(57)【要約】  ガスサンプル中の１種または複数のガスを検知するためのガスセンサーが提供される。このガスセンサーには、基材と、二酸化炭素を検出するための、酸化ランタンを含む固体電解質層と、その固体電解質層に熱的に結合された加熱要素と、加熱要素および固体電解質層に接続されたコントローラとが含まれる。そのコントローラが加熱要素を加熱して、固体電解質層が動作温度に達するようにする。二酸化炭素および湿分を検出する方法もまた開示されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
酸化ランタンを含む、二酸化炭素を検出するための固体電解質層と、
前記固体電解質層に熱的に結合された加熱要素と、
前記加熱要素および前記固体電解質層に接続されたコントローラであって、前記加熱要素を加熱して前記固体電解質層が動作に達するようにするコントローラと
を含む、サンプル中の二酸化炭素を検出するためのガスセンサー。
【請求項２】
前記固体電解質層および前記加熱要素の少なくとも一部が、前記基材から断熱されている、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項３】
前記固体電解質層および加熱要素の少なくとも一部が、前記基材の上につり上げられている、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項４】
前記コントローラが、前記加熱要素に比較的一定の電流を与えて、第一のエネルギー量を用いて前記加熱要素を加熱する、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項５】
前記ガスセンサーと類似ではあるが、酸化ランタンを含まない対照センサーをさらに含み、前記対照センサーが前記コントローラに接続されている、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項６】
前記コントロール手段が電池によって駆動される、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項７】
前記コントローラが前記固体電解質層に接続されて、センサー出力信号を与える、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項８】
前記コントローラが前記固体電解質層からの信号を受け、アンテナを介してセンサー出力信号を無線で送信する、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項９】
望ましくない成分が前記固体電解質層に到達するよりも前に、前記サンプルから前記望ましくない成分を吸収するための、吸収性物質をさらに含む、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項１０】
酸化ランタンを含む固体電解質層を提供する工程と、
前記固体電解質層をガスサンプルと接触させる工程と、
前記固体電解質層を、第一のエネルギー量を用いて１００℃から動作温度にまで加熱する工程と、
第一のエネルギー量に基づいて前記ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程と
を含む、ガスを検出するための方法。
【請求項１１】
前記提供工程が、基材に対して空間を置きながらもしっかりと固定された固体電解質層を提供することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記提供工程が、前記基材よりも上につり上げられた固体電解質層の少なくとも一部を提供することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
第二のエネルギー量を用いて周囲温度から１００℃にまで前記固体電解質層を加熱することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記固体電解質層に与えられた第二のエネルギー量に基づいて、前記ガスサンプル中の相対湿度のレベルを求める工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記加熱工程が、第一のエネルギー量を用いて前記固体電解質層を約１００℃から約５００℃にまで加熱することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記固体電解質層に与えられた第一のエネルギー量に基づいて、前記ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ガスサンプル中の湿分レベルおよび二酸化炭素の濃度を求めるための方法であって、
酸化ランタンを含む固体電解質層を提供する工程と、
前記固体電解質層をガスサンプルと接触させる工程と、
水脱着エネルギー量を用いて前記固体電解質層を約１００℃にまで加熱する工程と、
二酸化炭素脱着エネルギー量を用いて前記固体電解質層を約１００℃から二酸化炭素脱着温度にまで加熱する工程と、
水脱着エネルギー量に基づいて前記ガスサンプル中の湿分レベルを求め、そして二酸化炭素エネルギー量に基づいて前記ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程と
を含む方法。
【請求項１８】
前記提供工程が、基材に対して空間を置きながらもしっかりと固定された固体電解質層を提供することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記提供工程が、前記基材よりも上につり上げられた固体電解質層の少なくとも一部を提供することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
二酸化炭素脱着エネルギー量を用いて前記固体電解質層を１００℃から二酸化炭素脱着温度にまで加熱する前記加熱工程が、二酸化炭素脱着エネルギー量を用いて前記固体電解質層を約１００℃から約５００℃にまで加熱することを含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスセンサーに関し、より詳しくは、環境または流動流れのサンプル中の１種または複数のガスを検知するためのガスセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
屋内および屋外両方の環境中の、二酸化炭素濃度も含めた空気品質のモニターおよびコントロールについての関心が高まっている。二酸化炭素（ＣＯ２）またはその他のガスをモニターすることが可能な、数種のタイプのガスセンサーが存在している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、ガスセンサーに関し、より詳しくは、ガスサンプル中の二酸化炭素およびその他のガス、および場合によっては湿度を検知するためのガスセンサーに関する。そのガスセンサーには、所望のガスを検出するためのセンサーおよびそのセンサーを加熱するためのヒーターが含まれる。動作させる際には、コントローラがヒーターに電力を供給して、センサーを、周囲温度よりも高い動作温度にまで加熱する。いくつかの実施形態においては、センサーおよびヒーターが、センサーの他の部分の一部または全部、たとえばセンサー基材から断熱されている。このことは、ヒーターおよびセンサーを動作温度にまで加熱するのに必要な電力量を低下させるのに役立つ可能性がある。このことによって、時間間隔を空けてセンサーを動作温度にまで加熱するためのエネルギー効率を向上させることができる。本発明のガスセンサーは、電池駆動適用および／または無線適用に理想的に適合している。
【０００４】
ガスを検出するための方法もまた開示されている。一つの例示的方法には、酸化ランタンを含む固体電解質層を提供する工程と、その固体電解質層をガスサンプルと接触させる工程と、第一のエネルギー量を用いてその固体電解質層を１００℃から動作温度にまで加熱する工程と、第一のエネルギー量に基づいてそのガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程とが含まれる。
【０００５】
また別な例示的方法には、酸化ランタンを含む固体電解質層を提供する工程と、その固体電解質層をガスサンプルと接触させる工程と、水脱着エネルギー量を用いてその固体電解質層を約１００℃に加熱する工程と、二酸化炭素脱着エネルギー量を用いてその固体電解質層を約１００℃から二酸化炭素脱着温度にまで加熱する工程と、次いで、水脱着エネルギー量に基づいてそのガスサンプル中の湿分レベルを求め、そして二酸化炭素エネルギー量に基づいてそのガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程とが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の開示は、ガスセンサーに関し、より詳しくは、ガスサンプル中の二酸化炭素およびその他のガス、および場合によっては湿度を検知するためのガスセンサーに関する。図１は、一つの例示的ガスセンサーの断面側面図である。図２は、図１の例示的ガスセンサーの概略平面図である。この例示的ガスセンサーは、全体としては１０で示されており、基材１４の上に接触するかまたは離して形成されたセンサー１２が含まれる。例示したセンサー１２には、ヒーター層１６、緩衝層１８、下側電極層２０、固体電解質層２２、および上側電極層２４が含まれており、これについては図１が最も判りやすい。例示された具体的な層、さらにはそれらの相対的な配置は変更することが可能であり、それらもまた本発明の範囲内であるということは理解されたい。何よりも重要なことは、ヒーター層１６が固体電解質層２２に熱的に結合されており、固体電解質層２２の側から接触が与えられているということである。
【０００７】
この例示的な実施形態においては、ヒーター層１６が抵抗性の物質で作られていて、その中へ電流を通すと熱を発生する。センサー１２に送達することが可能な熱を増加させ、さらには熱の均質性を向上させるために、ヒーター層１６をセンサー１２の領域で前後にジグザグに配置させてもよく、これについては図２で見ると判りやすい。
【０００８】
例示的実施形態においては、固体電解質層２２は、適切な固体電解質物質から作られてもよい。たとえば、検知するべきガスがＣＯ２および／または湿度である場合には、その固体電解質が酸化ランタン、Ｌａ２Ｏ３（ＣＡＳ番号：１３１２−８１−８）であってよく、これは、ウィスコンシン州ミルウォーキー(Milwaukee, WI)のシグマ・アルドリッチ・ケミカル・カンパニー(Sigma Aldrich Chemical Company)から入手可能である。その固体電解質層２２は、Ｌａ２Ｏ３の層とすることも可能であり、あるいは必要に応じて、Ｌａ２Ｏ３を用いてドープした物質（たとえばシリカ）の層とすることも可能である。
【０００９】
酸化ランタンは有用な固体電解質であるが、その理由はそれが、周囲温度では水および二酸化炭素を吸収し、１００℃にまで加熱すれば水を脱着し、次いで１００℃を超えて加熱すれば二酸化炭素を脱着するからである。したがって、ガスセンサーに単一な加熱サイクルをさせるだけで、ガスサンプル中の水（たとえば、湿度）と二酸化炭素との両方の濃度を正確に求めることが可能となる。酸化ランタンの物理的性質（すなわち、比吸収能、体積、および質量）と酸化ランタンに加えた熱量とから、示差熱分析を用いた熱質量の変化に基づいて、水と二酸化炭素との両方の濃度を求めることが可能である。一つの例示的な示差熱分析センサーが、米国特許第６，２３８，０８５号明細書に開示されている（この特許文献を参照により本明細書に援用する）。一つの例示的実施形態においては、そのガスセンサーが５ｐｐｍの最終的な二酸化炭素感度を示している。
【００１０】
必要に応じて、コントロール電子部品(control electronics)２８は、基材１４の上もしくは内部または別の場所に設けてもよい。コントロール電子部品２８は、線３０ａおよび３２ｂを介してヒーター層１６に接続し、線３２ａおよび３２ｂを介して下側電極層２０および上側電極層２４に接続することが可能であり、これについては図２が最も判りやすい。動作をさせる際には、コントロール電子部品２８がヒーター層１６に電力を供給してセンサー１２を、周囲温度よりは高い動作温度にまで加熱する。センサー１２に、より具体的には固体電解質層２２に、熱を加えることによって、吸収されたガスを脱着させる。
【００１１】
図４を参照すると、一つの例示的実施形態において、コントロール電子部品２８が電力をヒーター層１６に供給して、第一期間の間に第一のエネルギー量を用いて、センサーを動作温度にまで加熱する。図４には、本発明の開示に従った対照センサーおよびＣＯ２センサーの時間対温度の例を示している。時間ゼロでは、センサーは周囲温度である。エネルギー（すなわち、電流）を両方のセンサーに一定速度かつ一定電圧で加えることにより、ヒーターに一定の電力を供給する。両方のセンサーはほぼ同時に、ほぼ同じエネルギー量（これは、それぞれの曲線下の面積を積分することによって計算することが可能である）を用いて１００℃に達する。１００℃のところでは、ＣＯ２センサーからの二酸化炭素の脱着が開始され、そのために、ＣＯ２センサーの昇温速度が対照センサーよりも遅くなる。ＴＣに等しい時間のところでは、対照センサーが５００℃の温度に達している。ＴＣＯ２に等しい時間のところでは、ＣＯ２センサーが５００℃の温度に達している。約５００℃の温度では、実質的にすべての二酸化炭素がセンサーから脱着されている。それぞれの曲線の下の面積の差（ＡＣＯ２）が、センサーから二酸化炭素を脱着させるのに必要なエネルギー量に相当している。固体電解質と二酸化炭素の物理的性質が判れば、センサーから脱着された二酸化炭素の全量を求めることができる。次いで、周囲吸収温度および圧力における二酸化炭素と固体電解質との間の公知の平衡定数に基づいて、そのガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求めることができる。
【００１２】
図５には、本発明の開示に従った対照センサーならびに相対湿度（ＲＨ）およびＣＯ２センサーの時間対温度の例を示している。時間ゼロでは、センサーは周囲温度である。電力（すなわち、電流／電圧）を両方のセンサーに一定速度で加える。この場合、ＴＨ２Ｏに等しい時間に、ＲＨ／ＣＯ２センサーが１００℃に達しそれを超え始め、ＴＣ１に等しい時間に対照センサーが１００℃に達する。それぞれのセンサーが１００℃に到達しまさにそれを超えるために必要とした全エネルギー量における差が、ＲＨ／ＣＯ２センサーから脱着される水の全量と相関関係にある。固体電解質と水の物理的性質が判れば、センサーから脱着された水の全量を求めることができる。次いで、周囲吸収温度および圧力における水と固体電解質との間の公知の平衡定数に基づいて、そのガスサンプル中の水の濃度を求めることができる。次いで、公知の方法を用いて相対湿度を求めることができる。
【００１３】
１００℃を超えたところでは、ＲＨ／ＣＯ２センサーからの二酸化炭素の脱着が開始され、そのために、ＣＯ２センサーの昇温速度が対照センサーよりも遅くなる。ＴＣ２に等しい時間のところでは、対照センサーが５００℃の温度に達している。ＴＣＯ２に等しい時間のところでは、ＣＯ２センサーが５００℃の温度に達している。約５００℃の温度では、実質的にすべての二酸化炭素がセンサーから脱着されている。（１００℃を超えたところの）それぞれの曲線の下の面積の差が、センサーから二酸化炭素を脱着させるのに必要なエネルギー量である。固体電解質と二酸化炭素の物理的性質が判れば、センサーから脱着された二酸化炭素の全量を求めることができる。次いで、周囲吸収温度および圧力における二酸化炭素と固体電解質との間の公知の平衡定数に基づいて、そのガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求めることができる。
【００１４】
いくつかの実施形態においては、対照センサーが備えられていても、あるいは備えられていなくてもよい。対照センサーは、酸化ランタンを含まないだけで、構成的にはそのガスセンサーと同一とすることができる。対照センサーをコントローラに接続して、ガスセンサーのための加熱プロファイルをコントロールすることができる。それによって、示差的な加熱プロファイル、すなわち示差的なエネルギー量を測定して、ガスセンサーから脱着される二酸化炭素および／または湿度を求めることができる。対照センサーが備えられていない場合には、脱着される二酸化炭素および／または湿度は、公知であるかまたは予め測定しておいた計算上のセンサー特性データから求めることが可能であり、それをコントローラの内部のメモリーに蓄積しておくことができる。
【００１５】
いくつかの実施形態においては、センサー１２を、ガスセンサー１０の残りの一部または全部から断熱してもよい。図１に示された実施形態においては、センサー１２の下の基材に窪み５２をエッチングして、センサー１２と基材１４との間にギャップまたは空間を残すことができる。そのギャップは空気ギャップであってもよく、あるいは低熱伝導率を有する物質で充填してもよい。支持脚５０ａ〜ｄをそのまま残して、窪み５２の上でセンサー１２を支持させてもよい。この配置においては、ヒーター１６および固体電解質層２２を含むセンサー１２が基材の上につり上げられているので、これが、センサー１２をガスセンサー１０の他の部分から断熱させるのに役立つ。このことは、センサー１２を動作温度にまで加熱するのに必要な電力量と時間を低下させるのに役立つ可能性がある。
【００１６】
センサー１２を動作温度にまで加熱するのに必要な電力量が少なくなるため、および／または読み取りが必要なときのみセンサー１２を加熱するために、ガスセンサー１０は、電池駆動適用および／または無線適用に好適となる可能性がある。たとえば、電池５６によりコントロール電子部品２８に電力供給することも可能であり、および／またはコントロール電子部品２８がアンテナ５８を介してガスセンサー１０から出力信号を無線で送信することが可能である。
【００１７】
図３は、本発明による別の例示的ガスセンサーの断面側面図である。この例示的ガスセンサーは、全体としては８０で示されており、それには、基材８２、支持構造８４、センサー８６およびコントロール電子部品８８が含まれている。この実施形態は、図１〜２に関して上に示し、説明したものと類似している。しかしながら、図１に示したようにして基材の中にエッチングした窪み５２の上にセンサーをつり上げる代わりに、基材の上に支持構造を設けて、それが基材８２より上へセンサー８６を持ち上げている。ギャップ９０などを支持構造８４の下に設けることによって、断熱性を与えるのに役立たせる。代わりに、あるいはそれに付け加える形で、低熱伝導率を有する物質から支持構造８４を形成させてもよい。いずれの方法を用いるにせよ、センサー１０およびセンサー８６を、かなりの程度で基材から断熱することができる。
【００１８】
図６は、本発明による例示的ガスセンサー組立品の概略側面図である。ガスセンサー組立品は全体として１００で示され、これには、ハウジング１０２、ガスセンサー１０４、および吸収材１０６が含まれている。そのガスセンサーは、上に図１〜５に関連して示し、説明したものと類似したものでよい。
【００１９】
環境からのガスサンプル１１０は、吸収材１０６を通過してからガスセンサー１０４に供給され得る。この吸収材には、サンプル１１０がガスセンサー１０４に到達するより前に、望ましくない成分またはガスをサンプル１１０から吸収する吸収性物質が含まれている。たとえば、その吸収材は１種または複数の妨害ガスを吸収することができる。場合によっては、妨害ガスが、ガスセンサー１０４によって得られる測定の信頼性または正確性を低下させる可能性がある。
【００２０】
このガスセンサー組立品１００には、さらに複数のリード線１０８が含まれていてもよい。それらのリード線１０８が、必要に応じて、ガスセンサー組立品１００と外部基板などとの間に機械的および／または電気的な接続を与えるようにすることができる。
【００２１】
本明細書によって網羅される本発明の多くの利点を、ここまで記載してきた。しかしながら、本明細書の開示は、多くの面において、あくまで例示に過ぎないということを理解されたい。詳細な点において、特に形状、サイズ、および部品の配置に関しては、本発明の範囲を超えることなく、変更が可能である。当然ながら、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲に記載された文言において定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による例示的ガスセンサーの断面側面図である。
【図２】図１の例示的ガスセンサーの概略平面図である。
【図３】本発明による別の例示的ガスセンサーの断面側面図である。
【図４】ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を測定するための示差熱分析を示す時間対温度のグラフである。
【図５】ガスサンプル中の水分および二酸化炭素の濃度を測定するための示差熱分析を示す時間対温度のグラフである。
【図６】本発明による例示的ガスセンサー組立品の概略側面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月1日(2008.5.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（１４、８２）と、
酸化ランタンを含む、二酸化炭素を検出するための固体電解質層（２２）と、
前記固体電解質層に熱的に結合された加熱要素（１６）と、
前記加熱要素および前記固体電解質層に接続されたコントローラ（２８、８８）であって、前記加熱要素を加熱して前記固体電解質層が動作温度に達するようにするコントローラと
を含む、サンプル中の二酸化炭素を検出するためのガスセンサー（１０、８０、１０４）。
【請求項２】
前記固体電解質層および加熱要素の少なくとも一部が、前記基材の上につり上げられている、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項３】
前記ガスセンサーと類似ではあるが、酸化ランタンを含まない対照センサーをさらに含み、前記対照センサーが前記コントローラに接続されている、請求項１に記載のガスセンサー。
【請求項４】
酸化ランタンを含む固体電解質層（２２）を提供する工程と、
前記固体電解質層をガスサンプル（１１０）と接触させる工程と、
前記固体電解質層を、第一のエネルギー量を用いて１００℃から動作温度にまで加熱する工程と、
第一のエネルギー量に基づいて前記ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程と
を含む、ガスを検出するための方法。
【請求項５】
前記提供工程が、前記基材（１４、８２）よりも上につり上げられた固体電解質層の少なくとも一部を提供することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第二のエネルギー量を用いて周囲温度から１００℃にまで前記固体電解質層を加熱する工程と、前記固体電解質層に与えられた第二のエネルギー量に基づいて、前記ガスサンプル中の相対湿度のレベルを求める工程とをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱工程が、第一のエネルギー量を用いて前記固体電解質層を約１００℃から約５００℃にまで加熱する工程と、前記固体電解質層に与えられた第一のエネルギー量に基づいて、前記ガスサンプル中の二酸化炭素の濃度を求める工程とをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【国際調査報告】
2009506326.tif 000009
2009506326.tif 000010
2009506326.tif 000011