JP2020529609A - 可燃性ガス・センサ、検知装置、および可燃性ガスを検知する方法 - Google Patents
可燃性ガス・センサ、検知装置、および可燃性ガスを検知する方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】熱電対設計を使用した低電力可燃性ガス・センサを提供する。【解決手段】少なくとも１つの第１の電極と、第１の電極とは異種の材料で形成された少なくとも１つの第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とを含み、第１の電極と前記第２の電極との間の活性反応接点が熱電対を形成する可燃性ガス・センサが開示される。例えば複数のセンサを含む検知装置と、それらのセンサを使用して可燃性ガスを検知する方法も提供される。【選択図】図１
Description
本発明は、ガス検知技術に関し、より詳細には、熱電対設計を使用した低電力可燃性ガス・センサに関する。
可燃性ガス検知は、家庭の安全から採掘作業に至る多くの産業および人的活動にとって重要である。例えばメタン検知は、石油およびガス事業、牛の放牧、温室ガス監視、天然ガス監視など、多くの対象分野にとって特に重要である。
このような用途では、長期にわたって（多くの場合、遠隔の場所に）多くのセンサを配備する必要がある。したがって、長寿命（例えば５年程度）で低電力消費のバッテリ式センサを有することが望ましい。
しかし、既存の燃焼センサは、高温でセンサ素子を動作させるのに電気加熱素子に頼っている。このような電気加熱素子は一般には非常に大量（約５０ミリワット（ｍＷ）から約１５０ｍＷ程度）の電力を消費する。多くの商用装置は高濃度ガスにさらに限定される。
Safa Kasap, "Thermoelectric Effects in Metals: Thermocouples," An e-Booklet, pgs. 1-11 (2001)
Singh et al., "Review: An Overview of Recent Development of Platinum-Based Cathode Materials for Direct Methanol Fuel Cells," Int. J.Electrochem. Sci., 9 (July 2014) 5607-5639
したがって、メタン・ガスなどの可燃性ガスの検出のための室温、低電力消費、低コストのセンサが望ましい。そのようなセンサは、理想的には百万分率（ｐｐｍ）の範囲のガス濃度を測定可能な性能を有する。
本発明は、熱電対設計を使用した低電力可燃性ガス・センサを提供する。本発明の一態様では、可燃性ガス・センサが提供される。可燃性ガス・センサは、少なくとも１つの第１の電極と、第１の電極とは異種の材料で形成された少なくとも１つの第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とを含み、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点が熱電対を形成する。
本発明の別の態様では、検知装置が提供される。検知装置は、少なくとも１つの第１の電極と、第１の電極とは異種の材料から形成された少なくとも１つの第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とをそれぞれ有する複数のセンサを含み、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点が熱電対を形成する。複数のセンサは、異なる触媒物質をそれぞれ含むことができる。
本発明のさらに別の態様では、可燃性ガスを検知する方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの第１の電極と、第１の電極とは異種の材料で形成された少なくとも１つの第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とを有し、第１の電極と第２の電極との間の活性反応接点が熱電対を形成する可燃性ガス・センサを設けることと、触媒物質の可燃性ガスへの暴露時に第１の電極における差動電圧を測定することとを含む。
以下の詳細な説明と図面を参照すれば、本発明と、本発明の他の特徴および利点とをよりよく理解することができるであろう。
本明細書では、室温（すなわち約１５℃から約３０℃およびその間の範囲）で動作し、可燃性ガスに対して感度がよく、マイクロワット（μＷ）の電力レベルで動作するセンサが提供される。以下で詳述するように、本センサは、異種金属と、室温における低濃度可燃性ガスの酸素との反応を触媒するための表面ナノ粒子を含む触媒接点とを使用して熱電対のように動作する。適合する触媒ナノ粒子には、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびルテニウム（Ｒｕ）が含まれるが、これらには限定されない。
本明細書で使用する「可燃性ガス」という用語は、例えば炭化水素のガスおよび蒸気を指す。これには、例えば、水素、メタン（およびその他のアルカン）、メタノール、ブタン、プロパン、および天然ガスが含まれる。
本可燃性ガス・センサの要素を図１に示す。本センサは、（活性領域としての）ガス透過性触媒中間表面を備えた２つの異種金属を使用して、酸素（Ｏ２）の存在下で可燃性ガスを分解して大量の水素（Ｈ２）と、熱と、最終的に反応生成物である二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とを生じさせる。例示の一実施形態によると、センサの反応領域は熱電対の一部を形成する。水素およびその他の反応生成物の発生は、金属の仕事関数を一時的に変化させる。さらに、触媒プロセスから熱が発生して、センサの構造において使用されている異種金属に起因して、電極間に検知可能な電圧を生じさせる。具体的には、導体内の温度勾配が内蔵電界を生じさせる。これは、ゼーベック効果または熱電効果と呼ばれる。例えば、Safa Kasap, "Thermoelectric Effects in Metals:Thermocouples," An e-Booklet, pgs. 1-11 (2001)を参照されたい。熱電対の原理に基づいて、異なる電極材料（すなわち異なるゼーベック係数）を採用することによって、第１の電極と第２の電極との実電圧差を読み取ることが可能である。
図１に示すように、ガス・センサ１００は、不活性基板１０６に取り付けられた第１の電極１０２と第２の電極１０４とを含む。第１の電極１０２および第２の電極１０４は、例えばエポキシなどの接着剤を使用して不活性基板１０６に取り付けられ得る。
例示の一実施形態によると、第１の電極１０２と第２の電極１０４とはそれぞれ、（長さＬおよび幅Ｗを有し、Ｌ＞＞Ｗである）高アスペクト比ストリップとして構成され、ストリップが互いに直角になり、各ストリップのほぼ中点で交差するように不活性基板１０６に取り付けられている。図１を参照されたい。また、各ストリップは、例えば約１ナノメートル（ｎｍ）から約５ｎｍ、およびその間の範囲の厚さを有する薄膜とすることができる。
第１の電極１０２および第２の電極１０４は、異種金属で形成される。例えば、例示の一実施形態によると、電極の一方（第１または第２の電極）はプラチナ（Ｐｔ）またはＰｔ含有合金で形成され、他方の電極はパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ含有合金で形成される。例えば、第１の電極１０２はＰｔで形成され、第２の電極１０４はＰｄで形成され、またはその逆もある。例示の一実施形態では、水素脆化を回避するために、Ｐｔ電極（１０２または１０４）はＰｔと銀（Ａｇ）との合金である。一例に過ぎないが、このＰｔ／Ａｇ合金は約２０％から約２５％までの間の範囲のＡｇと、約７４％から約７９％までの間の範囲のＰｔとを含む。不活性基板１０６の適合する材料としては、石英、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、雲母、窒化ホウ素、ガラスおよびこれらの組合せが含まれるが、これらには限定されない。
この例示の実施形態では、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間にガス透過性触媒が存在する。ガス透過性とは、触媒物質自体が環境内のガスを透過させるように構成されているか、または触媒が周囲ガスに対して透過性である物質上で支持されているか、あるいはその両方を意味する。例えば、以下で詳述するように、触媒は１つまたは複数の触媒ナノ粒子の層からなることができる。そのようなナノ粒子層は多孔質であり、したがってガスを透過させる。その場合、触媒は好ましくは導電性であり、すなわち、触媒を介して第１の電極１０２と第２の電極１０４とを電気接触させることができる。したがって、触媒（すなわち触媒１０８）を介して電気接続がもたらされるため、熱電対を形成するのに第１の電極１０２と第２の電極１０４とは互いに直接（物理的に）接触する必要がない（図１参照）。あるいは、触媒物質は多孔質のガス透過性材料（多孔質セラミックなど）によって支持されてもよい。その場合、触媒を囲む材料は導電性でない場合があり、したがって、活性領域において熱電対を形成するために第１の電極１０２と第２の電極１０４との直接の物理的および／または電気的接触が必要である。
図１に示す例では、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間に触媒物質１０８が存在する。具体的には、触媒物質１０８は、十字形に交差した第１の電極１０２と第２の電極１０４との交差部に存在する。この場合、触媒物質１０８は第１の電極１０２と第２の電極の両方と物理的および電気的に接触しているが、第１の電極１０２は第２の電極１０４と直接物理的に接触しない。この例では、触媒物質１０８は導電性である。触媒物質１０８は、多孔質／ガス透過性でもある。したがって、この構成における触媒物質１０８は、第１の電極１０２と第２の電極１０４とが互いに直接物理的に接触するのを防ぐガス透過性スペーサとして機能する。図１のように構成されたセンサは、可燃性ガスおよび酸素の存在下で検知可能電圧を発生させる。
例示の一実施形態によると、触媒物質１０８は、１つまたは複数のナノ粒子層からなる。一例に過ぎないが、センサの適合するナノ粒子としては、Ｐｔナノ粒子（例えば、白金黒などのＰｔナノ粉末）、Ｐｄナノ粒子、またはＲｕナノ粒子、あるいはその組合せが含まれるが、これらには限定されない。一例に過ぎないが、プラチナはメタン・ガスにとって強力な触媒である。例えば、Singh et al., “Review: An Overview of RecentDevelopment of Platinum-Based Cathode Materials for Direct Methanol Fuel Cells,” Int. J. Electrochem. Sci., 9 (July 2014) 5607-5639を参照されたい。パラジウムはブタン・ガスに適合する触媒である。例えば、Ｊｕｎｇ等の"Supported Catalyst for Direct Dehydrogeneration of n-Butaneand Preparing Method of Butenes from N-Butane Using the Same"という名称の米国特許出願公開第２０１３／００７２７３８号を参照されたい。ルテニウム、または、プラチナもしくはパラジウムあるいはその両方と組み合わせたルテニウムは、メタノールに適合する触媒である。例えば、Ｍａｅｎｏ等に発行された"Alumina Supported Ruthenium Catalyst"という名称の米国特許第６，４２９，１６７号およびＧｏｒｅｒに発行された"Method for Producing Electricity Using aPlatinum-Ruthenium-Palladium Catalyst in a Fuel Cell"という名称の米国特許第６，６８２，８３７号を参照されたい。触媒物質の組成を変えることによって、異なるガスに合わせてセンサの感度を調整することができる。したがって、以下で詳述するように、本明細書では、異なる触媒物質を有する複数のセンサが採用され、それによって異なるガスの検知を可能にする実施形態が企図される。
（例えばＰＴ、ＰｄまたはＲｕあるいはその組合せの）ナノ粒子の層は導電性であり、多孔質である。したがって、上述のように、第１の電極１０２と第２の電極１０４とが互いに直接物理的に接触することなく、触媒物質１０８を介して第１の電極１０２と第２の電極１０４とを電気接触させることができる。周囲ガスが多孔質触媒物質に透過することができ、そこで上述のように熱を発する反応で触媒物質によって分解される。この熱は熱電対によって検出される。
センサ１００は、メタノール（ＭｅＯＨ）を含む、様々な可燃性炭化水素に対して反応する。例えば、図２を参照されたい。図２は、容器内のメタノール蒸気の一時的濃度に反応するセンサ１００の挙動を示す。メタン、メタノールなどの可燃性ガスの存在に応答してマイクロボルトからミリボルトの範囲の電圧が観察された。この例では、メタノール蒸気の濃度は約０ｐｐｍから約１，０００ｐｐｍまで変化し、対応するセンサ出力電圧は１×１０−６ボルトから１×１０−４ボルトの範囲であった。図２を参照されたい。センサの電気的挙動は反復可能であり、暴露後にベースライン電圧に戻る。
上記の例ではＰｔおよびＰｄを電極材料として選定したが、可燃性ガス・センサにとって有用な異種合金を形成するために、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）およびスズ（Ｓｎ）を含むがこれらには限定されない、他の電極金属も使用可能であることは明らかである。上述のように、Ｐｔナノ粒子、Ｐｄナノ粒子、またはＲｕナノ粒子あるいはその組合せはすべて、触媒物質として可能な選択肢である。
上述のように、検知中に、触媒作用プロセスで熱が発生し、電極で使用されている異種金属（熱電対）に起因して第１および第２の電極間に検知可能な電圧を生じさせる。しかし、局所温度効果（センサの場所に依存する環境温度など）が、センサ電圧に熱電位をもたらす可能性がある。したがって、別の一実施形態では、上述のセンサは、局所温度の効果を打ち消すように基準接点を備えて構成される。図３を参照されたい。
図３に示すように、センサ３００が、不活性基板３０６上の２つの同じ（すなわち同じ材料で形成された）第１の電極３０２および３０４を含む。この２つの第１の電極３０２および３０４は、互いに平行であり、交差していない。第１の電極３０２および３０４に対して直交する１つの第２の電極３０８が形成されている。第２の電極３０８は、第１の電極３０２と電気的および物理的に接触して基準接点を形成する。基準接点は、熱源から離れた基準読み取り値を提供する熱電対回路（以下を参照）における冷接点と類似している。他方の第１の電極３０４に、触媒物質３０５が第１の電極３０４および第２の電極３０８と物理的にも電気的にも接触する活性反応（検知）接点が形成されている（ただし、第１の電極３０４と第２の電極３０８とは互いに接触しない）。不活性基板と第１および第２の電極に適合する材料と、触媒物質とは上記で示した。
また、上述したように、異種材料の第１および第２の電極を使用して熱電対が形成される。例えば、第１の電極３０２および３０４をＰｔで形成することができ、第２の電極３０８をＰｄで形成することができる。第１の電極３０２と第２の電極３０８との交差部が基準接点である。触媒物質（例えばＰｔ、ＰｄまたはＲｕあるいはその組合せのナノ粒子）を第１の電極３０４および第２の電極３０８に物理的にも電気的にも接触させることによって、アクティブ反応接点を形成することができる。
センサの電圧を測定するために、電極３０２および３０４への電気的接触が設けられる。実際には、これは、２つの電気接点を高インピーダンス計装増幅器４０２の入力に接続することによって実現可能である。例えば図４のシステム４００を参照されたい。増幅されたセンサ電圧は次に、センサ・データの処理、記憶および送信のために、コンピュータ４０６とインターフェースがとられたアナログ−デジタル変換器４０４によってデジタル化される。コンピュータ４０６として機能するように構成可能な例示の装置については、図８の説明と併せて以下で説明する。
図３に戻って参照すると、電極が異種材料を採用する限り、上述の材料のいずれでも使用することができる。例えば、別の一実施形態では、第１の電極３０２および３０４に使用される材料は、第２の電極３０８に使用される材料と交換することができる。すなわち、第１の電極３０２および３０４をＰｄで形成し、架橋する第２の電極３０８をＰｔで形成することができる。上述のように、第１の電極３０２および３０４への２つの電気接触が設けられる。必要であれば、センサと基準接点の両方を独立して監視することができるように、架橋する第２の電極３０８への追加の電気接触が設けられてもよい。
例えば、触媒層を電極の間に挟む代わりに、触媒物質で（電極の）接点を囲むことも可能である。図５を参照されたい。図５では（図３の構成などの）基準接点構成を採用し、それに応じて同様の構造には同じ番号が付されている。例えば、図５に示すように、（例えば電極３０４と（異種の）電極３０８（との間の接点における）活性反応接点が触媒物質５０２によって封止され、さらに触媒物質５０２は多孔質（ガス透過性）パッケージ５０４によって封止されている。パッケージには、（例えば電極３０２と（異種の）電極３０８との間の接点における）基準接点が含まれる。例示の一実施形態によると、パッケージ５０４は（多孔質）アルミナからなる。
図６は、本可燃性ガス・センサの動作を示す概略図６００である。図６に示すように、センサは、上述のように、異種金属（例えばＰｔとＰｄまたは上述のようなその他の組合せ）の少なくとも２つの電極（すなわち第１の電極と第２の電極）が存在する熱電対設計を採用する。電極の「温」接点に触媒物質（例えばＰｔ、ＰｄまたはＲｕあるいはその組合せのナノ粒子）が存在する。この触媒物質は、熱電対回路の熱源として機能する。例えば、上述のように、熱は触媒層において酸素の存在下で可燃性ガス（図６参照）が二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）に分解されるときの触媒作用プロセスの副産物である。
熱の存在が、電圧計を使用して検知可能な差動電圧を電極において発生させる。熱源から離れた電極間の接点は、熱源から遠隔の測定値を提供することができ、したがって局所温度効果がないため、冷接点または基準接点と呼ばれる。冷接点または基準接点については、例えば上記で図３および図５の説明と併せて説明した。この基準によって、信号から熱的効果を排除することができる。冷接点は同一基板上の熱源に近いが熱源から離隔して配置することが好ましい。
第１および第２の電極が温接点または冷接点あるいはその両方でのみ互いに接続することが重要であり、そうでない場合はセンサ読み取り値が誤った読み取り値となることがある。したがって、不活性（すなわち電気的に不活性、熱反応的に不活性など）基板上にセンサを作製することにより、電極を絶縁する機能を果たす。
上述のように、異なるガスに対する感度をもたせるために同じ装置で異なる触媒を採用することができる。図７を参照されたい。図７に示す検知装置７００は、上述の可燃性ガス・センサを複数個、すなわちセンサＡ、センサＢ、センサＣなどを含むが、装置７００における各センサは異なる触媒物質（すなわち触媒物質Ｉ、触媒物質ＩＩ、触媒物質ＩＩＩなど）を含む点が異なる。上述のように、本センサにより使用するのに適合する触媒物質には、Ｐｔナノ粒子、Ｐｄナノ粒子またはＲｕナノ粒子あるいはその組合せが含まれるが、これらには限定されない。したがって、例示の一実施形態によると、検知装置７００は、Ｐｔナノ粒子を触媒として備える少なくとも１つのセンサＡと、Ｐｄナノ粒子を触媒として備える少なくとも１つのセンサＢと、Ｒｕナノ粒子を触媒として備える少なくとも１つのセンサＣ、すなわち、それぞれ、触媒物質Ｉ、触媒物質ＩＩ、触媒物質ＩＩＩとして含む。異なる触媒物質を備えることにより、装置７００は様々な異なるガスを検出することができる。
次に図８を参照すると、本技術により実装可能なデータ処理装置８００のブロック図が示されている。例えば、装置８００は、システム４００内のコンピュータ４０６として機能するように構成することができる。
装置８００は、コンピュータ・システム８１０と取り外し可能媒体８５０とを含む。コンピュータ・システム８１０は、プロセッサ・デバイス８２０と、ネットワーク・インターフェース８２５と、メモリ８３０と、媒体インターフェース８３５と、オプションのディスプレイ８４０とを含む。ネットワーク・インターフェース８２５は、コンピュータ・システム８１０がネットワークに接続することができるようにし、媒体インターフェース８３５は、コンピュータ・システム８１０がハード・ドライブまたは取り外し可能媒体８５０などの媒体とやり取りすることができるようにする。
プロセッサ・デバイス８２０は、本明細書で開示されている方法、ステップおよび機能を実装するように構成することができる。メモリ８３０は、分散メモリまたはローカル・メモリとすることができ、プロセッサ・デバイス８２０は、分散デバイスまたは単独デバイスとすることができる。メモリ８３０は、電気的メモリ、磁気メモリもしくは光メモリ、またはこれらの任意の組合せまたは他の種類の記憶装置として実装することができる。また、「メモリ」という用語は、プロセッサ・デバイス８２０によりアクセスされるアドレス可能空間におけるアドレスからの読み取り、またはアドレスへの書き込みが可能な任意の情報を包含するのに十分に広義に解釈すべきである。この定義により、プロセッサ・デバイス８２０がネットワークから情報を取り出すことができるよう、ネットワーク・インターフェース８２５を介してアクセス可能なネットワーク上の情報もメモリ８３０内に含まれる。プロセッサ・デバイス８２０を構成する各分散プロセッサは、一般にはそのプロセッサ独自のアドレス可能メモリ空間を含むことに留意されたい。また、コンピュータ・システム８１０の一部または全部を特殊用途向け集積回路または汎用集積回路に組み込むことができることにも留意されたい。
オプションのディスプレイ８４０は、装置８００の人間のユーザと対話するのに適合する任意の種類のディスプレイである。一般には、ディスプレイ８４０は、コンピュータ・モニタまたはその他の同様のディスプレイである。
図９は、本センサを使用して可燃性ガスを検知するための例示の方法９００を示す図である。ステップ９０２で、センサ、または上述のセンサのシステムが設けられる。触媒物質が可燃性ガスに曝される（上述のように熱を発生する）と、ステップ９０４で電極における差動電圧が測定される。ステップ９０４は、電圧計を使用して行うことができる。ステップ９０６で、（例えば米国マサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ社から入手可能なＡＤ８２３６計装増幅器を使用して）センサ信号が増幅される。ステップ９０８で、増幅器の出力が、増幅された信号をデジタル化するアナログ−デジタル変換器に接続される。図４を参照されたい。デジタル化信号は次に、ステップ９１０で例えばデータ処理のためのコンピュータを使用してさらに処理、解析などを行うことができる。
本明細書では様々な異なる電極および触媒構成が企図される。例えば、上記で図１の説明と併せて説明したように、本センサ１００の基本構成要素は、第１の電極１０２および第２の電極１０４と、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間の活性反応接点における触媒物質１０８とを含む。第１の電極１０２と第２の電極１０４との間の活性反応接点は、熱電対接点を形成する。本技術によると、活性化反応接点において第１の電極と第２の電極は、（第１の電極１０２と第２の電極１０４との電気接触が触媒１０８を介してもたらされる図１に示す例のように）互いに直接物理的に接触していないか、あるいは、活性反応接点において第１の電極と第２の電極との間に直接物理的接触と電気接触の両方があってもよい。前者の場合、触媒物質は多孔質であるとともに導電性である。後者の場合、触媒物質は非導電性の多孔物質に支持されるか、または含まれていてもよい。次に、これらの例示の構成のそれぞれについて、図１０および図１１を参照してさらに説明する。
図１０に、第１および第２の電極（この例ではそれぞれ参照番号１００２および１００４が付されている）が、触媒物質１００８を介して電気接触している例示の構成を示す。具体的には、上述の方式と同様にして、触媒物質１００８は第１の電極１００２と第２の電極１００４との間の活性反応接点に存在する。第１の電極１００２と第２の電極１００４との間の活性反応接点は熱電対を形成する。この例では、第１の電極１００２と第２の電極１００４とは互いに直接物理的に接触しない。しかし、（多孔質かつ導電性である）触媒物質１００８が第１の電極１００２と第２の電極１００４の両方と直接物理的に接触する。したがって、触媒物質１００８によって第１の電極１００２と第２の電極１００４との連続性がもたらされる。上述のように、適合する多孔質の導電性触媒には、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｕあるいはその組合せのナノ粒子が含まれるが、これらには限定されない。
この例では、第１の電極１００２は多孔質触媒物質１００８に電気的、熱的および機械的に接触している。多孔質触媒物質１００８は、第２の電極に同様に電気的、熱的および機械的に接触している。このアセンブリは、動作上、第１の電極１００２と第２の電極１００４とが直接接触しているかのように挙動する。熱電接点の組合せを形成する。多孔質触媒物質１００８は、ガスが透過し、反応することができるようにし、それによって接点温度を上昇させる。上述のように、接点温度は第１の電極１００２と第２の電極１００４との間の熱電圧として検知可能である。
上記で強調したように、触媒は多孔質の非導電性物質によって支持されてもよい。その場合、活性反応接点は、活性反応接点で互いに直接物理的に（および電気的に）接触している第１の電極と第２の電極（この例では、それぞれ参照番号１１０２および１１０４が付されている）を含むことができる。図１１を参照されたい。図１１に示すように、上述のように第１の電極１１０２と第２の電極１１０４との間の活性反応接点に触媒物質１１０８が存在する。第１の電極１１０２と第２の電極１１０４との間の活性反応接点は、熱電対を形成する。この例では、触媒物質１１０８は非導電性の多孔物質によって支持されている。具体的には、図１１に示すように、触媒物質１１０８が多孔質の（ただし非導電性の）物質内に分散している。したがって、電気接触を確実にするために、第１の電極１１０２と第２の電極１１０４とが互いに直接物理的および電気的に接触し、両電極間に直接（熱電対）接点を形成する。例示の一実施形態によると、触媒はＰｔ、ＰｄまたはＲｕあるいはその組合せのナノ粒子を含み、多孔質の非導電性物質は、多孔質セラミック、焼結粒子、リソグラフィ・パターン形成されたナノワイヤ、プレス・ナノワイヤ、または当技術分野で知られている任意のその他の形成された多孔質構造あるいはその組合せを含む。
この例では、第１の電極１１０２と第２の電極１１０４との両方が、多孔質の非導電性物質に熱的および機械的に接触している。第１の電極１１０２は第２の電極１１０４に電気的、熱的および機械的に接触している。このアセンブリは、第１の電極１１０２と第２の電極１１０４との間に熱電対を形成する。多孔質の非導電性物質は、ガスが透過し、触媒物質１１０８と反応することができるようにし、それによって材料の温度を上昇させる。多孔質の非導電性物質は、電極間の熱電対接点と熱的に接触している。多孔質の非導電性物質における可燃性ガスと触媒物質１１０８との反応は、それによって熱電対接点を加熱し、接点温度に対する熱電圧応答に基づいて検知される。
本明細書では本発明の例示の実施形態について説明したが、本発明はそれらの厳密な実施形態には限定されないことと、本発明の範囲から逸脱することなく当業者により他の様々な変更および修正を加えることができることを理解すべきである。
Claims (22)
- 可燃性ガス・センサであって、
少なくとも１つの第１の電極と、
前記第１の電極とは異種の材料で形成された少なくとも１つの第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とを含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記活性反応接点が熱電対を形成する、
可燃性ガス・センサ。 - 前記第１の電極または前記第２の電極は、プラチナおよびパラジウムからなるグループから選択された材料を含む、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極または前記第２の電極がプラチナ−銀合金を含み、前記プラチナ−銀合金は約２０％から約２５％までの間の範囲の銀を含み、約７４％から約７９％までの間の範囲のプラチナを含む、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記触媒物質は導電性かつ多孔質である、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記触媒物質は、プラチナ・ナノ粒子、パラジウム・ナノ粒子、ロジウム・ナノ粒子、およびこれらの組合せからなるグループから選択される、請求項４に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極は前記触媒物質と直接物理的に接触し、前記第２の電極は前記触媒物質と直接物理的に接触し、前記第１の電極と前記第２の電極とが前記活性反応接点において互いに直接物理的に接触していない、請求項４に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記触媒物質が多孔質の非導電性物質内に分散している、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極と前記第２の電極とが前記活性反応接点において互いに直接物理的に接触している、請求項７に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極と前記第２の電極とが取り付けられた不活性基板をさらに含む、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記不活性基板は、石英、シリカ、窒化アルミニウム、雲母、窒化ホウ素、ガラス、およびこれらの組合せからなるグループから選択された材料を含む、請求項９に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極と前記第２の電極とがそれぞれ前記基板上で互いに対して直角に配置されたストリップとして構成される、請求項９に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記ストリップはそれぞれ約１ナノメートルから約５ナノメートルまでの間の範囲の厚さを有する、請求項１１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記触媒物質は、前記触媒物質が前記第１の電極および前記第２の電極の両方に物理的に接触するように前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている、請求項１１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記触媒物質は、前記第１の電極と前記第２の電極とを封止する、請求項１１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記触媒物質とが多孔質パッケージ内に封止されている、請求項１４に記載の可燃性ガス・センサ。
- 前記多孔質パッケージは多孔質アルミナを含む、請求項１５に記載の可燃性ガス・センサ。
- 複数の第１の電極をさらに含み、前記第２の電極は前記複数の第１の電極を架橋して前記複数の第１の電極と前記第２の電極との間に複数の接点を形成し、前記複数の接点のうちの１つの接点が前記活性反応接点であり、前記複数の接点のうちの別の接点が基準接点である、請求項１に記載の可燃性ガス・センサ。
- 検知装置であって、
少なくとも１つの第１の電極と、前記第１の電極とは異種の材料から形成された少なくとも１つの第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とをそれぞれ含む複数のセンサを含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記活性反応接点が熱電対を形成する、
検知装置。 - 前記複数のセンサは、異なる触媒物質をそれぞれ含む、請求項１８に記載の検知装置。
- 前記検知装置の第１のセンサが触媒物質としてプラチナ・ナノ粒子を含み、前記検知装置の第２のセンサが触媒物質としてパラジウム・ナノ粒子を含み、前記検知装置の第３のセンサが触媒物質としてルテニウム・ナノ粒子を含む、請求項１９に記載の検知装置。
- 可燃性ガスを検知する方法であって、
少なくとも１つの第１の電極と、前記第１の電極とは異種の材料で形成された少なくとも１つの第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の活性反応接点における触媒物質とを含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記活性反応接点が熱電対を形成する可燃性ガス・センサを設けることと、
前記触媒物質の前記可燃性ガスへの暴露時に前記第１の電極における差動電圧を測定することと
を含む、方法。 - 前記可燃性ガスは、水素、メタン、メタノール、ブタン、プロパン、および天然ガスからなるグループから選択される、請求項２１に記載の方法。
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