(57)【要約】湿度の影響の補正を実行し、被検物質を検出するためのデバイスおよび方法が提供される。デバイスは、振動部を有する共振センサーを含む。コンデンサーは、振動部上に配置されている。コンデンサーは、少なくとも２つの電極と、電極の間に配置されているセンシング材料と、によって形成されている。読み出し回路は、物質がセンシング材料内で吸着または吸収された際のコンデンサーのキャパシタンスおよび振動部の応答（例えば、周波数シフトや、共振周波数、剛性、または歪みの変化）を測定するよう配置されている。測定値のこの組み合わせは、デバイスが、様々なタイプの吸着または吸収された分子を区別することを可能とし、特に、興味対象の被検物質と、被検物質の検出に干渉し得る水分子とを区別することを可能とする。プロセッサーは、センシング材料内の水の影響を判別するため、キャパシタンスおよび振動部の応答の双方の測定値に基づいて、被検物質の存在、量、または濃度を示す被検物質値を判別する。【選択図】図６
2020514687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの被検物質を検出するためのデバイスであって、
ａ）振動部を有する少なくとも１つの共振センサーと、
ｂ）前記共振部上に配置された少なくとも第１のコンデンサーであって、前記第１のコンデンサーは、少なくとも２つの電極と、前記電極の間に配置されているセンシング材料と、によって形成されている、第１のコンデンサーと、
ｃ）物質が前記センシング材料内で吸着または吸収された際の前記コンデンサーのキャパシタンスおよび前記振動部の応答を測定するために配置された少なくとも１つの読み出し回路と、を含むデバイス。
【請求項２】
前記電極は、金属の略平行な層または板を含み、前記電極の少なくとも１つは、分子が、前記センシング材料へ通過することを可能とするために、ガス透過性である請求項１のデバイス。
【請求項３】
前記第１のコンデンサーとは反対側の前記共振器の面上に配置された第２のコンデンサーをさらに含み、前記第２のコンデンサーは、少なくとも２つの電極と、それらの間に配置された追加的なセンシング材料と、から形成されている請求項１のデバイス。
【請求項４】
前記第２のコンデンサーを形成する前記電極の少なくとも１つは、ガス透過性であり、前記読み出し回路は、前記第１および第２のコンデンサーを形成する４つの電極に接続され、前記第１および第２のコンデンサーの合計キャパシタンスを測定、または、前記第１および第２のコンデンサーのそれぞれのキャパシタンスを測定する請求項３のデバイス。
【請求項５】
前記共振センサーは、円形の面を有する水晶振動子を含み、前記コンデンサーは、前記円形の面の略中心に配置されている請求項１のデバイス。
【請求項６】
前記キャパシタンスおよび前記振動部の前記応答を表す信号またはデータを受信するために前記読み出し回路と通信する少なくとも１つのプロセッサーをさらに含み、前記プロセッサーは、前記キャパシタンスおよび前記振動部の前記応答の双方の測定値に基づいて、前記被検物質の存在、量、または濃度を示す少なくとも１つの被検物質値を判別するようプログラムされている請求項１のデバイス。
【請求項７】
前記振動部の前記応答は、前記センシング材料内で吸着または吸収された水と前記被検物質の複合質量を示す周波数シフトであり、前記プロセッサーは、前記周波数シフトまたは前記周波数シフトによって示された前記複合質量に対する前記水の寄与を判別するために前記キャパシタンスの前記測定値を用いることによって、前記被検物質値を判別するようプログラムされている請求項６のデバイス。
【請求項８】
前記プロセッサーは、前記キャパシタンスの前記測定値から少なくとも１つの湿度値を算出するようさらにプログラムされている請求項６のデバイス。
【請求項９】
前記共振センサーは、機械共振器と、前記機械共振器の対向する面に接合された第１および第２の電極と、を備えており、前記センシング材料は、前記第２の電極上に設けられており、前記コンデンサーは、前記第２の電極と、前記センシング材料上に設けられた第３の電極と、から形成され、前記センシング材料が前記第２および第３の電極の間に位置するようになっており、前記第３の電極は、ガス透過性である請求項１のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の電極と、第４の電極と、前記第１および第４の電極の間に配置された追加的なセンシング材料と、によって形成された第２のコンデンサーをさらに含み、前記読み出し回路は、前記第１および前記第２のコンデンサーを形成する前記４つの電極に接続され、前記第１および第２のコンデンサーの合計キャパシタンスまたは前記第１および第２のコンデンサーのそれぞれのキャパシタンスを測定する請求項９のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスは、５ｍｍ以下の長さと、５ｍｍ以下の幅と、１ｍｍ以下の高さと、を有している請求項１のデバイス。
【請求項１２】
前記センシング材料は、水の比誘電率よりも低い比誘電率を有するガスのターゲット分子を選択的に吸着または吸収する少なくとも１つの有機フレームワークを含む請求項１のデバイス。
【請求項１３】
少なくとも１つの被検物質を検出するためのセンサーデバイスであって、
ａ）振動部を有する少なくとも１つの共振器と、
ｂ）前記共振器の第１および第２の面に接合された第１および第２の電極であって、前記第１および第２の電極は、前記振動部の振動動作を駆動するために前記共振器の両面に電位差を付与するよう配置されている、第１および第２の電極と、
ｃ）前記第２の電極上に設けられたセンシング材料であって、前記センシング材料は、前記被検物質が存在する場合には、前記被検物質を吸着または吸収する、センシング材料と、
ｄ）前記センシング材料上に設けられた第３の電極であって、前記第３の電極は、前記センシング材料が前記第２および第３の電極の間に位置するように設けられ、さらに、前記第３の電極は、ガス透過性である、第３の電極と、
ｅ）物質が前記センシング材料内で吸着または吸収された際の前記第２および第３の電極によって形成された前記コンデンサーのキャパシタンスおよび前記振動部の応答を測定するよう配置された少なくとも１つの読み出し回路と、を含むセンサーデバイス。
【請求項１４】
前記第２および第３の電極は、金属の略平行な層または板を含む請求項１３のデバイス。
【請求項１５】
前記キャパシタンスおよび前記振動部の前記応答を表す信号またはデータを受信するために前記読み出し回路と通信する少なくとも１つのプロセッサーをさらに含み、前記プロセッサーは、前記コンデンサーの前記キャパシタンスおよび前記振動部の前記応答の双方の測定値に基づいて、前記被検物質の存在、量、または濃度を示す少なくとも１つの被検物質値を判別するようプログラムされている請求項１３のデバイス。
【請求項１６】
前記センシング材料は、水の比誘電率よりも低い比誘電率を有するガスのターゲット分子を選択的に吸着または吸収する少なくとも１つの有機フレームワークを含む請求項１３のデバイス。
【請求項１７】
水の影響の補正を行い、少なくとも１つの被検物質を検出するための方法であって、
ａ）前記被検物質および水蒸気を含んでいる可能性のある環境またはサンプルに対して、少なくとも１つの共振センサーを露出させる工程であって、前記共振センサーは、少なくとも１つの振動部と、前記振動部上に配置された少なくとも１つのコンデンサーと、を備え、前記コンデンサーは、少なくとも２つの電極と、前記電極の間に配置されているセンシング材料と、によって形成されている、前記少なくとも１つの共振センサーを露出させる工程と、
ｂ）物質が前記センシング材料内で吸着または吸収された際の前記コンデンサーのキャパシタンスおよび前記振動部の応答を測定する工程と、
ｃ）少なくとも１つのプロセッサーを用いて、前記コンデンサーの前記キャパシタンスおよび前記振動部の前記応答の測定値に従って、前記被検物質の存在、量、または濃度を示す少なくとも１つの被検物質値を判別する工程と、を含む方法。
【請求項１８】
前記電極は、金属の略平行な層または板を含み、前記電極の少なくとも１つは、ガス透過性である請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記振動部の前記応答は、前記センシング材料内で吸着または吸収された水および前記被検物質の複合質量を示す周波数シフトであり、前記被検物質値は、前記周波数シフトまたは前記周波数志首都によって示される前記複合質量に対する前記水の寄与を判別するために、前記キャパシタンスの前記測定値を用いることによって判別される請求項１７の方法。
【請求項２０】
前記センシング材料は、水の比誘電率よりも低い比誘電率を有するガスのターゲット分子を選択的に吸着または吸収する少なくとも１つの有機フレームワークを含む請求項１７の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願への相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年１月１７日付で出願された米国仮特許出願第６２／４４７，４２９号に基づく優先権の利益を主張し、該米国仮特許出願の開示の全てが、参照により援用される。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、一般に、物質を検出するためのセンサーに関し、より具体的には、湿度の存在下においてガスを検出するためのセンサーに関する。
【０００３】
ガスの化学的なセンシングは、環境モニタリング、工業安全、および公衆セキュリティーを含むいくつかの分野における重要な技術である。利用およびターゲットガスに応じて、電気化学、金属酸化物半導体、および非分散型赤外線吸収のような異なる動作原理が用いられている。スマートフォン、ウェアラブルデバイス、およびコネクテッドセンサーデバイスの近年の進歩に伴い、ますます多くの化学センシング利用が現出してきている。特に、消費者の健康、安全、および福祉をモニタリングすることは、相当な注目を集めている。上で挙げられた既存の技術は、これら現出してきている利用に対するニーズを満たしていないという問題がある。特に、既存のデバイスは、特殊性に欠け、さらに、比較的大きなサイズ、消費電力要求、およびコストを有している。
【０００４】
克服すべき１つの課題は、共振化学センサーは、相対湿度のわずかな変化にすら非常に敏感に反応してしまうことにある。大気環境条件で被検物質を測定する際、センサーは、ターゲットガスによる質量変化だけでなく、センシング物質中の水分子の追加的な吸着による変化をも示してしまう。多くのセンシング物質が、低い横感度（クロス感度）で、特定の被検物質分子を検出するために調整され得るが、水分子の吸収は、その偏在性および化学的活性度によって、解決することがより困難な課題である。
【０００５】
化学的センシングのために、水の干渉問題に対処する複数のアプローチが文献に示されている。これらアプローチは、疎水性のレセプター材料の設計、水のアクセスをブロックするためのフィルターおよび膜の組み込み、水に対する異なる親和性を有する第２のセンサーの追加（ＵＳ２０１３０３１１１０８Ａ１に記載されているようなもの）、または、参照として別の湿度センサーを追加すること（ＵＳ７８８７６８３Ｂ２に記載されているようなもの）を含む。これら方法のそれぞれは、深刻な制限を有している。例えば、疎水性のレセプター材料は、もしそのようなものが見つかればだが、材料特性のトレードオフによって、被検物質に対する低下した感度を有することが多い。フィルターまたは膜の追加は、コストを増加させ、さらに、デバイスの測定および寿命に影響を与え得るフィルターの飽和、脱着、およびヒステリシスの問題を引き起こす。別の相対湿度センサーを追加することは、市販の湿度センサーが、要求される精密さおよび正確さを満たさないため、失敗している。水の吸着をモニタリングするための第２のセンシング材料を追加することは、２つのセンシング材料が正確に同じものではなく、これらの相違が、特に、時間の経過と共に、解消するには大きすぎる誤差を生じさせることから、問題がある。最後に、これらアプローチの大部分は、コスト、サイズ、および複雑さを増加させる。センシング材料による湿度および水吸着の影響を判別し、被検物質を検出するためのシンプルで、低コストで、小型化されたセンサーに対するニーズが、依然として存在している。
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様において、湿度の影響の補正を行い、少なくとも１つの被検物質を検出するためのセンサーデバイスが提供される。デバイスは、振動部を有する少なくとも１つの共振センサーを含む。少なくとも１つのコンデンサーが、共振部上に配置されている。コンデンサーは、少なくとも２つの電極と、該電極の間に配置されたセンシング材料と、から形成されている。少なくとも１つの読み出し回路は、物質がセンシング材料内で吸着または吸収された際のコンデンサーのキャパシタンスおよび振動部の応答（例えば、周波数シフトや、共振周波数、散逸、線質係数、剛性、または歪みの変化）の双方を測定するよう配置されている。測定のこの組み合わせは、デバイスが、様々なタイプの吸着または吸収された分子を区別すること、特に、興味対象の被検物質（例えば、二酸化炭素またはメタン）と、被検物質の検出に干渉し得る水分子とを区別することを可能とする。いくつかの実施形態において、プロセッサーは、センシング材料内の水の影響を判別するために、キャパシタンスおよび振動部の応答の双方の測定値に基づいて、被検物質の存在、量、または濃度を示す被検物質値を判別するよう、プログラムされている。
【０００７】
別の態様によれば、湿度の影響の補正を行い、少なくとも１つの被検物質を検出するためのセンサーデバイスが提供される。デバイスは、振動部を有する少なくとも１つの共振器を含む。第１および第２の電極が、共振器の第１および第２の面に接合される。第１および第２の電極は、振動部の振動動作を駆動するために、共振器の両面に電位差を付与するよう配置されている。センシング材料は、第２の電極上に設けられている。センシング材料は、被検物質が存在する場合、被検物質を吸着または吸収する。第３の電極は、センシング材料が第２および第３の電極の間に位置するように、センシング材料上に設けられている。第３の電極は、ガス透過性である。少なくとも１つの読み出し回路は、物質がセンシング材料内で吸着または吸収された際の第２および第３の電極によって形成されたコンデンサーのキャパシタンスおよび振動部の応答を測定するよう配置されている。いくつかの実施形態において、プロセッサーは、センシング材料内の水の影響を判別するために、キャパシタンスおよび振動部の応答の双方の測定値に基づいて、被検物質の存在、量、または濃度を示す被検物質値を判別するようプログラムされている。
【０００８】
別の態様によれば、湿度の影響の補正を行い、少なくとも１つの被検物質を検出するための方法が提供される。少なくとも１つの共振センサーは、被検物質および水蒸気を含んでいる可能性のあるサンプルまたは環境に対して露出されている。共振センサーは、少なくとも１つの振動部と、振動部上に配置された少なくとも１つのコンデンサーと、を備えている。コンデンサーは、少なくとも２つの電極と、該電極の間に配置されたセンシング材料と、から形成されている。方法は、物質がセンシング材料内で吸着または吸収された際のコンデンサーのキャパシタンスおよび振動部の応答を測定する工程を含む。少なくとも１つのプロセッサーは、センシング材料内の水の影響を判別するために、キャパシタンスおよび振動部の応答の双方の測定値に従って、被検物質の存在、量、または濃度を示す少なくとも１つの被検物質値を判別するために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の上述の態様および利点は、以下の詳細な説明を読み、さらに、添付の図面を参照することにより、より良く理解されるであろう。
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る共振センサーおよび平行板コンデンサーの上面図である。
【００１１】
【図２】図２は、共通電極を共有する機械共振器とコンデンサーの概略的な側面図である。
【００１２】
【図３】図３は、本発明の別の実施形態に係る共振センサーの振動部上に設けられたコンデンサーの概略的な側面図である。
【００１３】
【図４】図４Ａ−Ｅは、本発明のいくつかの実施形態に係る共振器の５つの異なるタイプのガス透過性電極の概略的な平面図である。
【００１４】
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の別の実施形態に係る共振器上に配置された交差指型コンデンサーを有するセンサー要素の上側平面図である。
【００１５】
【図５Ｂ】図５Ｂは、Ａ−Ａ’線に沿った図５Ａのセンサー要素の断面図である。
【００１６】
【図６】図６は、本発明のいくつかの実施形態に係る、３つの電極を有するセンサー要素に接続された読み出し回路の概略的なブロック図である。
【００１７】
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係る、４つの電極を有するセンサー要素に接続された読み出し回路の概略的なブロック図である。
【００１８】
【図８】図８は、本発明のいくつかの実施形態に係る、算出された被検物質値と湿度値を出力するプロセッサーと通信する読み出し回路の概略的なブロック図である。
【００１９】
【図９】図９は、本発明の別の実施形態に係る共振器の両側上に設けられたセンシング材料を有するコンデンサーを備えるセンサーデバイスの概略的な側面図である。
【００２０】
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態に係る共振器の両面上に設けられたセンシング材料を有するコンデンサーを備える別のセンサーデバイスの概略的な側面図である。
【発明の詳細な説明】
【００２１】
以下の説明において、構造間の記載された全ての接続は、直接的な動作接続、または、中間構造を介した間接的な動作接続であってもよいことが理解される。特に必要でなければ、任意の記述された方法の工程は、必ずしも特定の説明された順番で実行される必要はない。パラメーターに基づいて（または、パラメーターに従って）判断または決定を行うことは、パラメーター、および、任意選択的には、他のデータに従って判断または決定を行うことを含む。特別に特定されない限り、いくつかの量／データの指標は、量／データ自身であってもよく、または、量／データ自身とは異なる指標であってもよい。本発明のいくつかの実施形態において記述されるコンピュータープログラムは、スタンドアローンのソフトウェアエンティティーであってもよいし、他のコンピュータープログラムのサブエンティティー（例えば、サブルーチン、コードオブジェクト）であってもよい。コンピューター可読媒体は、磁気、光学、および半導体ストレージメディア（例えば、ハードディスク、光学ディスク、フラッシュメモリー、ＤＲＡＭ）のような非一時的媒体や、導電性ケーブルやファイバー光学リンクのような通信リンクを含む。いくつかの実施形態によれば、本発明は、特に、本明細書で記述される方法を実行するようプログラムされたハードウェア（例えば、１つ以上のプロセッサーと、接続されたメモリー）や、本明細書で記述される方法を実行するための命令をエンコードするコンピューター可読媒体を含むコンピューターシステムを提供する。
【００２２】
共振センサーは、周波数シフトや、共振周波数、散逸、線質係数、剛性、または歪みの変化のような、センサーの機械的または電気機械的な応答に反映される特性を変化させるターゲット分子を吸着または吸収するセンシング材料を用いる。共振センサーの応答は、センサーの振動動作を駆動する回路のインピーダンスの変化のような、電気的特性を用いて検出されることが多い。共振センサーまたは共振センサーアレイの周波数シフトや、共振周波数、散逸、線質係数、剛性、または歪みの変化を検出するための多くの電気的検出方法および任意選択的な検出方法が、本分野において既知である。
【００２３】
広範な種類の片持ち梁、膜、および圧電共振器ベースのセンサーが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて構成されている。これらセンサーは、一般的に、特定の被検物質（例えば、興味対象のガスの分子）を選択的に吸着するセンシング材料（例えば、ポリマーフィルムや有機金属フレームワーク）の使用によって、物質を検出する。共振センサーは、ある程度の相対湿度であったとしても、僅かな量の水蒸気に対して高い感度を有する。大気条件で被検物質を測定する際、センサーは、ターゲットガスによる質量変化だけでなく、センシング材料内の水分子の追加的な吸着による質量変化を示すことになる。
【００２４】
図１は、共振センサー１０と、共振センサー１０の振動部上に配置された平行板コンデンサー１２と、を示している。共振センサー１０は、好ましくは、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）である。片持ち梁、容量性超微細加工超音波トランスデューサー（ｃＭＵＴｓ）、圧電性超微細加工超音波トランスデューサー（ＰＭＵＴ）、薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲまたはＴＦＢＡＲ）、または他のＭＥＭｓトランスデューサーを含むが、これに限定されない用途に適した他の機械共振器が数多く存在する。水晶振動子は、典型的には、円形面を有しており、平行板コンデンサー１２は、円形面の略中央のＱＣＭの振動部上に配置されている。コンデンサーは、それぞれの電気接触パッド１３Ａ、１３Ｂを有する２つの電極によって形成されている。
【００２５】
コンデンサー１２は、共振センサー１０上のセンシング材料内で吸着または吸収された水蒸気の量を判別するために有用なキャパシタンス測定値を提供する。キャパシタンス測定値は、周波数シフトや、共振周波数、散逸、線質係数、剛性、または歪みの変化のような、共振センサー１０の機械的または電気機械的な応答の測定値と組み合わせられる。電気機械的測定値とキャパシタンス測定値とのこの組み合わせは、デバイスが、様々なタイプの吸着または吸収された分子を区別、特に、興味対象の被検物質（例えば、二酸化炭素またはメタン）と、被検物質の検出に干渉し得る水分子とを区別することを可能とする。キャパシタンス測定値は、水による共振器の応答がどれくらいあるのかを判別し、センシング材料内の被検物質の質量による共振器の応答がどのくらいあるのかを判別するために有用である。
【００２６】
図２は、機械共振器１１（例えば、水晶振動子）と、共振器１１の背面側に接合された第１の（後方）電極１４と、共振器１１の前面側に接合された第２の（前方）電極１６と、を備える共振センサーの側面図を示している。第１および第２の電極１４および１６は、共振器１１の振動動作を駆動するために、共振器１１の両面に電位差を付与するよう配置されている。第１および第２の電極１４および１６は、典型的には、金である。センシング材料３０は、第２の電極１６上に設けられている。センシング材料３０は、第２の（前方）電極１６を、少なくとも部分的に覆っている。いくつかの実施形態において、センシング材料３０は、電極１６を完全に覆っているが、完全に覆うことは必須ではない。第２の電極１６上のセンシング材料３０の層は、（被検物質が、共振センサーが露出している環境内またはサンプル内に存在する場合に、）吸着された被検物質の質量による共振センサーの振動を変化させるのに十分な量の被検物質を吸着するのに十分な量でなければならない。センシング材料３０は、好ましくは、前方電極１６上で成長または前方電極１６上に直接設けられた吸着フィルム（例えば、有機金属フレームワークまたはポリマーフィルム）である。
【００２７】
平行板コンデンサーは、第２の電極１６と、センシング材料３０上に配置された第３の電極１８と、によって形成されている。共振器１１がＱＣＭである場合、第１の電極１４が後方電極であり、第２の電極１６が前方電極である。好ましくは、第２の（前方）電極１６は接地（グランド）されており、本実施形態において、コンデンサーは、接地された第２の電極１６を、共振器１１と共有する。第３の電極１８は、好ましくは、センシング材料３０の最上部上に堆積またはセンシング材料３０の最上部上で成長されている。第３の電極１８は、センシング材料３０が、センサーが露出している環境内またはサンプル内の被検物質に対してアクセス可能であることを保証するために、ガス透過性（例えば、多孔質、スロットが形成されている、交差指型、または蛇行型）でなければならない。
【００２８】
センシング材料３０は、好ましくは、有機金属フレームワーク（ＭＯＦ）、多孔性配位ポリマー、または多孔性配位フレームワークのような多孔質結晶質材料である。好ましいＭＯＦサブクラスは、同じ配列を有するが、異なる化学官能性を有する複数の有機リンカーの混合を用いて形成された多変量ＭＯＦ（ＭＴＶ−ＭＯＦ）、ＩＲＭＯＦ、およびゼオライトイミダゾレートフレームワーク（ＺＩＦ）を含む。また、好適な多孔質センシング材料は、その内部において、フレームワークが、金属配位結合ではなく、共有化学結合を含む共有有機フレームワーク（ＣＯＦ）と、無機多孔質結晶質材料に分類されるゼオライトと、を含む。稀な実施形態においては、多孔質センシング材料は、ディスクリート多孔質ケージを有する有機金属多面体、多孔質有機金属ポリマー、有機金属ゲル、多孔質カーボン（活性炭としても知られている）のような非結晶質多孔質材料を含む。
【００２９】
有機金属フレームワーク（ＭＯＦ）は、有機リンカーによって接続される金属イオンのノードから構築されている多孔質結晶質材料の拡大クラスである。これら材料は、典型的には、１オングストローム未満から、約３０オングストロームの範囲の幅または径のポア開口を有するよう設計されている（Ｙａｇｈｉ，ｅｔ．ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ４２３，７０５−７１４，２００３年６月１２日）。また、９８オングストロームのポア開口を有する特異なＭＯＦ（「ＭＯＦ−７４」）のクラスが、実証されている（Ｄｅｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ３３６，１０１８，２０１２）。様々なポアサイズを有するＭＯＦは、分子のサイズに基づいて、分子を選択的に吸着することができる。例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）吸着用に設計されたポアサイズを有する人工ＭＯＦは、工業プロセスにおいて、ガスを分離することができる（Ｄｕ，ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．ＡＭ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１３，１３５（２），ｐｐ５６２−５６５）。また、ＭＯＦは、制御された環境における化学的センサーとして機能するよう、ＱＣＭと共にセンシング材料として使用され得る。ＭＯＦの１つ以上のタイプが共振センサー上のセンシング材料として用いられた際、その上にＭＯＦが成長した面は、自己組織単分子膜（ＳＡＭ）によって成長したＭＯＦ用に準備されていてもよく、酸化物または金属の面の堆積によるものであってもよい。センサーの振動部上のＭＯＦコーティングは、典型的には、１から１０００ｎｍの範囲の厚みを有する。ＭＯＦは、高い選択性で特定のガスを対象とするために、異なるポアサイズおよび特定の化学的親和性で設計され得る。
【００３０】
他の実施形態において、センシング材料３０は、ポリマーフィルムである。ポリマーセンシング材料は、数秒から数十分の時間で、ガス状態の被検物質に応答する。ポリマーセンシング材料の選択は、好ましくは、共振器の機械的特性（弾性率、密度、厚み等）にフィットするよう最適化され、これにより、検出時間が最小化され、さらに、感度が最大化される。センサーは、特定用途向けに、様々なタイプのセンシング材料でコーティングまたは機能化されていてもよい。これらの使用可能なセンシング材料としては、例えば、上で挙げたような多孔質レセプター材料、ポリマー（コポリマー、バイオポリマー）、ゾルゲル、およびＤＮＡ、ＲＮＡ、たんぱく質、セル、バクテリア、カーボンナノチューブアレイ、金属から酵素までを含む触媒、ナノクラスター、有機および無機材料（高分子、有機金属錯体、または樹状材料を含む）が挙げられる。
【００３１】
第２および第３の電極１６および１８は、好ましくは、金属の略平行な層または板を含み、さらに、センシング材料３０の層は、金属の平行層または板の間に配置されている。電極は、典型的には、それぞれの電気接触パッド１３Ａ、１３Ｂを備えており（図１には示されているが、図２には示されていない）、第３の電極１８は、ガス透過性である（例えば、電極内に孔または開口が存在しており、分子がセンシング材料３０へ通過することを可能としている）。よって、各電極の接触パッド、孔または他の部分は、正確に平行板のようになっていなくてもよく、各電極の全体が、完全な平行板である必要はない。代わりに、電極１６および１８のそれぞれが、他の電極の面と略平行な面内に横たわる少なくとも１つの金属層（ガス透過性となるため、孔を備えていてもよい）である主要部を有していることが好ましい。各電極は、金属の平行層の一部分である必要は必ずしもない、いくつかの他の部分（例えば、電気接触パッド）を備えている。接触パッドは、好ましくは、電極の主要部から水晶振動子のエッジ部または非振動部に向かって、外側に延伸している。その点において、接触パッドは、本分野において知られているように、クオーツの保持具に接続されており、続いて、より大きなパッドまたはビア内へ接続されている。本発明は、ガードリング等を含み得るコンデンサーデザインの他の変形もカバーすることは理解される。
【００３２】
第２および第３の電極１６、１８によって形成されるコンデンサーは、共振器１１の振動部上に配置されなければならない。「振動部」との用語は、振動する共振器の部分、領域、または部材を意味することを意図している。例えば、ＱＣＭ用の振動部は、典型的には、第１および第２の電極１４および１６の間で振動する圧電性材料を含む。片持ち梁タイプの共振センサー用において、振動部は、片持ち梁であり、コンデンサーは、梁上に配置されている。ｃＭＵＴタイプの共振センサー用において、振動部は、典型的には、振動膜であり、コンデンサーは、膜上に配置されている。ＦＢＡＲタイプの共振センサーにおいては、振動部は、典型的には、圧電性材料と、圧電性材料の両面に電位差を付与するよう配置された電極等と、を含む。
【００３３】
共振器１１の振動部上でのコンデンサーの位置決めは、デバイスが、センシング材料３０内に吸着または吸収された物質（例えば、興味対象の被検物質および水）の質量に対する機械的または電気機械的な応答を測定すること、および、同じ温度および時点での同じセンシング材料３０における物質の吸着または吸収によるキャパシタンスの変化を正確に測定することを可能とする。キャパシタンス測定値は、センシング材料３０内の水による共振器１１の応答（例えば、周波数シフトや、共振周波数、剛性、または歪みの変化）がどれくらいかを示し、よって、センシング材料３０内に吸着または吸収されたターゲット被検物質の量による共振器１１の応答がどれくらいかを示す。水は、興味対象の被検物質よりも大幅に高い比誘電率を有しているため、センシング材料３０内の水の存在は、キャパシタンス測定値を大きく変化させる一方、ターゲットガスの分子の存在は、被検物質の大幅に低い比誘電率によって、キャパシタンス測定値に対する無視されるほど小さい影響しか有さないことが多い。平行板コンデンサーのキャパシタンスＣは、以下の式（１）で与えられる。
2020514687.tif 000003
【００３４】
ここで、κは、比誘電率であり、∈０は、真空の誘電率であり、Ａは、コンデンサー電極面積であり、ｔは、その厚さである。高比誘電率の分子がセンシング材料３０に吸着または吸収されるにつれて、キャパシタンスは増大する。表１は、比誘電率と、最も興味のある干渉物質である水を含む、いくつかの共通溶媒の質量を示している。
【表１】
2020514687.tif 000004
【００３５】
水は、メタンや二酸化炭素のような、興味対象の可能性のある被検物質よりも大幅に高い比誘電率を有している。被検物質の吸着は、センシング材料３０によってコーティングされている機械共振器の周波数をモニタリングすることにより検出される。センシング材料３０内での被検物質の吸着は、以下の式に従って、共振器の質量を増大させ、共振器の周波数を低下させる。なお、ガスが脱着した際は、その逆となる。
2020514687.tif 000005
【００３６】
ここで、ｆ０は、共振周波数であり、ｍ０は、質量負荷前の共振器の質量である。質量の変化は、分子の重量ｍｍｏｌのＮ個の蓄積によるものであり、以下の式（３）が得られる。
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【００３７】
課題は、センシング材料３０内の湿度（水分子）による質量負荷、および、その結果としての周波数シフトがどの程度あるかをどのようにして判断し、さらに、ターゲット被検物質が存在する場合には、ターゲット被検物質の分子によるものがどの程度あるかを、どのように判別するか、である。湿度の課題を解決するため、２つの測定値が、同じセンシング材料３０において作成される。第１に、第２および第３の電極１６および１８によって形成されるコンデンサーのキャパシタンスは、センシング材料３０内の水の量を判別するために測定される。第２に、質量負荷に対する共振器１１の機械的または電気機械的な応答（例えば、周波数シフト）が、センシング材料３０内のガス吸収（被検物質および水蒸気）の合計複合質量を判別するために測定される。振動部応答（例えば、周波数）およびキャパシタンスの測定値は、同時に取得されてもよいし、順々に取得されてもよいし、測定の順番は逆であってもよい。
【００３８】
水は、通常、興味対象の被検物質よりも大幅に高い誘電率を有しており、そのため、キャパシタンス測定信号は、センシング材料３０の内の水の量に対応しており、センシング材料内の被検物質の量からは独立している。メタンや二酸化炭素のような多くのガス被検物質は、キャパシタンスに影響を及ぼさないか、キャパシタンスに対するそれらの影響は、無視できるほど小さい。センシング材料３０内に吸着された合計複合質量は、センシング材料内の水の質量および被検物質の質量の合計に対応している。キャパシタンス測定値は、周波数に変化に対する水の寄与を算出し（または、周波数ではない場合、振動部の応答を測定するために、任意の測定信号が選択される）、これにより、センシング材料３０内に吸着された合計複合質量に対する水の寄与を算出するために用いられる。共振器１１の周波数の変化は、吸着された複合質量を示し、水の寄与が、センシング材料３０内の吸着された水蒸気と被検物質の複合質量から差し引かれ（または、アルゴリズム、較正曲線またはデータ、および／またはルックアップテーブルの使用が行われ）、被検物質が存在する場合に、被検物質の量を判別する。このようにして、デバイスは、湿度の変動から独立して、正確な被検物質値（質量または濃度）を判別することができる。
【００３９】
図３は、振動部および振動部上に配置されたコンデンサーを有し、水分子がセンシング材料３０内に吸着された際のキャパシタンスの変化を測定する共振センサーの別の実施形態を示している。この実施例では、デバイスは、上述のような３つの電極ではなく、４つの電極を備えている。上述の実施例と同様に、共振センサーは、機械共振器１１と、共振器１１の対向する面に接合された第１および第２の電極１４および１６と、を備えている。第１および第２の電極１４および１６は、共振器１１の振動部の振動動作を駆動するために、共振器の両面に電位差を付与するよう、配置されている。
【００４０】
コンデンサーは、第３および第４の電極２４および２６と、第３および第４の電極２４および２６の間に配置されているセンシング材料３０と、によって形成されている。この実施例では、コンデンサーは、好ましくは、第３の電極２４を第２の電極１６から分離する少なくとも１つの絶縁層２８を用いることにより、共振器１１の振動部上に配置されている。絶縁層用に好適な材料の例としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、またはＡｌＮが挙げられる。第３および第４の電極２４および２６は、好ましくは、平行板タイプのコンデンサーを本質的に形成する金属の略平行な層または板を含む。第４の電極２６は、センシング材料３０が、センサーが露出されている環境内またはサンプル内の分子に対してアクセス可能であることを保証するために、ガス透過性（例えば、多孔質、スロットが形成されている、交差指型、または蛇行型）でなければならない。
【００４１】
図４Ａ−Ｅは、被検物質の分子がセンシング材料に到達することを可能とするための、コンデンサーの外側電極として用いるのに適したガス透過性電極のデザインの複数の異なる例を示している。例えば、ガス透過性電極は、多孔質プラチナである。図４Ａは、ポリスチレン球を用いたマスキングプロセスにおいて形成され得、様々な形状およびサイズのビアまたは孔３２を有する別の電極２３を示している。図４Ｂは、略一様な形状および離間距離の孔３４を有する電極２５を示している。孔３４は、フォトリソグラフィープロセスを用いて形成され得る。図４Ｃは、シャドウマスクを用いたフラクショナル被覆を提供するよう形成された露出開口３６を有する電極２７を示している。図４Ｄは、孔を有さないが、リソグラフィーで規定され得る蛇行パターンまたは形状を有するガス透過性電極２９を示している。図４Ｅは、リソグラフィーで規定され得る櫛パターンまたは形状を有する別のガス透過性電極３３を示している。電極３３の縦方向のストライプは、上面、底面、またはそれらの間の任意の部分に沿った水平方向の連続的なストライプによって接続されている。
【００４２】
ガス透過性電極として用いるのに適した多孔質金属フィルムを製造するためのいくつかの方法が存在している。第１の技術は、多孔質金属フィルムの直接堆積である（例えば、斜角スパッタリング）。第２の技術は、金属フィルムの後工程である（例えば、２つの金属の同時スパッタリングと、その後の選択的な脱合金）。第３の技術は、以下の種類のマスクを用いた金属フィルムのマスク堆積である。（ａ）秩序配置またはランダム配置されたスリットまたは孔（例えば、蛇行、櫛、およびメッシュ実施形態）によって開口を規定するためのフォトリソグラフィープロセス（フォトレジストを用いたもの）；（ｂ）ステンシルマスクの使用、または（ｃ）除去または残留されたマスクとしての粒子（例えば、ポリスチレン球）の使用。
【００４３】
図５Ａは、コンデンサーを形成する交差指型電極３８Ａ、３８Ｂを有する別の実施形態の上面図である。センシング材料３０は、交差指型電極３８Ａ、３８Ｂの間に配置されている。図５Ｂは、Ａ−Ａ’線に沿った図５Ａのセンサー要素の断面図である。この実施例において、デバイスは、４つの電極を備えている。上述の実施例と同様に、共振センサーは、機械共振器１１と、共振器１１の対向する面に接合された第１および第２の電極１４、１６と、を備えている。第１および第２の電極１４、１６は、共振器の振動動作を駆動するために、共振器１１の両面に電位差を付与するよう、配置されている。コンデンサーは、第３および第４の電極３８Ａおよび３８Ｂによって形成されている。第３および第４の電極３８Ａおよび３８Ｂは、センシング材料３０が、センサーが露出している環境内またはサンプル内の水分子および被検物質の双方にアクセス可能となるように、交差指型とされている。交差指型コンデンサーは、第３および第４の電極３８Ａおよび３８Ｂを、第２の電極１６から分離する絶縁層２８（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、またはＡｌＮ）を用いることにより、共振器１１の振動部上に配置されている。
【００４４】
図６は、コンデンサーと共に共振センサーに接続された電子読み出し回路の概念的なブロック図である。この実施例において、センサーデバイスは、３つの電極を有している（図２を参照して上述したものと同様である）。物質がセンシング材料３０内に吸着または吸収された際のコンデンサーのキャパシタンスおよび振動部の応答の双方を測定するための１つ以上の読み出し回路を構成する数多くの適切な方法が存在する。よって、「少なくとも１つの読み出し回路」との文言は、単一の電子読み出し回路によって双方の測定が実行される実施形態、または、複数の別々の読み出し回路によって、別々の電気機械的測定およびキャパシタンス測定が実行される他の実施形態を含む。
【００４５】
この実施例において、共振器１１の振動動作を駆動し、さらに、物質がセンシング材料３０内に吸着または吸収された際の振動部分の機械的または電気機械的な応答を測定するために、発振回路４６は、第１の電極１４および第２の電極１６に接続されている。センシング材料は、好ましくは、ＭＯＦフィルムである。読み出しに好適な発振回路としては、コルピッツ発振回路、ピアス発振回路、またはバトラー発振回路が挙げられる。物質がセンシニング材料３０内に吸着または吸収された際の第２および第３の電極１６および１８によって形成されるコンデンサーのキャパシタンスを測定するために、キャパシタンス測定回路４４は、第２の電極１６（共有電極）および第３の電極１８に接続されており、物質がセンシング材料３０内に吸着または吸収された際の第２および第３の電極１６および１８によって形成されたコンデンサーのキャパシタンスを測定する。キャパシタンスの測定は、これに限定されるわけではないが、弛緩発振器またはΣ−Δキャパシタンス−Ｔｏ−デジタルコンバーターのような高精度キャパシタンス測定方法を用いて実行され得る。少なくとも１つのプロセッサー４８は、（無線または有線で）発振回路４６およびキャパシタンス測定回路４４と通信可能であり、電気機械的な応答およびキャパシタンスを示す信号またはデータを受信する。
【００４６】
図７は、３つの電極ではなく、４つの電極を有するセンサー要素に接続されている同様の電子読み出し回路の概略的なブロック図である。発振回路４６は、共振器１１の振動動作を駆動し、さらに、物質がセンシング材料３０、好ましくはＭＯＦフィルム内に吸着または吸収された際の振動部の機械的または電気機械的な応答を測定するために、第１の電極１４および第２の電極１６に接続されている。キャパシタンス回路４４は、第３の電極２４および第４の電極２６に接続されており、物質がセンシング材料３０内に吸着または吸収された際の第３の電極２４および第４の電極２６によって形成されたコンデンサーのキャパシタンスを測定する。プロセッサー４８は、発振回路４６およびキャパシタンス測定回路４４と通信を行い、電気機械的な応答およびキャパシタンスを示す信号またはデータを受信する。共振回路４６およびキャパシタンス測定回路４４は、理解の簡易化のために、特許図面において別々に描かれているが、これらは、典型的には、マイクロプロセッサー４８の制御下にある同じ総合的な電子読み出し回路の一部である。
【００４７】
図８は、算出された被検物質値、および、任意選択的に、湿度値（例えば、相対湿度値）を出力するプロセッサー４８と通信する発振回路４６およびキャパシタンス測定回路４４の概略的なブロック図である。プロセッサー４８は、センシング材料内の水の影響を判別するために、キャパシタンスおよび発振器１１の応答の双方の測定とは独立して、被検物質の存在、量、または濃度を示す少なくとも１つの被検値を判別するようプログラムされている。いくつかの実施形態において、被検物質値は、被検物質用の「存在している」または「存在していない」のような２値であってもよく、所望の限界値またはしきい値を超えて存在することであってもよい。より好ましくは、被検物質値は、被検物質の濃度、量、または質量のような数値である。被検物質値および／または湿度値は、任意選択的に、プロセッサー４８と通信するディスプレイ５２を用いて、エンドユーザーに表示されてもよい。いくつかの実施形態において、任意選択的な圧力センサー６０および任意選択的な温度センサー６２（例えば、サーミスタ）が、マイクロプロセッサー４８に接続されていてもよい。マイクロプロセッサー４８は、様々な温度（および、任意選択的に圧力）におけるキャパシタンスｖｓ相対湿度（ＲＨ）を判別するようプログラムされている。
【００４８】
キャパシタスおよび振動部の応答の双方の測定値が、被検物質値、および、任意選択的に、湿度値を算出するために用いられ得る数多くの方法またはアルゴリズムが存在している。一般的に、キャパシタンス測定値は、センシング材料内の水の量、または、キャパシタンス測定値は、センシング材料内の水による共振器の応答（例えば、周波数シフトや、共振周波数、剛性、または歪み）がどれくらいあるのかを示し、そのため、プロセッサー４８は、センシング材料内で吸着または吸収されたターゲット被検物質の質量による共振器の応答がどれくらいあるのかを算出することができる。
【００４９】
１つの例として、我々は、様々な温度（および、任意選択的に、圧力）におけるキャパシタンスｖｓ相対湿度（ＲＨ）の特性を示すことができる。この特性は、多項式のような数式または数値の形態であってもよい。また、我々は、様々な温度（および、任意選択的に、圧力）における共振周波数ｖｓＲＨの同様の特徴化を実行する。次に、我々は、これら２つのデータセットを組み合わせ、変数ＲＨを除去し、これにより、我々が、様々な温度（および、任意選択的に、圧力）におけるキャパシタンスｖｓ共振周波数についての較正値のデータセットを得る。メタンや二酸化炭素のような被検物質では、ターゲットガスは、キャパシタンスに影響を与えない、または、キャパシタンスに対するこれらの影響は、無視できるほど小さい。水は、キャパシタンスに対する強い影響を有する。キャパシタンスｖｓ共振周波数のデータセットは、我々の水較正データベース（例えば、プロセッサー４８のメモリー内の数式またはルックアップテーブル）である。
【００５０】
好適なアルゴリズムの１つの例としては、以下のようなものが挙げられる。各時点において、我々は、キャパシタンスを測定し、我々の較正テーブルを用いてキャパシタンス測定値を周波数に変換し、その後、共振器の実際に測定された共振周波数から、その周波数を差し引いた。結果として得られたものは、センシング材料内で吸着された興味対象の被検物質にのみ対応する周波数変化である。任意選択的に、我々は、キャパシタンス測定値を取得し、さらに、ちょうど上述した較正データテーブルを用いて、それをＲＨに変換することもできる。このようにして、本デバイスは、ディスプレイ５２を用いてエンドユーザーに表示、または、通信や記録され得るＲＨおよび被検物質濃度の双方を報告することができる。
【００５１】
共振器の機械的または電気機械的な応答およびキャパシタンスの双方の測定値が被検物質値、および、任意選択的に、湿度値を算出するために用いられ得る数多くの別の方法が存在する（典型的には、アルゴリズム、較正カーブまたは較正データ、および／またはルックアップテーブルを用いたもの）。一般的に、発振器の応答（例えば、周波数応答）は、センシング材料３０内に吸着された物質（水および被検物質）の複合質量を示しており、キャパシタンス測定値は、センシング材料内で吸着または吸収されている物質の合計複合質量から差し引かれるべき（または、判別されるべき）水の寄与を示している。よって、本デバイスは、質量負荷における水と被検物質とを区別可能であり、湿度から独立して、被検物質値を正確に報告する。
【００５２】
図９は、上述の図６のデバイスと同様のセンサーデバイスの別の実施形態を示している。しかしながら、図９のデバイスは、共振器１１の対向する面上に配置されているセンシング材料を有する２つのコンデンサーを備えている。特に、図９のデバイスは、第１の電極１４上に設けられた追加的なセンシング材料５０をさらに備えている。よって、センシング材料３０および５０が、共振器１１の対向する面上に配置されている。センシング材料３０および５０は、好ましくは、それぞれ、第２の（前方）電極１６および第１の（後方）電極１４上で成長またはそれら上に直接堆積されたＭＯＦフィルムである。センシング材料３０および５０は、好ましくは、同じターゲット被検物質を吸着するための同じ材料である。代替的な実施形態において、センシング材料３０および５０は、２つの異なるターゲット被検物質（例えば、メタンと二酸化炭素）をセンシング可能な２つの異なるタイプのセンシングフィルムであってもよい。第１のコンデンサーは、第２および第３の電極１６および１８と、第２および第３の電極の間に配置されている（すなわち、挟まれている）第１のセンシング材料３０の層とによって、形成されている。さらに、第２のコンデンサーは、第１の電極１４および追加的なセンシング材料５０上に設けられた第４の電極２０によって、センシング材料５０の層が、第１および第４の電極１４および２０の間に配置される（例えば、挟まれる）よう、形成されている。第１および第４の電極１４および２０は、好ましくは、金属の平行板または層であり、第４の電極２０は、ガス透過性である。
【００５３】
上述の実施形態のように、読み出し回路は、好ましくは、共振器１１の振動動作を駆動し、さらに、振動部の機械的または電気機械的な応答を測定するために、第１の電極１４および第２の電極１６に接続されている発振回路４６を備えている。第１のキャパシタンス測定回路４４Ａは、第２の電極１６（共有電極）および第３の電極１８に接続されており、物質がセンシング材料３０内に吸着または吸収された際の第２および第３の電極１６および１８によって形成された第１のコンデンサーのキャパシタンスを測定する。キャパシタンスの測定値は、弛緩発振器やΣ−Δキャパシタンス−ｔｏ−デジタルコンバーターのような高精度キャパシタンス測定方法を用いて実行され得る。
【００５４】
いくつかの実施形態において、第２のキャパシタンス測定回路４４Ｂは第１の電極１４（別の共有電極）および第４の電極２０に接続され、物質がセンシング材料５０内に吸着または吸収された際の第１および第４の電極１４および２０によって形成された第２のコンデンサーのキャパシタンスを測定する。プロセッサー４８は、（無線または有線で）発振回路４６およびキャパシタンス測定回路４４Ａおよび４４Ｂと通信し、第１および第２のキャパシタンス測定値および電気機械的な応答を示す信号またはデータを受信する。第１および第２のキャパシタンス測定回路４４Ａおよび４４Ｂは、理解の明確化のために、特許図面において別々のものとして描かれているが、第１および第２のコンデンサーのそれぞれのキャパシタンスを測定するために２つの別々のキャパシタンス測定回路を有することは必須ではない。他の実施形態において、第１および第２のコンデンサーの双方の合計キャパシタンスを測定するための単一のキャパシタンス測定回路が存在する。さらに、キャパシタンス測定回路および発振回路４６は、典型的には、マイクロプロセッサー４８の制御下の同じ総合的な電子読み出し回路である。
【００５５】
共振器１１の対向する面上に配置された第１および第２のコンデンサーを有する両面センサーデバイスは、いくつかの利点を有している。共振器１１の対向する面上の２つのコンデンサーの対称性は、共振器の対称的な（応力無しの）動作を保証し、共振器が動作中において面歪みの外側において感知してしまう可能性を低減する。第４の電極２０は、好ましくは、センシング材料５０が、センサーが露出している環境内またはサンプル内の被検物質分子にアクセス可能となるように、ガス透過性（例えば、多孔質、スロットが形成されている、交差指型、または蛇行型）である。共振器１１の対向する面上のセンシング材料３０および５０の両面配置は、被検物質を検出するためのセンサーの感度を増加させ得る。さらに、キャパシタンス測定回路が、第１および第２のコンデンサーの合計キャパシタンスを測定するそれら実施形態において、２つのコンデンサーは、容易に測定可能な合計キャパシタンスの増加を提供する。
【００５６】
図１０は、共振器１１の対向する面上に設けられた第１および第２のコンデンサーを有する両面センサーデバイスの別の実施例を示している。この実施例において、デバイスは、図９を参照して上述したような４つの電極（そのうち、２つが共有電極）ではなく、６つの電極を備えている。上述の実施例のように、図１０のデバイスは、共振器１１と、共振器１１の対向する面に接合された第１および第２の電極１４、１６と、を備えている。第１および第２の電極１４および１６は、共振器１１の振動動作を駆動するために、共振器の両面に電位差を付与するよう配置されている。第１のコンデンサーは、第３および第４の電極２４および２６と、第３および第４の電極２４および２６の間に配置されているセンシング材料３０と、から構成されている。第１のコンデンサーは、第３の電極２４を第２の電極１６から分離する第１の絶縁層２８Ａの使用によって、共振器１１の振動部分上に配置されている。第４の電極２６は、センシング材料３０が、センサーが露出している環境内またはサンプル内の分子にアクセス可能であることを保証するために、ガス透過性（例えば、多孔質、スロットが形成されている、交差指型、または蛇行型）でなければならない。
【００５７】
第２のコンデンサーは、第５および第６の電極５４および５６と、第５および第６の電極５４および５６の間に挟まれた追加的なセンシング材料５０と、によって形成されている。第２のコンデンサーは、第５の電極５４を第１の電極１４から分離する第２の絶縁層２８Ｂの使用によって、共振器１１の振動部上に配置されている。第２のコンデンサーは、第３および第４の電極２４および２６によって形成される第１のコンデンサーとは反対側の共振器１１の面上に配置されている。第５および第６の電極５４および５６は、好ましくは、金属の平行板または層である。第６の電極５６は、センシング材料５０がターゲット被検物質にアクセス可能となるように、ガス透過性である。いくつかの実施形態において、センシング材料３０および５０は、同じターゲット被検物質を吸着するための同じ材料である。共振器１１の対向する面上のセンシング材料３０および５０の両面配置は、センサーデバイスの感度を増加させ得る。他の実施形態において、センシング材料３０および５０は、２つの異なるターゲット被検物質をセンシング可能な２つの異なるタイプのセンシングフィルムであってもよい。
【００５８】
代替的な実施形態において、第６の電極５６は、センシング材料５０が、センサーが露出している環境内またはサンプル内の分子にアクセス不可能となるように、ガス透過性ではない。または、第２のコンデンサーは、物質が追加的なセンシング材料５０内に吸着しないように、覆われているか、封止されている。これら代替的な実施形態において、第２のコンデンサーは、参照センサーとして機能する。ガス透過性のコンデンサーの反対側の覆われているまたは封止されているコンデンサーは、ガス吸収によるものではない動作条件（例えば、温度、圧力、ドリフト等）の変化の度に、参照として機能することができる。また、共振器の対向する面上の２つのコンデンサーの対称性は、共振器の対称的な（応力無しの）動作を保証し、共振器が動作中において面歪みの外側において感知してしまう可能性を低減するという利点が存在する。
【００５９】
本発明の実施形態に係る共振デバイスは、多くの民生用途に好適なガスセンサーである。共振デバイスは、１つ以上のメタライズ層のみを追加することにより、シンプルさと低コストを維持し、かつ、キャパシタンス測定を行うための電子読み出し回路の機能を増補することにより、湿度の課題を解決している。デバイスは、いくつかの実施形態において、小型化されていてもよい。例えば、コンデンサーおよび発振回路（プロセッサー無し）を有する共振センサーを含むデバイスは、好ましくは、５×５×１ｍｍ以下の寸法の３次元構造を有している。プロセッサーは、その内部に含まれていてもよいし、別々であってもよい。
【００６０】
プロセッサー４８は、デバイスに備えられているマイクロプロセッサー（例えば、小型８ビット低コストプロセッサー）であってもよい。代替的に、処理機能が、１つ以上の読み出し回路と通信する別のプロセッサーまたは外部コンピューターにおいて実行されていてもよい。外部プロセッサーまたはコンピューターは、測定されたキャパシタンスおよび発振器の応答（例えば、周波数シフトまたは共振周波数）を表すデータを受信し、被検物質値、および、任意選択的に、湿度値を判別する。代替的に、複数のプロセッサーが提供されていてもよく、例えば、１つ以上のプロセッサーが、１つ以上の外部プロセッサーまたはコンピューターと、（無線または有線で）通信するデバイス内に設けられていてもよい。
【００６１】
データのいくつかの処理は、共振センサーの近くで実行され得る。例えば、時間平均または多重化またはデジタル化が、マルチプロセッサーを有するコンピューターまたは回路基板に送信される前に、センサーの近辺において全て処理されてもよい。特定のアルゴリズムがメモリー内に読み込まれ得、同じ機能が実行され、そのうち１つは、デジタルコンピューターにおけるものであり、その後、ディスプレイが駆動され、検出または危険レベルを示すためにカラー出力が用いられる。ＦＲタグおよび埋め込み医療機器のような、今日配備されている多くのセンサーの場合と同様に、ＲＦアンテナを用いて、センサーと接合およびセンサーに電力を提供することができる。センサーが駆動されると、センサーは自身の機能をセンシングし、その後、センサーの出力が受信アンテナへ再出力される。この態様において、デバイスは、パッシブであり、遠隔操作され得る。
【００６２】
上記記述は、実施例として、本発明の実施例を示すものであり、必ずしも限定ではない。多くの他の実施形態が可能である。例えば、理解の簡易化のために、特許図面では、１つのセンサー要素のみが示されているが、センサーアレイもまた、代替的な実施形態において可能である。共振センサーアレイが、センサーアレイが複数のターゲット被検物質、化合物、および複合混合物を感度良くに検出および区別化可能となるように、異なる特性を有する複数のＭＯＦまたはポリマーフィルムによって機能化されてもよい。さらに、デバイスは、圧力および温度を検出するために、圧力センサーおよび／または温度センサーのような複数の異なるタイプのセンサーを備えていてもよく、これらデータを算出において用いてもよい。さらに、センサーデバイスは、ヒーターおよび温度センサーを有する温度フィードバック制御ループを備えていてもよい。
【００６３】
したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって判断されるべきである。
【図１】
2020514687.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１０】
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【国際調査報告】
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