JP2019529923A - 気体検知モジュール用疎水性かつ疎油性カバー - Google Patents
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Abstract
【課題】防水性と、センサーによって検出すべき気体に対する透気性とを備えるセンサーを提供する。【解決手段】本発明は防水センサモジュール（５）を開示する。本発明の、防水性、特に完全防水性であるが同時にセンサーによって検出されるべき対象気体に対して透過性であるパッケージ（９）を備えたセンサーを提供する目的は、透気性で防水性、特に完全防水性である疎水性かつ疎油性のカバー（４）を備えるセンサー（２）によって解決される。
Description
本発明は、透気性で完全防水性の疎水性かつ疎油性であるカバーを備える、センサモジュールに関する。
センサモジュールのセンサは、金属酸化物（ＭＯＸ）ガス検知素子及び特定用途向け信号コンディショニング集積回路（ＡＳＩＣ）を備える気体及び室内空気品質センサであるものがある。検知素子は、ＭＥＭＳ技術によるダイ上に支持された加熱素子及びＭＯＸ抵抗型センサを備える。センサは、ガス濃度の関数であるＭＯＸ導電率を測定する。ＡＳＩＣにはさまざまな測定オプションを提供する機能がある。例えば、ヒータ温度は、気体測定の精度を向上させるためにループシーケンサ工程を介して変更されてもよい。ＭＯＸセンサの温度は、エタノール、トルエン、ホルムアルデヒド、アセトン、呼気アルコールなどの揮発性有機成分（ＶＯＣ）のさまざまなガスの感度を最適化するように選択可能である。シーケンサステップからの出力は、Ｉ２Ｃ（商標）を介してユーザのマイクロプロセッサに送られ、マイクロプロセッサは結果を処理し気体濃度を決定する（図１）。
センサモジュールの特殊な特徴は以下の通りである。
・プログラム可能な測定シーケンス、シングルショット、及びシーケンス終了割り込み出力による自動測定サイクル。
・μＷの範囲での極めて低い消費電流。
・一定のヒータ電圧又は一定のヒータ抵抗のためのヒータドライバーと調整ループ。
・ヒータ、抵抗、及び温度測定用の多重化入力チャンネル。
・内部自動補正温度センサ、応力非感応性。
・最大４００ｋＨｚまでのＩ２Ｃ（商標）インターフェース。
・ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）の分解能は、最適速度対分解能のために調整可能。最大１６ビット。
・静的及び適応性のあるレベルで設定可能なアラーム／割り込み出力。
・自動設定及び測定開始により、完全に自律的な運用が可能。
・ユーザデータ用の内蔵不揮発性メモリ（ＮＶＭ）。
・外部のトリミング部品が不要。これは、一時同期させるために、センサの全ての部品を内部でトリミングし、最終テスト中の較正を意味する。
・外部リセット端子（ローアクティブ）。
・エタノール、ホルムアルデヒド、アセトン、トルエンなどのガスに対して優れた感度を備えて、ＶＯＣを検出。
・低電圧、低電力バッテリーの用途に優れる。
・モバイル及びコンシューマ用途用のカスタマイズ。
・プログラム可能な測定シーケンス、シングルショット、及びシーケンス終了割り込み出力による自動測定サイクル。
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・一定のヒータ電圧又は一定のヒータ抵抗のためのヒータドライバーと調整ループ。
・ヒータ、抵抗、及び温度測定用の多重化入力チャンネル。
・内部自動補正温度センサ、応力非感応性。
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・外部リセット端子（ローアクティブ）。
・エタノール、ホルムアルデヒド、アセトン、トルエンなどのガスに対して優れた感度を備えて、ＶＯＣを検出。
・低電圧、低電力バッテリーの用途に優れる。
・モバイル及びコンシューマ用途用のカスタマイズ。
いくつかの用途では、非常に高湿度環境の大気質のように、様々な気体を検出しながら電子部品を水から保護する防水システムソリューション（ＩＰ６８−ＩＰ保護等級６８、防塵及び浸水に対する耐性）を、要する。製品は通常システムレベルで防水されているが、顧客は、気体の侵入が許容されつつも防水であるセンサ又はンサモジュールをしばしば求めることがある。
これまでは、防水性、特に完全防水性を備え、同時にセンサで検知すべき対象気体の透過性（透気性）を備えるセンサ又はセンサモジュールの提供は困難であった。
したがって、本発明の目的は、防水性、特に完全防水性であるが同時にセンサによって検出されるべき対象の気体に対しては透過性であるパッケージを備える、センサ又はセンサモジュールを提供することである。
この目的は、透気性で防水性、特に完全防水性である疎水性及び疎油性のカバーを備える、センサモジュールによって解決されるであろう。
特別な実施形態において、カバーは膜である。この膜は防水性であるが、有機鎖を持つ分子は透過可能であるため、揮発性有機成分及び有機長鎖を持つ分子に対して透過性である。
膜は、ハウジング及び例えばカバーとしての金属表面を備える、センサパッケージに接続されても、又は積み重ねられてもよい。また、膜自体を、センサ用のカバーとして使用してもよく、例えば、膜自体がセンサハウジングの一部を形成するものであり、別の金属製のセンサカバーはもはや不要な形態があり得る。膜が数μｍの厚さを有し、膜なしで１．０から１．２５である流れ抵抗を有し、そして膜が高い拡散（性）を有するならば、有利である。高い拡散とは、拡散が濃度勾配を回避するのに十分に高いことを意味する。数μｍの厚さは０．２μｍから０．５μｍを意味する。これは測定されるべき気体に対して感度を持つのに必要である。
一実施形態では、カバーは、疎水性かつ疎油性のコーティングを備える。そのため、疎水性かつ疎油性の層の上にコーティングを付与してもよい。これは、水やその他の腐食性液体に対して信頼性の高い保護を提供するが、同時にこの層は対象気体に対して透過性であることを意味する。
カバーがセンサの表面をしっかりと閉じ（密封し）、センサを周囲環境から保護することが重要である。例えば気体のような、全ての物質がカバーを通過可能であるが、センサを取り囲むその他の何かからは影響を受けない。そのような膜が、センサ又はセンサモジュール上に配置されてもよい。
したがって、カバーは、接着剤又はクランプ（挟み込むこと、締め具）によって、センサの非活性部分又はセンサ周囲に接着される。センサの活性部分とは、ガス測定又は電子制御用のＡＳＩＣに使用されるセンサの部分である。センサの膜表面が大きいほど、センサ信号はより高くなる。接着剤は化学的に不活性な接着剤であってもよい。防水センサは長期的安定性を要するため、くっつけるもの又は接着剤は化学的に不活性でガス放出しないことが重要である。センサは空気中の成分を検出するため、接着剤の溶剤に反応してはならない（図２）。
異なる接着剤（アクリルとシリコーン）と、異なるバッキング材とを用い、２種類の異なる防水性膜の適性を決定するためにいくつかの試験が行われた。この調査の焦点は、（１）特殊気体に対する透気性試験、及び（２）これら気体に対する材料の科学的安定性、である。
全ての試験はそれぞれ２つの膜を用いて２回行われた。アセトン、エタノール及びトルエンの試験気体と、アセトン、エタノール及びトルエンの液体を、膜表面に適用した。
透気性試験の手順
この試験の目的は、膜が上記気体を通過させる全体的な性能を見ることであった。したがって、最大膜面を使用し、気体センサのより小さなピンホールサイズに制限されることがないよう、バイパスが介入された。これはより速い拡散をもたらす。
この試験の目的は、膜が上記気体を通過させる全体的な性能を見ることであった。したがって、最大膜面を使用し、気体センサのより小さなピンホールサイズに制限されることがないよう、バイパスが介入された。これはより速い拡散をもたらす。
試験気体（アセトン、エタノール及びトルエン）をシリンダー中に高純度で供給し、クリーンドライエアー（ＣＤＡ）を用いてマスフロー制御による較正を介して希釈した。凝縮と吸着を避けるために、パイプは約６０℃に加熱された。気流中の膜の有無において、２つの三方弁は速い切換えの可能性を提供し、気体へのセンサの反応を試験する。加えて、圧力計を設置して気流中の圧力損失を測定した（図３）。
試験手順
周囲温度：２５℃
センサ動作温度：２００℃から４５０℃
流量：０．２５リットル（ｌ）／分
相対湿度：２０％
各気体工程の試験時間：１０分
気体工程：
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍアセトン
〇２０ｐｐｍアセトン
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍエタノール
〇２０ｐｐｍエタノール
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍトルエン
〇２０ｐｐｍトルエン
〇クリーンドライエアー
周囲温度：２５℃
センサ動作温度：２００℃から４５０℃
流量：０．２５リットル（ｌ）／分
相対湿度：２０％
各気体工程の試験時間：１０分
気体工程：
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍアセトン
〇２０ｐｐｍアセトン
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍエタノール
〇２０ｐｐｍエタノール
〇クリーンドライエアー
〇５ｐｐｍトルエン
〇２０ｐｐｍトルエン
〇クリーンドライエアー
この気体工程が実行された後、（複数）弁はバイパス位置に切り替えられた。全く同一シーケンスが再び開始されたが、この場合は気流内で最大表面を有する膜を有した（状態とした）。
分析のために、勾配及び切片の値、ならびに異なる気体濃度を適用するためのシグナル変化（比ＲＡｉｒ／ＲＧａｓ）を計算した。ここで、ＲＡｉｒは空気中のＭＯＸ抵抗を示し、ＲＧａｓは気体中のＭＯＸ抵抗を示す。
気体透過試験の結果
試験した気体は全て膜を通過し、膜を通るＶＯＣ拡散の制限は観察されなかった。
試験した気体は全て膜を通過し、膜を通るＶＯＣ拡散の制限は観察されなかった。
さらに分析すると、感度（信号比）の傾きと切片は、センサ動作の精度の限界内で通常の動作を示すことが証明された（図４）。
全ての気体試験が終了した後に、圧力差が別々に検出された。より厚い膜はより高い圧力損失をもたらすことが見出された。したがって、気体交換はより困難である。使用した全ての膜は、低いが一定の圧力損失を示す。したがって、膜表面への大きな吸着又は閉塞は起こらなかった。
化学的安定性の手順
非常に高濃度の条件をシミュレートするため、アセトン、エタノール、トルエンの液滴（対象気体と同等）が膜の上に配置された。５分後、膜を、顕微鏡により目視検査した。検査は数時間後にまた繰り返された。
非常に高濃度の条件をシミュレートするため、アセトン、エタノール、トルエンの液滴（対象気体と同等）が膜の上に配置された。５分後、膜を、顕微鏡により目視検査した。検査は数時間後にまた繰り返された。
化学的安定性の結果
アセトンへの暴露中に強い層間剥離が、シリコーン製の接着剤層で観察された。アクリル接着剤を使用した膜においては（層間剥離は）観察されなかった。（アクリル接着剤使用の）膜は問題ないままであった。
アセトンへの暴露中に強い層間剥離が、シリコーン製の接着剤層で観察された。アクリル接着剤を使用した膜においては（層間剥離は）観察されなかった。（アクリル接着剤使用の）膜は問題ないままであった。
結論
異なる接着剤（アクリルとシリコーン）とバッキング材を使用した、２つの膜に対するＶＯＣ透過の適合性を決定するためにいくつかの試験が実施された。例示的なＶＯＣのアセトン、エタノール及びトルエンについて、透気性、圧力損失及び化学的安定性が調べられ分析された。
異なる接着剤（アクリルとシリコーン）とバッキング材を使用した、２つの膜に対するＶＯＣ透過の適合性を決定するためにいくつかの試験が実施された。例示的なＶＯＣのアセトン、エタノール及びトルエンについて、透気性、圧力損失及び化学的安定性が調べられ分析された。
両方の膜は、全ての対象気体に対して透過性を示す。膜の有無によるセンサ信号のわずかな変動は、センサの性能によるものであり、センサの精度の範囲内である。気体に暴露した後、膜上に視覚的な変化は観察されない。
化学的安定性に関しては、変化は観察されていない。試験室内に試験膜及び追加の参照膜を有する７時間にわたる高濃度試験気体への曝露でも、不安定性について何の指標も示さなかった。しかし、液体（非常に高濃度のシミュレーション）にさらされると、シリコーン接着剤が層間剥離を示すことがみられた。
より厚い裏打ち材料を有する膜の圧力損失はより高い。より高い圧力損失は、より高い流動抵抗を与える。高い流動抵抗は拡散に影響を及ぼし、気体変化が速いとセンサ信号の変化が遅くなるため、このより厚い膜をセンサの上にある小さなピンホールの上に置くことを困難にする。
本発明を、例示的な複数の実施形態を用いて以下により詳細に説明する。
添付の図面は以下を示す。
図１は、金属酸化物（ＭＯＸ）ガス検知素子と特定用途向け信号調整集積回路（ＡＳＩＣ）とを備える気体センサモジュールの概略図を示す。センサはＭＯＸ導電性を測定する。ＭＯＸ導電性は、気体濃度の関数である。ＡＳＩＣにはさまざまな測定オプションを提供する機能がある。例えば、ヒータ温度は、ガス測定値の精度又は電力消費を改善するためにループシーケンサ工程を介して変更されてもよい。
図２には、防水センサの潜在的な、統合的解決策を示す。図２ａ（図２Ａ）は防水システムの解決策を示し、気体センサ及びさらなる電子機器はセンサハウジング内に一体化されてあって、センサシステムと周囲との間の接続はピンホールを介して実現されている。ピンホールは、検出可能なガスを透過する本発明の防水カバーによって覆われている。
図２ｂ（図２Ｂ）はセンサ自体の保護を示す。センサは防水性透気性カバーで覆われている。
図３に透気性試験の設定を示す。この試験の目的は、アセトン、エタノール及びトルエンのような上記のガスを通過させるための膜の全体的な能力を見ることであった。したがって、最大膜面を使用し、気体センサのより小さなピンホールサイズによって制限されないようにするためにバイパスが介入される。これはより速い拡散をもたらす。
試験気体（アセトン、エタノール及びトルエン）をシリンダー中に高純度で供給し、そしてクリーンドライエアーで較正されたマスフローコントローラーを介して希釈した。パイプは約６０℃に加熱される。結露や吸着を避けるために２つの三方弁は速い切換えの可能性を与え、気体流中の膜の有無による、気体へのセンサの反応を試験する。加えて、気体流中の圧力損失を測定するために圧力計を取り付けた。
図４は、アセトン、エタノール、トルエンの気体に対する膜の有無によるセンサの感度を示す。
全てのＶＯＣ気体が膜を通過する理想的な膜は、感度差を示さず、それに応じて図中に直線を示すようである。しかしながら、測定誤差のために、膜の有無によって、記録のわずかな差異が見られ得る。これは、センサ動作の精度の限界内での通常の動作である。
１ マスフローコントローラー
２ 気体センサ
３ 圧力計
４ フィルター膜
５ センサモジュール
６ 三方弁
７ 特定用途向け信号調節集積回路
８ その他の電子機器
９ センサシステムハウジング
２ 気体センサ
３ 圧力計
４ フィルター膜
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７ 特定用途向け信号調節集積回路
８ その他の電子機器
９ センサシステムハウジング
Claims (10)
- 透気性がありかつ防水性がある疎水性かつ疎油性のカバーを備える、センサモジュール。
- カバーが膜である、請求項１に記載のセンサモジュール。
- 膜が、揮発性有機成分及び有機長鎖を有する分子に対して透過性である、請求項２に記載のセンサモジュール。
- 膜が、センサパッケージ又は統合センサシステムに接続されている、請求項２に記載のセンサモジュール。
- 膜が、数μｍの厚さと、膜のない場合に１．０から１．２５の流れ抵抗とを有し、膜が高い拡散性を有する、請求項２に記載のセンサモジュール。
- カバーが、疎水性かつ疎油性のコーティングを備える、請求項１に記載のセンサモジュール。
- カバーは、センサの表面をしっかりと閉じ、センサを周囲の環境から遮蔽する、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
- カバーは、接着剤又は締め付けによってセンサの不活性部分又はセンサ周囲に接着される、請求項７に記載のセンサモジュール。
- 接着剤が化学的に不活性でありかつ気体放出しない接着剤である、請求項７に記載のセンサモジュール。
- 水への不透過性が、膜及びカバーによって常に保証されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
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