(57)【要約】一酸化炭素センサおよび方法が、図示され、記述される。センサは、担持材料上に分散されている吸着剤を含む感知エレメントを含む。吸着剤は、一酸化炭素を発熱的に吸着することが可能である。また、センサは、感知エレメントに接触する温度センサと、温度センサに結合する信号処理モジュールと、をも含む。温度センサは、感知エレメントの温度上昇を示す信号を処理モジュールに伝達し、それにより、一酸化炭素の吸着を、したがって、一酸化炭素の存在を示す。
2004532971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサは、
感知エレメントと、
温度センサと、
前記温度センサと連絡する信号処理モジュールと、
を備え、
前記感知エレメントが、担持材料上に分散された吸着剤であって、一酸化炭素を発熱的に吸着させることが可能な吸着剤を備え、
前記温度センサが、感知エレメントの温度を示す信号を前記処理モジュールに送る、一酸化炭素センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサはさらに、
少なくとも感知エレメント上に吸着されている一酸化炭素の脱着温度まで、前記感知エレメントを加熱する加熱エレメントであって、吸着剤によって吸着されている一酸化炭素の脱着と、吸着剤の再生とをもたらす、加熱エレメントを、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサはさらに、
前記感知エレメント、前記温度センサ及び前記加熱エレメントの前に、配置される通気膜支持基板を、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサはさらに、
前記感知エレメント、前記温度センサ及び前記加熱エレメントの背後に、配置される保護膜を、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の一酸化炭素センサであって、
前記吸着剤が、一価のＡｇ+、一価のＣｕ+、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、一酸化炭素センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の一酸化炭素センサであって、
前記担持材料が、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、炭素質材料、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、一酸化炭素センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の一酸化炭素センサであって、
前記温度センサが、第１の温度センサであり、
該一酸化炭素センサはさらに、
一酸化炭素を吸着しない非吸着性材料を備える基準エレメントと、
前記処理モジュールに結合されており、基準エレメントの温度を示す信号を是前記処理モジュールに送る第２の温度センサと、
を備える一酸化炭素センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の一酸化炭素センサであって、
前記加熱エレメントが、第１の加熱エレメントであり、
該一酸化炭素センサはさらに、
前記基準エレメントを加熱する第２の加熱エレメントを、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の一酸化炭素センサであって、前記第１の加熱エレメントおよび前記第２の加熱エレメントが、互いに連絡している、一酸化炭素センサ。
【請求項１０】
ガス中の一酸化炭素の存在を検出する方法であって、該方法は、
担持材料の層上に分散されている吸着剤を備える感知エレメントを、一酸化炭素を含むガスに曝露するステップであって、吸着剤が、一酸化炭素を発熱的に吸着することが可能である、ステップと、
ガス中の少なくとも一部の一酸化炭素を吸着剤上に吸着させ、その結果、感知エレメントの温度上昇をもたらすステップと、
感知エレメントの温度上昇を用い、それにより、ガス中の一酸化炭素の存在を示すステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、該方法はさらに、
少なくとも吸着剤により吸着されている一酸化炭素の脱着温度まで感知エレメントを加熱し、それにより、吸着剤によって吸着されている一酸化炭素の脱着っと吸着剤の再生とをもたらすステップを、
含む方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法であって、前記感知エレメントがさらに、温度センサと、前記温度センサと連絡している信号処理モジュールと、を備える、方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の方法であって、前記吸着剤が、一価のＡｇ+、一価のＣｕ+、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記担持材料が、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、炭素質材料、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の方法であって、該方法はさらに、
非一酸化炭素吸着性材料を備える基準エレメントを、前記ガスに曝露させるステップと、
感知エレメントの温度と基準エレメントの温度とを感知するステップと、
感知エレメントの温度から基準エレメントの温度を減じて、感知エレメントの正味の温度上昇を得るステップと、
を含む、方法。
【請求項１６】
一酸化炭素センサであって、
担持材料上に分散されている吸着剤を備える感知エレメントであって、吸着剤が、一酸化炭素を発熱的に吸着することが可能である、感知エレメントと、
感知エレメントの温度を感知する第１の温度センサと、
一酸化炭素を吸着しない非吸着性材料を備える基準エレメントと、
基準エレメントの温度を感知する第２の温度センサと、
第１の温度センサと第２の温度センサと連絡している信号処理モジュールと、
吸着剤により吸着されている一酸化炭素の、少なくとも脱着温度まで、感知エレメントを加熱する加熱エレメントであって、吸着剤によって吸着されている一酸化炭素の脱着と吸着剤の再生とをもたらす加熱エレメントと、
を備え、
前記第１の温度センサが、感知エレメントの温度を示す信号を処理モジュールに送り、また、前記第２の温度センサが、基準エレメントの温度を示す信号を処理モジュールに送る、一酸化炭素センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の一酸化炭素センサであって、前記吸着剤が、一価のＡｇ+、一価のＣｕ+、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、一酸化炭素センサ。
【請求項１８】
請求項１６に記載の一酸化炭素センサであって、前記担持材料が、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、炭素質材料、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、一酸化炭素センサ。
【請求項１９】
請求項１６に記載の一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサはさらに、
前記感知エレメント、前記基準エレメント、前記第１の温度センサ、前記第２の温度センサ及び前記加熱エレメントの前に、配置される通気膜支持基板を、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項２０】
請求項１６に記載の一酸化炭素センサであって、該一酸化炭素センサはさらに、
前記感知エレメント、前記基準エレメント、前記第１の温度センサ、前記第２の温度センサ及び前記加熱エレメントの背後に、配置される保護膜を、
備える一酸化炭素センサ。
【請求項２１】
請求項１６に記載の一酸化炭素センサであって、前記加熱エレメントが、前記基準エレメントも加熱する、一酸化炭素センサ。
【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連し、より具体的には、一酸化炭素センサに関連する。
【背景技術】
【０００２】
一酸化炭素センサは、広く様々な用途に使用され、その用途は、エネルギー源として化石燃料を用いる加熱設備の監視と、内燃機関からの排気ヒューム（排気ガス）の監視とを含む。２つの他の用途は、自動清浄オーブンと燃料電池とを含む。
【０００３】
詳細には、自動清浄オーブンは、一定の時間の高電力容量での高温燃焼によって炭素質残留物を除去する清浄化サイクルを含む。高温燃焼は、比較的大量のエネルギーを消費するので、燃焼プロセスが完結すると直ぐに自動的にオーブンの電源を切る、効率的な自動清浄サイクルへの必要性が存在する。これを達成する１つの方法は、加熱サイクルの間、一酸化炭素の発生を監視することであろう。詳細には、典型的な汚れたオーブンは、４２７℃（８００°Ｆ）を超える温度で清浄にする場合、温度約２８８℃（５５０°Ｆ）で一酸化炭素を放出し始めるであろう。放出される一酸化炭素量は、およそ４２７℃（８００°Ｆ）で、約１５００ｐｐｍのピークに達するであろう。このピーク値に到達した後、サイクルの終わりにおいて、一酸化炭素濃度は、およそ２００ｐｐｍに低下する。典型的なオーブンについて、適切な電源切断点は、一酸化炭素濃度約２００ｐｐｍで存在するであろう。
【０００４】
したがって、自動清浄オーブンのサイクルおよび他の一酸化炭素を放出する装置を監視する一酸化炭素センサであって、丈夫な、高感度の一酸化炭素センサへの必要性が存在する。さらに、このセンサは、５０ｐｐｍ未満の比較的低濃度の一酸化炭素濃度を検出するのに十分な感度を有しなければならない。
【０００５】
現在入手可能な一酸化炭素センサは、赤外吸着センサと、薄膜金属酸化物技術（例えば、酸化スズセンサなど）と、を含む。赤外吸着センサは、センサが高コスト、かつ低感度であるため、家庭用オーブン市場に、不適切である。また、金属薄膜酸化物センサも、湿気のある環境においてセンサが一般に良好に作動しないので、自動清浄オーブンサイクルの監視における使用に、不適切である。さらに、金属酸化物センサは、再生するのに長時間を要する。
【０００６】
したがって、自動清浄オーブンおよび他の一酸化炭素を放出する装置において使用する一酸化炭素センサであって、低コストの、応答の速い、かつ高感度の一酸化炭素センサへの必要性が存在する。
【０００７】
上述のように、一酸化炭素センサについての他の用途は、燃料電池に関連している。燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する公知の装置である。各燃料電池は、電解質の両端に配置される１組の電極を備える。一方の電極表面は、水素または水素含有ガス燃料に曝露され、他方の電極表面は、酸素を含む酸化ガスに曝露される。電気化学反応によって、電極において電気エネルギーが生成される。典型的には、吸着剤は、水素または水素含有ガス燃料に曝露されるアノードの表面上で使用される。燃料電池に関連する１つの知られている問題は、一酸化炭素の吸着による、この吸着剤の汚染である。
【０００８】
したがって、ここでも、燃料電池のアノードに供給される水素または水素含有ガス燃料に関して一酸化炭素レベルを監視する一酸化炭素センサであって、丈夫な、高感度の一酸化炭素センサへの必要性が存在する。やはり、既存の赤外センサは、高コスト、かつ低感度であるため、望ましくないものであり、また、金属薄膜酸化物センサは、再生時間が遅いため、不利である。したがって、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガス燃料中の一酸化炭素濃度を監視する一酸化炭素センサであって、丈夫な、高感度、かつ経済的な一酸化炭素センサへの必要性が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
下記の発明の概要は、本発明に独特な、いくつかの革新的特徴の理解を深めるため提供するものであり、全面的な記述であることを意図するものではない。本発明の種々の態様の全面的な評価は、全部の明細書、特許請求の範囲、図面、および要約書を、全体として把握することにより得ることができる。
【００１０】
本発明の一実施形態は、感知エレメントと感知エレメントの温度を測定する温度センサと温度センサに結合した信号処理モジュールとを含む一酸化炭素センサを提供することにより、先に注目した必要性を満たしている。感知エレメントは、担持材料上に分散されている吸着剤を含む。吸着剤は、一酸化炭素を発熱的に吸着することが可能である。
【００１１】
他の実施形態において、また、センサは、加熱エレメントも含む。詳細には、加熱エレメントは、少なくとも吸着されている一酸化炭素の脱着温度まで、感知エレメントを加熱し、その結果、吸着されている一酸化炭素の脱着と、吸着剤の再生とをもたらす。好ましい吸着剤は、一価の銀（Ａｇ+）、一価の銅（Ｃｕ+）、およびそれらの混合物である。担持材料は、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、炭素質材料、またはそれらの混合物とすることができる。センサは、感知エレメントの前部側に、または、感知エレメント、温度センサ、および加熱エレメントの上流に、配置される通気膜支持基板を含むことができる。センサは、感知エレメント、温度センサ、および加熱エレメントの背後に配置される保護膜を含むことができる。
【００１２】
さらに他の実施形態において、基準エレメントは、一酸化炭素を吸着しない非吸着性材料を含む。第２の温度センサは、基準エレメントに接触している。この第２の温度センサは、処理モジュールに結合されており、処理モジュールに基準エレメントの温度を示す信号を送る。また、加熱エレメントは、基準エレメントのために提供されることができ、または、単一の加熱エレメントは、感知エレメントおよび基準エレメントの両方のために採用されることができる。
【００１３】
また、本発明は、ガス中の一酸化炭素の存在を検出する方法も提供する。この方法は、一酸化炭素を含む可能性のある又は可能性のないガスに、感知エレメントを曝露するステップを含む。感知エレメントは、担持材料の層上に分散されている吸着剤を含む。吸着剤は、一酸化炭素を発熱的に吸着することが可能である。また、この方法は、ガス中の少なくとも一部の一酸化炭素を吸着剤上に吸着させるステップを含み、それによって、発熱性吸着による感知エレメントの温度上昇をもたらす。感知エレメントの温度上昇は、試験されるガス中における一酸化炭素の存在の印として、用いることができる。
【００１４】
本発明の新規な特徴は、下記の発明の詳細な説明を考察することにより、当分野の技術者に明らかになるであろうし、または、本発明の実施によって知ることができる。しかし、発明の詳細な説明および提示する特定の例は、本発明のある実施形態を示しているが、例示の目的のみにより提供されるものであることを理解されたい。なぜならば、発明の詳細な説明、およびそれに続く特許請求の範囲から、本発明の範囲内における種々の変更および改変が、当分野の技術者に明らかになるからである。
【００１５】
添付図面は、本発明を例示し、また、発明の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。図面において、別々の図にわたる同じ参照数字は、同一の構成要素又は機能的に同様な構成要素を示し、また、図面は、明細書に組み入れ、明細書の一部を構成する。
【００１６】
本発明の上記の、および他の特徴および利点は、添付図面とともに読まれるべき下記の例示的実施形態の詳細な記述から、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明に従って作製した一酸化炭素センサ１０であって、処理モジュール１２に結合された一酸化炭素センサ１０の一実施形態を概略的に例示している。一酸化炭素センサ１０は、保護膜カバー１４と、矢印１８により一般的に示される空気流に面する通気膜１６と、を備える。一酸化炭素吸着層２０は、保護膜１４と温度プローブもしくはセンサ２２との間に配置される。
【００１８】
一酸化炭素吸着層２０は、担持材料上に分散されている吸着剤を含む。好ましい吸着剤は、低コストであるため、一価の銅化合物である。しかし、銀化合物、および一価の銅化合物と一価の銀化合物との混合物も、本発明の一酸化炭素センサにおける有用な吸着剤として、使用することができる。適当な担持材料は、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、炭素質材料などの高表面積材料を含む。担持されているＣｕ+および／またはＡｇ+は、酸素、二酸化炭素、メタン、窒素、および他の化学種の存在下で、一酸化炭素について選択的である。
【００１９】
例えば、３０℃において、「０．５５４ｇＣｕＣｌ／ｇＮａＹ」のローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）におけるＮａＹ担持ＣｕＣｌは、約１００ｐｐｍの濃度において、吸着剤１グラム当り１ミリモルの一酸化炭素を吸着するであろう。吸着熱は、「−４８．８ｋＪ／モルＣＯ」であると測定されている。一酸化炭素に関して、二酸化炭素、酸素、メタン、および窒素に優る、良好な選択性が観察される。２００×１００マイクロメートルのセンサ領域と、５マイクロメートルの吸着厚さとを仮定すると、高度に分散されたＣｕ+は、一酸化炭素を吸着でき、５秒の吸着時間を仮定すると、０．１℃の温度上昇をもたらす。この温度上昇は、一酸化炭素を感知するために用いることができる。
【００２０】
吸着剤を再生するため、または、より高い温度で一酸化炭素センサ１０を作動させるために、加熱エレメント２４を提供する。図１に示すように、温度センサ２２および加熱エレメント２４は、処理モジュール１２に結合される。好ましくは、温度センサ２２および加熱エレメント２４は、小寸法、低コスト、および高信頼性のため、マイクロブリッジ構造の形で、提供される。マイクロブリッジ構造の詳細は、当分野の技術者にはよく知られているので、ここでは繰り返さない（例えば、米国特許第４，４７８，０７７号、４，５０１，１４４号、４，６２４，１３７号、４，６５１，５６４号、４，６８３，１５９号、および４，６９６，１８８号を参照されたい）。
【００２１】
一酸化炭素センサ１０の正確さを向上させるために、基準エレメント２６を提供することができる。基準エレメント２６は、非一酸化炭素吸着材料を含む。第２の温度センサ２８又は基準温度センサ２８は、基準エレメント２６の温度を検出する。図に示すように、基準温度センサ２８も、処理モジュール１２と連絡している。したがって、どんな周囲温度の上昇も、基準温度センサ２８により検出することができ、周囲温度の上昇を、温度センサ２２が感知する感知エレメント２０の温度上昇から、差し引くことができる。別個の加熱エレメント３０を、基準エレメント２６のために提供することもでき、または、単一のエレメントを、感知エレメント２０と基準エレメント２６とを加熱する目的で、提供することができる。
【００２２】
他の実施例として、ゼオライト上に分散されたＣｕＣｌ、および２００×１００マイクロメートル×５マイクロメートルの吸着剤寸法を使用して、選択容量１０パーセント（ｇ／ｇ）を仮定すると、０．０００４３マイクロモルの一酸化炭素を吸着することができる。吸着熱６２．８ｋＪ／モル（１５ｋｃａｌ／モル）を仮定すると、放出されるであろう全体の熱は、２７マイクロジュールである。吸着が完結する線形取り込み（ｌｉｎｅａｒ  ｕｐｔａｋｅ）を２０秒と仮定すると、熱消費率は、１．３５マイクロワットとなるであろう。これは、０．０２７℃の推定温度上昇に相当する。
【００２３】
本発明を実施するのに使用される電子回路は、当分野の技術者に知られている。好ましくは、温度センサ２２と、加熱エレメント２４、３０とは、マイクロブリッジ構造で、提供される。本発明の一酸化炭素センサ１０は、知られているマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して、製造することができる。
【００２４】
本明細書に示す実施形態および例は、本発明およびその実用的用途を最も良く説明するために提供され、それにより、当分野の技術者が、本発明を実施、活用できるようになる。しかし、当分野の技術者は、前述の記述および例が、例示および例の目的だけで提供されていることを認めるであろう。本発明の、他の変形形態および改変は、当分野の技術者には明らかであろうし、このような変形形態および改変は、添付する特許請求の範囲の意図する所である。言及している記述は、網羅的であること、または、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。特許請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなく、上記の教示に照らして、多くの改変および変形形態が可能である。本発明の使用において、異なった特性を有する構成要素を包含することができると考えられる。全ての点で等価的なものに対する全面的な認識を加えて、本発明の範囲を、添付する特許請求の範囲によって定めるものとしたい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態の、例示的な一酸化炭素センサを示す概略横断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004532971.tif 000003
2004532971.tif 000004
2004532971.tif 000005
2004532971.tif 000006
2004532971.tif 000007
2004532971.tif 000008
2004532971.tif 000009
2004532971.tif 000010
2004532971.tif 000011
2004532971.tif 000012
2004532971.tif 000013
2004532971.tif 000014
2004532971.tif 000015
2004532971.tif 000016
2004532971.tif 000017
2004532971.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532971.tif 000019
【国際調査報告】
2004532971.tif 000020
2004532971.tif 000021
2004532971.tif 000022