(57)【要約】ガスサンプル中の１種または複数のガスを検出するための低消費電力のガスセンサ（１０）が提供される。ガスセンサは、所望のガスを感知するためのセンサ（１２）およびセンサを加熱するためのヒータ（１６）を含む。動作中は、コントローラ（２８）が第１の期間（４０）中、センサを動作温度に加熱するためにヒータに電力を供給する。動作温度になると、コントローラはセンサを読み取って、ガスサンプル中の検出ガスの測定値を決定する。測定を行った後、電力を節約するために、コントローラは第２の期間（４２）中ヒータへの電力を止めて、ヒータ付きセンサを周囲温度またはその付近まで冷却する。第２の期間は第１の期間より長く、場合によっては大幅に長くなることもある。一部の実施形態では、ヒータ付きセンサは、センサ基板（１４）などセンサの残りの部分の一部または全部から熱絶縁される。これはまた、ヒータ付きセンサを動作温度に加熱するのに必要な電力を低減するのに役立ち得る。本発明のガスセンサは、バッテリ式および／または無線式の用途に理想的に適し得る。
2006504973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
周囲温度より高い動作温度に加熱されるとガスに対する感度が向上する材料または材料システムを含んだ、ガスを感知するための感知手段と、
前記感知手段を前記動作温度に加熱するための加熱手段と、
前記加熱手段および前記感知手段に結合された制御手段とを備え、前記感知手段が前記動作温度に達するように、前記制御手段が、第１の期間中、前記加熱手段を加熱し、前記感知手段が前記ガスを感知し、次いで前記制御手段が、第２の期間中、前記加熱手段を前記周囲温度またはその付近まで冷却する、サンプル中のガスを感知するためのガスセンサ。
【請求項２】
前記第２の期間が、前記第１の期間より大幅に長い、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記感知手段の前記材料または材料システムが、固体電解質を含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮを含む、請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記固体電解質が、ＮａＢａＣＯ３を含む、請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記感知手段および前記加熱手段の少なくとも一部分が、前記基板から熱絶縁されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記感知手段および加熱手段の少なくとも一部分が、前記基板の上方に懸架されている、請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記制御手段が、前記第１の期間中、前記加熱手段を加熱するために前記加熱手段に電流を供給する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記制御手段が、前記第２の期間中、前記加熱手段への前記電流をすべて、またはほぼすべて止める、請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記制御手段が、バッテリから電力を供給される、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記制御手段が、前記感知手段に結合され、センサ出力信号を供給する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記制御手段が、前記センサ手段から信号を受信し、アンテナを介して前記センサ出力信号を無線式に送信する、請求項１１に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
前記サンプルが前記感知手段に達する前に、前記サンプルから望ましくない構成物質を吸収するための吸収材料をさらに含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記望ましくない構成物質が、水分を含む、請求項１３に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記望ましくない構成物質が、１種または複数の妨害ガスを含む、請求項１３に記載のガスセンサ。
【請求項１６】
基板と、
周囲温度より高い動作温度に加熱されるとガスに対する感度が向上する材料または材料システムを含んだ、ガスを感知するための感知手段と、
前記感知手段を前記動作温度に加熱するための加熱手段であって、前記感知手段および前記加熱手段の少なくとも一部分が、前記基板から熱絶縁されている加熱手段と、
前記加熱手段および前記感知手段に結合された制御手段とを備え、
前記感知手段が前記動作温度に達するように、前記制御手段が、第１の期間中、前記加熱手段を加熱し、前記感知手段が前記ガスを感知し、次いで前記制御手段が、第２の期間中、前記加熱手段を前記周囲温度またはその付近まで冷却する、サンプル中のガスを感知するためのガスセンサ。
【請求項１７】
前記第２の期間が、前記第１の期間より大幅に長い、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項１８】
前記感知手段の前記材料または材料システムが、固体電解質を含む、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項１９】
前記感知手段および加熱手段の少なくとも一部分が、前記基板の上方に懸架されている、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項２０】
前記制御手段が、バッテリから電力を供給される、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項２１】
前記制御手段が、前記感知手段に結合され、センサ出力信号を供給し、アンテナを介して前記センサ出力信号を無線式に送信する、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項２２】
前記サンプルが前記感知手段に達する前に、前記サンプルから望ましくない構成物質を吸収するための吸収材料をさらに含む、請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項２３】
前記望ましくない構成物質が、水分を含む、請求項２２に記載のガスセンサ。
【請求項２４】
前記望ましくない構成物質が、１種または複数の妨害ガスを含む、請求項２２に記載のガスセンサ。
【請求項２５】
周囲温度より高い動作温度に加熱されるとガスに対する感度が向上する材料または材料システムを含んだ、前記ガスを感知するためのセンサを提供するステップと、
第１の期間中、前記センサを前記動作温度に加熱するステップと、
第２の期間中、前記センサを前記周囲温度またはその付近まで冷却するステップと
前記加熱ステップと冷却ステップを繰り返すステップとを含む、ガスを感知するための方法。
【請求項２６】
前記感知手段が、基板に、ただし基板から間隔をおいて固定されている、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記センサが前記動作温度に加熱されると、前記センサ手段から信号を受信するステップと、
前記センサから受信した前記信号に対応するセンサ出力信号を無線式に送信するステップとをさらに含む、請求項２５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に関し、より詳細には、環境または流体流路からとったサンプル中の、１種または複数のガスを検出するためのガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
室内および屋外の両環境において、空気の質を監視しながら制御することに関心が高まっている。例えば、ＣＯｘ、ＮＯｘおよびＳＯｘなどを含めて、排出されると空気の質が低下する可能性のあるガスが数多くある。このようなガスを検出するために一般に使用されるガスセンサにはいくつかのタイプのものがある。これらのガスセンサの多くは、検出ガスの濃度に関係する電気的出力信号を発生させる材料または材料システムを含んでいる。例えば、固体電解質型センサは一般に、感知すべきガスの濃度が変化するとき起電力（ＥＭＦ）を発生させる。固体電解質型センサは一般に、イオン伝導体である固体電解質層、電子伝導材料および補助電極材料を含む作用電極層、電子伝導材料を含む基準電極層、およびこれらの層を加熱するためのヒータを有する。他の構造を用いてもよい。
【０００３】
動作に際し、固体電解質型センサのヒータは一般に、固体電解質層を動作温度に加熱するために使用される。センサは加熱されると、検出ガスの濃度に応じて、固体電解質層を介して作用電極層と基準電極層との間に起電力を発生させる。検出ガスの濃度が変化すると、平衡に達するまで作用電極層に含まれている補助電極材料と検出ガスの間で解離平衡反応が生じ、固体電解質層内の移動可能なイオンの濃度が、作用電極の近傍で変化する。この濃度変化が起電力の変化として現れるので、検出ガスの濃度を決定することができる。
【０００４】
従来技術の多くのガスセンサがもつ制限は、基板またはその他同様の放熱層すなわち放熱材料に、センサが熱結合されていることである。したがって、センサを加熱するのに必要な電力が大きくなる可能性がある。従来技術の多くのガスセンサがもつもう１つの制限とは、センサが絶えず加熱されることである。これも大幅に電力を消費する可能性がある。上記およびその他の制限があるために、従来技術の多くのガスセンサは、低消費電力が要求される用途に望ましいとは言えない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はガスセンサを対象とし、より詳細には、ガスサンプル中の１種または複数のガスを検出するためのガスセンサを対象とする。このガスセンサは、所望のガスを感知するためのセンサ、およびセンサを加熱するためのヒータを備える。動作中は、周囲温度より高い動作温度にセンサを加熱するために、コントローラがヒータに電力を供給する。センサを加熱することによって、センサの感度が向上することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一部の実施形態では、センサを動作温度に加熱するために、第１の期間中、コントローラがヒータに電力を供給する。動作温度になると、コントローラは、センサを読み取って、ガスサンプル中の検出ガスの測定値を決定する。測定を行った後、電力を節約するために、コントローラは第２の期間中ヒータへの電力を止めて、ヒータ付きセンサを周囲温度またはその付近まで冷却してもよい。第２の期間は第１の期間より長く、場合によっては大幅に長くなることもある。
【０００７】
一部の実施形態では、ヒータ付きセンサは、センサ基板などのセンサの残りの部分の一部または全部から熱絶縁される。これは、ヒータ付きセンサを動作温度に加熱するのに必要な電力を低減するのに役立ち得る。本発明のガスセンサは、バッテリ式および／または無線式の用途に理想的に適し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明はガスセンサを対象とし、より詳細には、ガスサンプル中の１種または複数のガスを検出するためのガスセンサを対象とする。図１は、本発明による例示的なガスセンサの側面断面図である。図２は、図１の例示的なガスセンサの概略上面図である。この例示的なガスセンサは、その全体が１０で示してあり、基板１４上にまたはその上方に形成されたセンサ１２を含んでいる。例示的なセンサ１２は、図１に最もよく示されるように、ヒータ層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を含んでいる。図示した特定の諸層ならびにその相対位置は変更することができ、それでもなお本発明の範囲内に含まれ得ることを理解されたい。重要なのは、ヒータ層１６が固体電解質層２２に熱結合されており、固体電解質層２２から接触部が設けられていることである。
【０００９】
ヒータ層１６は、電流がその中を通ると発熱する抵抗体材料で作ることが好ましい。図２によりよく示されるように、センサ１２に供給できる熱を増やすために、ヒータ層１６をセンサ１２の領域に沿って波打つように形成することもできる。固体電解質層は、適切な固体電解質材料で作ることが好ましい。例えば、検出するガスがＣＯ２の場合、固体電解質はＮＡＳＩＣＯＮ、ＮａＢａＣＯ３、またはその他任意の適切な電解質材料でよい。
【００１０】
制御電子装置２８は、基板１４上またはその内部に設けることができる。制御電子装置２８は、図２に最もよく示されるように、パターン３０ａおよび３２ｂを介してヒータ層１６に結合され、パターン３２ａおよび３２ｂを介して下側電極層２０および上側電極層２４に結合されることが好ましい。制御電子装置２８は動作中、周囲温度より高い動作温度にセンサ１２を加熱するために、ヒータ層１６に電力を供給することが好ましい。センサ１２を、より詳細には固体電解質層２２を加熱することによって、検出ガスに対するセンサの感度が向上することが好ましい。
【００１１】
図４を参照すると、本発明の一実施形態において、制御電子装置２８は、図４に示す第１の期間４０などのような第１の期間中、センサを動作温度に加熱するためにヒータ層１６に電力を供給する。動作温度になると制御電子装置２８は、下側電極層２０および上側電極層２４を介して固体電解質層２２の両端間の電圧を読み取って、ガスサンプル中の検出ガスの測定値を決定する。例えば図４に示す時間４４などに、測定を行うことができる。測定を行った後、電力を節約し、かつ／またはセンサの耐用期間を延ばすために、制御電子装置は第２の期間中、ヒータ層１６への電力を止めて、ヒータ層１６および固体電解質層２２を周囲温度またはその付近まで冷却することができる。第２の期間を図４に４２で示す。センサ１２の結果として得られる温度と時間の関係を図５に示す。制御電子装置２８は、図４および図５に最もよく示されるように、周期的にまたは間欠的に、センサを動作温度に加熱するためにヒータ層１６に電力を供給することができる。
【００１２】
第２の期間４２は、好ましくは第１の期間４０より長く、場合によっては大幅に長い。例えば、第１の期間４０は用途に応じて数時間、数分、数秒程度、またはさらに短いこともあり、第２の期間４２は、数日、数時間または数分程度のこともある。一般に、第１の期間と第２の期間との差が大きいほど、電力の節約になる。さらに、一部のセンサでは高い温度ほど経年変化の影響が速やかに現れるので、第２の期間を長くすることによって、センサの耐用期間を延ばすことができる。
【００１３】
一部の実施形態では、センサ１２は、ガスセンサ１０の残りの部分の一部または全部から熱絶縁することができる。図１に示す実施形態では、センサ１２と基板１４の間に間隙をあけて、センサ１２の下方の基板中にピット５２がエッチングされている。この間隙は、空気間隙、または熱伝導率が小さい材料で満たすことができる。ピット５２の上方にセンサ１２を支持するために、支持脚５０ａ〜ｄを残すこともできる。この構造では、センサ１２は、ヒータ１６および固体電解質層２２を含み、間隙分だけ基板より上方に懸架されているが、この間隙は、ガスセンサ１０の残りの部分からセンサ１２を熱絶縁させるのに役立つ。これは、センサ１２を動作温度に加熱するのに必要な電力および時間を低減するのに役立ち得る。
【００１４】
センサ１２を動作温度に加熱するのに必要な電力が低減されるので、かつ／または、読み取りが所望される場合だけセンサ１２が加熱されるので、ガスセンサ１０はバッテリ式および／または無線式の用途に理想的に適し得る。例えば、制御電子装置２８は、バッテリ５６からそれに電力を供給することができ、かつ／または、アンテナ５８を介してガスセンサ１０から出力信号を無線式に送信することができる。
【００１５】
図３は、本発明による他の例示的なガスセンサの側面断面図である。この例示的なガスセンサは、その全体が８０で示してあり、基板８２、支持構造体８４、センサ８６および制御電子装置８８を含んでいる。この実施形態は、上記に図１および図２に関して図示し説明したものと類似している。ただし、図１に示すように基板にエッチングしたピット５２の上方にセンサを懸架させるのではなく、基板８２の上方にセンサ８６を懸架させる支持構造体が、基板上に設けられている。熱絶縁の形成を助けるために、支持構造体８４の下に間隙９０などを設けることもできる。その代わりに、またはそれに加えて、支持構造体８４を、熱伝導率が小さい材料から形成することもできる。どの手法を使用しても、センサ１０およびセンサ８６は、基板から熱絶縁される。
【００１６】
図６は、本発明による例示的なガスセンサアセンブリの側面概略図である。このガスセンサアセンブリは、その全体が１００で示してあり、ハウジング１０２、ガスセンサ１０４、および吸収体１０６を含んでいる。このガスセンサは、上記に図１〜図５に関して示し説明したものと類似している。
【００１７】
環境からとったガスサンプル１１０が、吸収体１０６を通ってガスセンサ１０４に供給される。この吸収体は、サンプル１１０がガスセンサ１０４に達する前に、サンプル１１０から望ましくない構成物質またはガスを吸収する吸収材料を含んでいることが好ましい。例えば、この吸収体は、望ましくない水分または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、望ましくない水分は、ガスセンサ１０４の固体電解質層の効力を低下させる恐れがある。同様に、妨害ガスは、ガスセンサ１０４による測定の信頼性すなわち精度をときには低下させる恐れがある。
【００１８】
ガスセンサアセンブリ１００はさらに、いくつかのリード線１０８を含むことができる。リード線１０８は、望むなら、ガスセンサアセンブリ１００と外部基板などの間の機械的および／または電気的接続を行うことができる。
【００１９】
本明細書でカバーされる本発明の多くの利点を、前述の説明において述べた。しかし、この開示は、多くの点で例示的にすぎないことが理解されよう。本発明の範囲を逸脱しない範囲で、特に部品の形状、寸法、配置の点で細部に変更を加えることができる。本発明の範囲は当然ながら、添付の特許請求の範囲が表現されている言葉によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による例示的なガスセンサの側面断面図である。
【図２】図１の例示的なガスセンサの概略上面図である。
【図３】本発明による他の例示的なガスセンサの側面断面図である。
【図４】本発明の例示的一実施形態におけるヒータ電流と時間の関係を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の例示的一実施形態におけるセンサ温度と時間の関係を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明による例示的なガスセンサアセンブリの側面概略図である。
【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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【国際調査報告】
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