JPH06501316A - 集積可能な導電率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 集積可能な導電率測定装置 本発明は、液体の導電率を測定するための集積可能な導電率測定装置に関し、こ の装置は請求項１の前文に記載のように、２個の電流電極に接続され、この電極 を介して矩形波状の電流を液体に供給する電源装置と、２個の電圧電極に接続さ れ、この２個の電極間の電圧降下を測定するための測定回路とを備える。上記電 圧降下は測定すべき液体の導電率に依存する。

液体の導電率を測定するために、液体に電流を印加し、その中の電圧降下を測定 することが一般に知られている。この電圧降下は液体の導電率に反比例している 。

最も簡単な方式では、たった２個の電極か用いられる。これら２個の電極を介し て電流か液体に印加され、同時にこれら２個の電極で電圧降下か測定される。こ の場合には、有効な測定信号を歪めるいわゆる分極効果か発生する。このような 効果は、電極と電解液との間にある境界層を越えて電流か流れる時にはいつも起 こる。電解液中の電流の流れはイオン移動と結合するのて、−価のイオンか電解 液と電極間の境界層に溜まり、もとの領域を弱めるとともに測定信号を弱めるこ とになる。

このような不具合を除去するため、所謂４電極型の導電率測定装置が用いられる 。この装置では、２個の電流電極を持つ電源か測定用電流を供給するために設け られる。さらに、電圧電極用の２個の電極か液体中の電圧降下を測定するために 用いられる。電圧電極で測定された電圧降下は下流側の高抵抗増幅器によって増 幅される。

この増幅器の高い入力インピーダンスのため、電圧電極を通って流れる電流は小 さく保つことかできる。その結果、この測定方法では分極効果か低く抑えられ、 そのため２個の電極を用いた方法による導電率測定に比べて測定精度か改善され る。しかしなから、４電極型の場合には、電圧電極を通って流れる測定電流は分 極を引き起し、その結果、測定信号の歪みをもたらす。

米国特許第４，６５６．４２７号には、４電極盟の上記種類の導電率測定装置か 既に知られている。２個の電流電極が矩形波状の電流によって充電される。直流 電位を分けるために下流側にコンデンサを設けた２個の電圧電極か、測定すべき 液体に印加された矩形波状の交流電流によって起こる動的な電位変化を検出する ために用いられる。この信号は、その後の評価回路によって増幅され、Ａ／Ｄ変 換変換表示装置上に表示される。上記評価回路は、オフセット電流を分けるため に直列に接続された別のコンデンサを持つ。

さらに、上述の導電率測定装置においては、測定によって液体中の分解プロセス を起こさせないようにするため、印加電流として正弦波状の交流電流を用いるこ とか知られている。上記分解プロセスは、直流電流を印加して測定する場合には 起こりつるからである。

上記の従来技術に基づき、本発明は改善された測定精度を得るため、上記種類の 導電率測定装置をさらに発展させることを目的とする。

本発明によれば、この目的は請求項１に記載の集積可能な導電率測定装置によっ て達成される。

この発明は、切換式コンデンサ回路室測定回路とを組み合せ、矩形波状の電流を 生じる電源装置を用いることによって、分極効果による１測定誤差か完全に回避 されることを発見したことに基づく。

本発明による導電率測定装置は、単一の基板上に電極を含んた状聾て構成される 集積回路として実施することかできる。このことは、本発明による導電率測定装 置は、非常に小さい体積のサンプルでの測定にも用いることかでき、あるいは例 えば体内に挿入して行う医学的診断の領域におけるように、従来技術では導電率 測定装置か近つき難い場所での測定にも用いることかできる。

本発明における導電率測定装置の集積度により、従来技術による導電率測定装置 に比へて照射された妨害の影響を受けにくい。従来では、電極と評価電子装置と の間に長い接続用ケーブルか常に用いられているためである。このため、本発明 の導電率測定装置は、また、強い電磁ノイズを受ける環境条件下において用いる のに適している。

本発明の集積可能な導電率測定装置は、後述の詳細な説明と図面を参照すること により、説明されるであろう。

次に示すとおり、 図１は本発明の導電率測定装置の配線図であり、図２は図１の測定装置内で起こ る電流および電圧の時間変化図である。

図１に示されるように、本発明の集積可能な導電率測定装置の好ましい実施例は 、以後は全体として符号１として示されるものであるか、直流印加電流を発生す るための電源ＳＱを含み、これは第１〜第４スイッチＳｌ、３２．Ｓ３．Ｓ４を 介して２個の電流電極Ｅ１、Ｅ４に接続可能である。上記スイッチはその切り換 え位置によって、第１の極性とこれに反する極性とに切り換えられる。

電流電極は如何なる直流部分も持たない矩形波状の電流を電解液ＥＬ中に流す。

制御装置（図示せず）は、第１の期間Ｔｌの間は電源ＳＱか電流電極Ｅｌ、Ｅ４ と第１の極性において接続され、第２の期間Ｔ２の間は電源ＳＱか電流電極Ｅｌ 、Ｅ４と第２の極性において接続されるように、第１−第４スイツチ３１〜Ｓ４ を制御する。第１と第２の期間Ｔ１．Ｔ２は同一長さを有している。

２個の電圧電極Ｅ２．Ｅ３は電解液ＥＬ内における電流電極Ｅｌ。

Ｅ４の間に配置されており、矩形波状の印加電流により電解液を介して電流電極 Ｅｌ、Ｅ４間に起こる電圧降下ｖ１を測定する。

第１および第２の期間ＴＩ、Ｔ２における電圧降下の時間変化を図２ａ〜２ｃに 示す。

電流電極Ｅ２．Ｅ３は、第５〜第８のスイッチＳ５．　Ｓ６．　Ｓ７゜Ｓ８を介 して第１または第２の極性において、測定用コンデンサＣ１の電極と接続可能で ある。

第５．第６．第７および第８のスイッチ３５〜Ｓ８は、また、マイクロプロセッ サとして構成可能な制御装置（図示せず）によって駆動される。第３の期間Ｔ３ の間は第１の極性において電圧電極Ｅ２、Ｅ３か測定用コンデンサＣＩと接続さ れるように、第４の期間Ｔ４ては第２の極性て電圧電極Ｅ２．Ｅ３か測定用コン デンサＣ１と接続されるように、制御か実行される。図２ａ、２ｂを考慮して図 ２ｄ、２ｅかられかるように、第３の期間Ｔ３は第１期間ＴＩ内にあり、第４の 期間Ｔ４は第２期間Ｔ２内にある。

第９と第１０のスイッチＳ９．ＳｌＯは、測定用コンデンサＣＩの２個の電極と 演算増幅器ＯＰｖの変換入力および逆変換入力との間に夫々配置されており、演 算増幅器の出力はフィードバック用コンデンサＣ２を介してその変換入力に接続 されている。

制御装置（図示せず）は第３と第４の期間Ｔ３．Ｔ４の外に置かれた各第５の期 間の間、測定用コンデンサＣＩと演算増幅器ＯＰＶの入力とを接続する。フィー ドバック用コンデンサＣ２と測定用コンデンサＣ１との容量関係によって、測定 用コンデンサの電圧Ｖｅ□は演算増幅器の出力に生しる電圧■。、１に増幅され る。

図示された実施例では、制御装置！（図示せず）は各第５の期間の終了時におい て、フィードバック用コンデンサＣ２と並列に接続された第１１のスイッチＳｌ ｌを閉じる。その結果、図示された切換式コンデンサ回路３５〜Ｓｌｌ、Ｃ１， Ｃ２，ＯＰＶは増幅回路として働く。しかしながら、幾つかの期間Ｔ１．、Ｔ２ の後に第１１スイツチＳｌｌを閉じることも可能である。その結果、この場合に は切換式コンデンサ回路は積分回路として働く。

図２ｃにより電圧電極Ｅ２．Ｅ３間の電圧降下の過程をたどると分かるように、 第１と第２の期間はともに、切換効果か次第に減衰し、かつ電圧ｖ１かほぼ一定 値を取るのに十分な期間に設定されている。切換プロセスか減衰した後でのみ、 測定用コンデンサは第３期間Ｔ３の間、電圧電極と接続される。そのため、電圧 電極Ｅ２゜Ｅ３から溢れた電荷キャリヤは測定用コンデンサＣＩの電極へと流れ る。期間Ｔ３の始めにおいて、この電流の流れは電流電極Ｅｌ。

Ｅ４間の元の領域の妨害をもたらし、かつ瞬間的な分極をもたらす。

測定用コンデンサＣ１への増大する電荷によって、電圧電極Ｅ２゜Ｅ３における 測定電流は０に向かって指数関数的に変化する。その結果、期間Ｔ３か十分に長 ければ、電圧電極Ｅ２．Ｅ３には電流か流れなくなる。十分に長い期間Ｔ３が経 過すれば、個々の場合によるか、達成できる測定精度に分極効果か最早悪影響を もたらさないことは、実験上容易に分かるであろう。

本発明における導電率測定装置は電極Ｅ１〜Ｅ４と、回路電源ＳＱと、切換式コ ンデンサ回路を含む電子増幅システムとを１枚の半導体基板上に集積するのに適 している。半導体基板上にモノリシック集積化することにより、本発明の導電率 測定装置は高度に小型化され、その結果、僅かな体積のサンプルや、例えば体内 に挿入して行う医学的診断の領域におけるように、到達困難な場所において、測 定か可能となる。

上記回路の素子は、ＣＭＯ３技術によって実施できる。この場合、電極として貴 金属層を適用する追加工程を必要とするだけのため、電極の製造はＣＭＯ３工程 で代替できる。

また、本発明の導電率測定装置か完全な集積回路に適しているという事実に係わ らず、別個に配置された電極を待つ測定回路を本発明の概念に基づいて実現する ことも可能である。

ＦＩＧ、２ 国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．２個の電流電極に接続可能で、この電極を介して矩形波状の電流を液体に対 して供給する電源装置と、２個の電圧電極に接続され、測定すべき液体の導電率 に依存する上記電極間の電圧降下を測定する測定回路とを備えた、液体の導電率 を測定するための集積可能な導電率測定装置において、上記測定回路は、測定用 コンデンサ（Ｃ１）と、フィードバック経路に配置されたフィードバック用コン デンサ（Ｃ２）を有する演算増幅器（ＯＰＶ）と、スイッチ手段（Ｓ５〜Ｓ１１ ）とを備えた切換式コンデンサ回路であって、 上記測定用コンデンサ（Ｃ１）はスイッチ手段（Ｓ５〜Ｓ１１）によって、時間 に依存する足形波状の電流の動きに従い、ある切換状態では電圧電極（Ｅ２，Ｅ ３）と接続され、他の切換状態では増幅回路（ＯＰＶ）の入力に接続されること を特徴とする測定装置。
2. ２．請求項１に記載の集積可能な導電率測定装置において、上記電源装置は直流 電源（ＳＱ）を含み、この電源は第１および第２の極性において第１，第２，第 ３および第４のスイッチ（Ｓｌ，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を介して電流電極（Ｅ１， Ｅ４）と接続されることを特徴とする測定装置。
3. ３．請求項２に記載の集積可能な導電率測定装置において、上記第１，第２，第 ３および第４のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）が、第１の極性における第 １の期間（Ｔ１）の間と、第２の極性における第２の期間（Ｔ２）の間、電源（ ＳＱ）と電流電極（Ｅ１，Ｅ４）とを接続するように、上記スイッチを制御する 制御装置が設けられることを特徴とする測定装置。
4. ４．請求項３に記載の集積可能な導電率測定装置において、上記スイッチ手段は 第５，第６，第７および第８のスイッチ（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）を有し、 上記制御装置は、第１の極性における第３の期間（Ｔ３）の間と、第２の極性に おける第４の期間（Ｔ４）の間、電圧電極（Ｅ２，Ｅ３）と測定用コンデンサ（ Ｃｌ）とを接続するように上記第５〜第８のスイッチ（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８ ）を制御し、上記第３の期間（Ｔ３）は第１の期間（Ｔ１）内にあり、第４の期 間（Ｔ４）は第２の期間（Ｔ２）内にあることを特徴とする測定装置。
5. ５．請求項３に記載の集積可能な導電率測定装置において、第１と第２の期間（ Ｔｌ，Ｔ２）は、矩形波状の電流が時間平均において直流部分を持たないように 、同一長さとしたことを特徴とする測定装置。
6. ６．請求項１乃至５のいずれかに記載の集積可能な導電率測定装置において、 上記スイッチ手段（Ｓ５〜Ｓ１１）は第９と第１０のスイッチ（Ｓ９．Ｓ１０） を有し、 増幅回路（ＯＰＶ）は上記第９と第１０のスイッチ（Ｓ９，Ｓ１０）を介して測 定用コンデンサ（Ｃ１）と接続可能であることを特徴とする測定装置。
7. ７．請求項６に記載の集積可能な導電率測定装置において、上記制御装置は、上 記第３と第４の期間（Ｔ３，Ｔ４）の期間外にある第５の期間（Ｔ５）の間、増 幅回路（ＯＰＶ）と測定用コンデンサ（Ｃ１）とを接続するように上記第９と第 １０のスイッチ（Ｓ９，Ｓ１０）を制御することを特徴とする測定装置。
8. ８．請求項１乃至７のいずれかに記載の集積可能な導電率測定装置において、 上記フィードバック用コンデンサ（Ｃ２）と並列に第１１のスイッチ（Ｓ１１） が設けられ、 上記制御装置は、各第５の期間（Ｔ５）の後でフィードバック用コンデンサ（Ｃ ２）が放電されるように、第１１のスイッチ（Ｓ１１）を制御することを特徴と する測定装置。
9. ９．請求項１乃至７のいずれかに記載の集積可能な導電率測定装置において、 上記フィードバック用コンデンサ（Ｃ２）と並列に第１１のスイッチ（Ｓ１１） が設けられ、 上記制御装置は、複数の期間（Ｔ１，Ｔ２）の後でフィードバック用コンデンサ （Ｃ２）が放電されるように、第１１のスイッチ（Ｓ１１）を制御することを特 徴とする測定装置。