意図しているものである。従って、本発明には、適用法令で許容されている特許請求の範囲に述べられている主題の変形及び等価の全てを含むものである。更に、上述した素子のあらゆる可能な変形の如何なる組合せも、ここで他に指示されてないか又は状況で明瞭に矛盾していない限り本発明に含まれるものである。
【００５６】
本発明を、構造上の特徴と方法論的作用との双方又は何れか一方に特有の言語で説明したが、特許請求の範囲に規定した本発明は必ずしも上述した特有の特徴又は作用に限定されるものではない。むしろ、これらの特徴及び作用は、特許請求の範囲に開示した発明を実行する例示的形態として開示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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