(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合物を具えたガスセンサユニットにおいて、前記混合物が、
前記混合物の総重量の25〜55重量％のポリアニリン（ＰＡＮ）から成る導電性高分子材料と；
前記混合物の総重量の45〜75重量％のポリウレタン（ＰＵ）から成る、ガス分子を吸収するための吸収剤と
を含むことを特徴とするガスセンサユニット。
【請求項２】
前記吸収されるガス分子がアルコールの分子を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサユニット。
【請求項３】
前記アルコールの分子がメタノール分子から成ることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサユニット。
【請求項４】
前記アルコールの分子がエタノール分子から成ることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサユニット。
【請求項５】
さらに、前記ガスセンサユニットの抵抗を検出するための検出回路を具え、前記混合物が前記検出回路上に塗布されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサユニット。
【請求項６】
前記検出回路がアルミナ・セラミックリード・チップキャリア（ＣＬＣＣ）で構成されることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサユニット。
【請求項７】
前記ガスセンサユニットが、アルコールのガス分子を吸収／脱着するために使用され、前記ガスセンサユニットの抵抗の変化が、前記アルコールのガスの存在または不在の指標であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサユニット。
【請求項８】
導電性高分子材料を吸収剤と混合して混合物を形成するステップと；
前記混合物を硬化させるステップとを具え、
前記混合物は、前記混合物の固体成分を100重量％として25〜55重量％の導電性高分子材料及び45〜75重量％の吸収剤から成り、前記導電性高分子材料はＰＡＮから成り、前記吸収剤はＰＵから成ることを特徴とするガスセンサユニットの製造方法。
【請求項９】
前記混合物を硬化させるステップは、膜を形成し、前記膜を熱処理することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物を硬化させるステップは、前記混合物を焼付け乾燥させることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物を焼付け乾燥させる条件は、50℃〜70℃の温度範囲の下で280〜320分間実行することであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合物を形成するステップは、前記導電性高分子材料と前記吸収剤とを混合する際に溶剤を加えることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶剤がトルエンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記混合物を硬化させる前に、前記混合物を検出回路上に塗布するステップを具え、前記ガスセンサユニットの抵抗変化がガスの存在または不在の指標であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記検出回路がアルミナＣＬＣＣで構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
発明の分野
本発明は、ガスセンサユニット及びその形成方法に関するものである。特に、本発明は低コストかつ高感度のガスセンサユニット及びその形成方法に関するものである。
【０００２】
従来技術の説明
工業プロセス中に使用または生成される種々の毒性、可燃性、爆発性、あるいは危険性のあるガスの漏洩は、人間にとって有害であり、環境に大きな被害を生じさせ、これを防止するために、近年、種々のガス分子を検出することのできるセンサが開発され、すべての領域から注目されている。それ以来、研究開発は、高感度、低コスト、良好な選択性、速い応答、及び再現性、等に焦点を置いている。
【０００３】
現在、一般に利用可能なガスセンサは、触媒燃焼型、金属半導体吸収型、及び導電性高分子材料型、等を含む。しかし、アルコールのようなガス用に一般に使用される触媒燃焼型または金属酸化物吸収型ガスセンサのような現在のガスセンサ材料のすべてが高温で動作させる必要があり、このため、その可燃性ガスの検出への応用は制限される。
【０００４】
上記導電性高分子材料は、その特定の電子配置により交互共役結合を有するので、酸化または還元された後に、電子が分子鎖に沿って、あるいは分子鎖を横切って跳躍することができ、これにより材料が導電性になる。従って、この材料は常温においてガスを検出するために用いることができる。
【０００５】
しかし、導電性高分子材料のガスセンサに関する現在の検討では、ポリピロール（ＰＰｙ）のみが検討されてきた。現在、ＰＰｙは、高価でありその原料が容易に入手可能ではないので、商業的用途を有しない。
【０００６】
（発明の概要）
従って、本発明は、低コストかつ高感度の利点を有するガスセンサユニットに指向したものである。
【０００７】
本発明は、低コストかつ高感度のガスセンサユニットを形成する方法にも指向したものである。
【０００８】
本発明は、導電性高分子材料、及びガス分子を吸収するための吸収剤を含むガスセンサユニットを提供する。導電性高分子材料はポリアニリン（ＰＡＮ）であり、吸収剤はポリウレタン（ＰＵ）である。導電性高分子材料は、ガスセンサユニットの総重量の25〜55重量％であり、吸収剤はガスセンサユニットの総重量の45〜75重量％である。
【０００９】
本発明の好適例によれば、吸収されたガス分子は、メタノール及びエタノールのようなアルコールの分子を含む。
【００１０】
本発明の好適例によれば、さらに、ガスセンサユニットの抵抗を検出するための検出回路を含む。この検出回路は、アルミナ・セラミックリード・チップキャリア（ＣＬＣＣ）で構成することができる。
【００１１】
本発明の好適例によれば、上記ガスセンサユニットを用いて、アルコール分子を吸収／脱着し、これによりガスセンサユニットの抵抗が変化することによって、アルコールのガスを検出する。
【００１２】
本発明はガスセンサユニットを形成する方法を提供し、この方法は、導電性高分子材料を吸収剤と混合して混合物を形成するステップと；この混合物を硬化させるステップとを含む。この導電性高分子材料は、混合物の固体成分を100重量％として、45〜55重量％のＰＡＮ及び45〜75重量％のＰＵから成る。
【００１３】
本発明の好適例によれば、上記混合物を硬化させる方法は、この混合物を用いて熱処理の下で膜を形成するステップを含む。
【００１４】
本発明の好適例によれば、上記混合物を硬化させる方法は、この混合物を焼付け（ベーキング）乾燥させることを含む。さらに、混合物を焼付け乾燥させる条件は、50℃〜70℃の範囲の一定温度を280〜320分間維持することを含む。
【００１５】
本発明の好適例によれば、上記混合物を形成するステップは、導電性高分子材料と吸収剤とを混合する際に溶剤を加えることを含み、ここでこの溶剤はトルエンを含む。
【００１６】
本発明の好適例によれば、上記混合物を形成した後であってこの混合物を硬化させる前に、この混合物を検出回路上に塗布（コーティング）することを含む。この検出回路はアルミナＣＬＣＣで構成することができる。
【００１７】
本発明の好適例によれば、上記ガスセンサユニットを用いて、ガスセンサユニットの抵抗を変化させ得るアルコールのガス分子を吸収／脱着することによってアルコールのガスを検出する。ガスセンサユニットの抵抗の変化の指標はガスの存在を示す。
【００１８】
本発明では、導電性高分子材料ＰＡＮを検出材料として用い、そしてガス分子の吸収剤としてＰＵを一緒に用いるので、従ってガスセンサのコストを効果的に低減すると共に、ガスセンサユニットの感度も効果的に向上させることができる。
【００１９】
本発明の以上及び他の目的、特徴、及び利点を分かりやすくするために、以下に、好適な実施例を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
これらの図面は、本発明をさらに理解させるために提供し、本明細書の一部を構成する。これらの図面は本発明の実施例を示し、その説明文と共に本発明の原理を説明するものである。
【００２１】
（実施例の説明）
本発明によるガスセンサは主に、導電性高分子材料、及びガス分子を吸収するための吸収剤を含む。さらに、本発明の好適な実施例では、導電性高分子材料はＰＡＮであり、吸収剤はＰＵである。導電性高分子材料の濃度は25〜55重量％であり、吸収剤の濃度は45〜75重量％であり、これによりガスセンサユニットは好適な導電率、及び膜形成の機械的特性を有することができる。これに加えて、ガスセンサユニットが吸収することのできるガス分子は、メタノール及びエタノールのようなアルコールの分子を含む。
【００２２】
本発明によるガスセンサユニットでは、導電率のためにＰＡＮを検出材料として用い、そしてガス分子を吸収するための吸収剤としてＰＵを一緒に用いるので、従って、ガスセンサのコストを効果的に低減すると共に、ガスセンサの感度を効果的に向上させることができる。さらに、この吸収剤は空気からガスを吸収することができ、このことはその化学的構造を変化させ、そしてガスセンサユニット（ＰＡＮ＋ＰＵ）の抵抗に変化を生じさせ、ガスセンサユニットのこうした抵抗の変化はリアルタイムで測定することができ、そしてガスの存在を示す。
【００２３】
図１は、本発明の他の好適な実施例によるガスセンサユニットを形成するためのプロセス（工程）のフローチャートである。
【００２４】
図１に示すように、ステップ１００では、導電性高分子材料と吸収剤とを混合して混合物を形成する。導電性高分子材料はＰＡＮであり、吸収剤はＰＵである。ＰＡＮの含有量は25〜55重量％であり、ＰＵの含有量は45〜75重量％である。さらに、溶剤を加えて導電性高分子材料と吸収剤との混合を促進させることができる。例えば、この溶剤はトルエンである。
【００２５】
次に、ステップ１１０では、この混合物を硬化させる。この混合物を硬化させるステップは、例えば、この混合物を温熱条件下で用いて膜を形成すること、あるいはこの混合物を焼付け乾燥させることを含む。混合物を焼付け乾燥させる条件は、例えば、50℃〜70℃の範囲の温度を280〜320分間維持することを含む。こうしてガスセンサユニットの製造が完了し、そしてガスセンサユニットを用いて、アルコールガスの分子を吸収／脱着することによってアルコールガスを検出することができ、この吸収／脱着は、それに応じたガスセンサユニットの抵抗の変化を生じさせる。
【００２６】
これに加えて、ステップ１００とステップ１１０との間に、上記混合物を検出回路上に選択的に塗布する。この検出回路は例えばアルミナＣＬＣＣで構成することができる。以下に、ガスセンサユニットを形成する方法を例示するいくつかの例を挙げる。
【００２７】
例１：
例１は、２回連続するメタノール（ＭｅＯＨ）の吸収／脱着実験後のＤＣ抵抗（インピーダンス）変化感度を検出することによって電気特性（抵抗）を測定するガスセンサユニット（ＰＡＮ＋ＰＵ）に指向したものである。出発材料は、40重量％のＰＡＮ及び60重量％のＰＵ（ＮＣＯは5.56％）であり、検出は次の実験条件下で行う：(1) 半密封測定系；(2) 常温での自然蒸発；及び(3) ガスセンサユニットの検出面と約1.5cmのメタノールの液面との間の距離。
【００２８】
第１の例のよるガスセンサユニットを製造する方法は以下のように記述することができる。所定量の（粘性状態の）ＰＵとＰＡＮとを混合する。次に、適切な量の溶剤、例えばトルエンを加え、そして混合物を10分間攪拌して良く混合させる。次に、この混合物を、ピンなしのアルミナＣＬＣＣの表面上に塗布する。次に、結果的に生じた構造をオーブン内で、60℃の一定温度で約５時間焼付け乾燥させる。次に、結果的に生じた構造をオーブンから取り出して冷却する。ガスセンサユニットを用いてメタノールを吸収／脱着し、そしてＤＣインピーダンス特性を測定する。
【００２９】
図２に、冷却後であってメタノールの吸収／脱着前のスタンバイ（待機）状態において、例１によるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：40／60重量％）がＤＣインピーダンス特性を測定している状態を示す。測定結果は、抵抗値も長時間にわたって約3740オーム〜約3760オームの間に維持されることを示している。
【００３０】
次に、メタノールの連続的な吸収／脱着後に、例１によるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：40／60重量％）が、ガスを検出した後にＤＣインピーダンス特性を測定している状態を図３に示す。メタノールの蒸発なしでは、抵抗値はずっと定常状態に維持され、メタノールの１回目の蒸発後に、抵抗値は3740オームから3800オームまで時間と共に増加する。次に、メタノール溶液を除去し、これに伴い抵抗値は減少する。２回目の蒸発後には、抵抗値は3775オームから3835オームまで時間と共に増加する。次に、メタノール溶液を除去し、これに伴い抵抗値は減少する。
【００３１】
即ち、メタノールが蒸発すると、ガスセンサユニットはメタノールガス分子を吸収し、結果的にガスセンサのＤＣ抵抗は増加し、そしてメタノールを除去した後に、吸収されたメタノール分子がガスセンサから脱着し、結果的にガスセンサのＤＣ抵抗は減少する。従って、インピーダンス変化の安定した傾向が示され、この傾向はほぼ直線的であり再現可能である。
【００３２】
例２：
例２のガスセンサは、50重量％のＰＡＮ及び50重量％のＰＵを出発材料として用いること以外は例１と同様である。３回連続するメタノール（ＭｅＯＨ）の吸収／脱着実験を行って、抵抗（インピーダンス）変化感度を検出する。
【００３３】
図４に、例２によるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：50／50重量％）が、ガスを検出した後にＤＣインピーダンス特性を測定している状態を示す。メタノールの蒸発なしでは、ガスセンサの抵抗値はずっと定常状態に維持され、メタノールの１回目の蒸発後に、ガスセンサの抵抗値は2485オームから2553オームまで時間と共に増加する。次に、メタノール溶液を除去し、これに伴いガスセンサの抵抗値は減少する。
【００３４】
次に、２回目の蒸発後に、ガスセンサの抵抗値は2516オームから2547オームまで時間と共に増加する。そしてメタノール溶液を除去し、これに伴いガスセンサの抵抗値は減少する。
【００３５】
次に、メタノール溶液の３回目の蒸発後に、ガスセンサの抵抗値は2519オームから2572オームまで時間と共に増加する。次に、メタノール溶液を除去し、これに伴いガスセンサの抵抗値は減少する。
【００３６】
従って、ＰＡＮ及びＰＵの含有量が共に50重量％に変化すると、メタノールのガス分子を検出した際にガスセンサの抵抗値は増加し、そしてメタノールを除去するとＤＣ抵抗は減少する。これに加えて、（図３に示す）例１による２回連続する吸収／脱着か（図４に示す）例２による３回連続する吸収／脱着かにかかわらず、インピーダンス変化の安定した傾向が示され、この傾向はほぼ直線的であり再現可能である。
【００３７】
例３：
例３では、50重量％のＰＡＮ及び50重量％のＰＵを出発材料として用い、そしてエタノールを用いた２回連続する吸収／脱着実験を行って抵抗（インピーダンス）変化感度を検出する。ガスセンサユニットを形成する方法及び実験条件は例１及び例２と同様である。
【００３８】
図５に、冷却後であってエタノールの吸収／脱着前のスタンバイ（待機）状態において、例３によるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：50／50重量％）がＤＣインピーダンス特性を測定している状態を示す。測定結果は、抵抗値が長時間にわたって2485オームと2490オームとの間に維持されることを示す。
【００３９】
次に、エタノールの連続的な吸収／脱着の後の、例３によるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：50／50重量％）のガスを検出した後の状態は、図６示す通りである。エタノールの蒸発なしでは、ガスセンサの抵抗値は定常状態に維持され、エタノールの１回目の蒸発後に、ガスセンサの抵抗値は2485オームから2560オームまで時間と共に増加する。次に、エタノール溶液を除去し、これに伴いガスセンサの抵抗値は減少する。２回目の蒸発後に、ガスセンサの抵抗値は2445オームから2583オームまで時間と共に増加する。次に、エタノール溶液を除去し、これに伴いガスセンサの抵抗値は減少する。
【００４０】
例３によるガスセンサユニットがエタノールを検出した後に、ＤＣ抵抗が増加し、そしてエタノールを除去した後に、ＤＣ抵抗が減少し、これによりインピーダンス変化の安定した傾向が示され、この傾向はほぼ直線的であり再現可能であることがわかる。
【００４１】
上述したように、本発明では、抵抗特性を有する低コストかつ高感度の「導電性」高分子材料ＰＡＮを用い、そして好適な機械特性を有する高分子材料ＰＵをＰＡＮキャリア（担体）と共に用いて機械特性を改善し、そしてガス分子を吸収する吸収剤として用いる。従って、本発明によるガスセンサユニットを用いて、リアルタイムで空気中の有害ガスを検出して警告を発することができる。さらに、本発明のガスセンサユニットにおける成分の重量比の範囲によれば、好適な導電率及び膜形成の機械特性を達成することができる。
【００４２】
本発明は好適な実施例によって上述しているが、これらは本発明の範囲を制限するものではない。本発明の範囲を逸脱することなしに、本発明に種々の変更及び変形を加え得ることは当業者にとって明らかである。以上の観点から、これらの変更及び変形が請求項の範囲内に入るものであれば、本発明はこれらの変更及び変形をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の好適な実施例によるガスセンサユニットを形成するプロセスのフローチャートである。
【図２】本発明の第１実施例による、スタンバイ状態におけるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：40／60重量％）の抵抗値と時間との関係を示す曲線図である。
【図３】本発明の第１実施例による、ガスを検出した後のガスセンサユニットの抵抗値と時間との関係を示す曲線の図である。
【図４】本発明の第２実施例による、ガスを検出した後のガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：50／50重量％）の抵抗値と時間との関係を示す曲線図である。
【図５】本発明の第３実施例による、スタンバイ状態におけるガスセンサユニット（ＰＡＮ／ＰＵ：50／50重量％）の抵抗値と時間との関係を示す曲線図である。
【図６】本発明の第３実施例による、ガスを検出した後のガスセンサユニットの抵抗値と時間との関係を示す曲線の図である。
【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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