JP6263179B2

JP6263179B2 - 携帯用電子装置及び蒸気センサカード

Info

Publication number: JP6263179B2
Application number: JP2015525455A
Authority: JP
Inventors: マイケル，シー．パラツォットー，; ステファン，エイチ．グリスカ，; ジャスティンタンジュンヤサム，; ライアン，ディー．エリックソン，; ジェイミー，ビー．ウィロビー，
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: US20150185175A1; CN104583764B; EP2880431A1; WO2014022155A1; US9702840B2; EP2880431B1; CN104583764A; JP2015524925A; KR20150039789A

Description

本開示は広く、蒸気を検出するための電子センサに関する。

揮発性有機化合物（ＶＯＣ）及び湿度の検出は、環境及び安全性の関連により、多くの商業的、公衆、及び家庭向け用途を有する。１つの有用なセンサの種類は、２つの電極の間に吸着材料が配置される、静電容量型センサである。典型的には、電極の少なくとも一方が、多孔質であるか、ないしは別の方法により、測定される分析対象蒸気に対して透過性である。これらの種類のセンサにおいて使用される吸着材料の例としては、いわゆる固有微多孔性ポリマ（ＶＯＣ測定のためのＰＩＭ）、及びスルホン化フルオロポリマ（湿度測定のため）を含む。

最もよく市販されている有機蒸気センサシステムは、光イオン化検出器（ＰＩＤ）技術に基づく。ＰＩＤ感知技術は一般的であるが、サイズが大きい、コストが高い、消費電力が高いなど、制約を有する。周囲空気の質が関心の対象となる用途（例えば、工場又は他の作業場など）においては、携帯性が強く所望される。動作の容易性、メンテナンスの容易性、及びコストもまた重要な問題である。上記の問題の少なくとも１つを改善する、新規の有機蒸気センサの必要性が依然として存在している。

一態様において、本開示は、
入口ポート、及び蒸気センサカードを受容するようになっている外側スロットを含む外側ハウジングと、
外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置された駆動回路と、
外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置されたセンサホルダと、を含み、センサホルダは、
内側ハウジングであって、
入口ポートと下流方向に流体連通している気体入口及び気体出口を有する気体吸入チャンバ、並びに、
蒸気センサカードと係合するようになっているセンサカードソケットを保持し、気体吸入チャンバを通じて気体入口と流体連通している内側スロットを含む、内側ハウジングと、
駆動回路と電気的に導通し、センサカードソケットと熱的に導通している、電気加熱要素と、
入口ポートからの気体を気体出口へと方向付けるように配置されたファンと、
気体出口の少なくとも一部と隣接し、気体出口の少なくとも一部を横切って延びる乱流誘発部材と、を含む。

いくつかの実施形態において、センサカードソケットは、センサカードソケットと電気的及び熱的に導通する静電容量センサ要素を含む、蒸気センサカードと係合する。

したがって、別の態様において、本開示は
相対する第１主要表面及び第２主要表面を有するセンサハウジングであって、静電容量センサ要素は第１主要表面に当接する長手方向チャネルを有し、長手方向チャネルは底面を有する、センサハウジングと、
底面の少なくとも一部を形成する静電容量センサ要素であって、静電容量センサ要素は、
支持部材上に配置された導電性ベース電極、
長手方向チャネルの底面の一部を含み、蒸気センサカードの外側表面の少なくとも一部を含む導電性多孔性電極、及び
導電性ベース電極と導電性多孔性電極との間に配置された吸着材料を含む誘電性検出層を含む、静電容量センサ要素と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第１導電性経路と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第２導電性経路とを含む、蒸気センサカードを提示する。

本開示による携帯用装置及び水蒸気センサは、比較的安価で（例えば、市販される既存の光イオン化検出器と比較して）小型に作製することができる。本開示による携帯用蒸気センサは典型的には確実であり、何らかの理由で交換が必要となったときに、外部からアクセス可能な取り替え可能なセンサ要素を有する。有利なことに、本開示による携帯用蒸気センサは、その比較的低いコスト、再現性、及び有機蒸気の検出における正確性において、既存の検出ＰＩＤ蒸気検出技術に対する利益を有する。この設計の別の利益は、使い捨てセンサの概念の導入である。

この概念によりユーザーは、装置内のセンサを容易に取り替えることができる。本明細書において使用する場合、
用語「導電性」とは、他に明確に指示されない限り、電気的に導通性であることを意味する。

用語「下流に流体連通する」とは、入口から装置を通って出口チャネルへと流れる気体の方向を意味する。

修飾されない用語「ファン」とは、表面又は多数の表面の運動により、気体（例えば、空気）の流れを生じるいずれかの装置を指す。

本開示の特徴及び利点は、発明を実施するための形態、及び添付の特許請求の範囲を考慮することで更に深い理解が得られるであろう。

本開示の一実施形態による、携帯用装置１００の斜視図である。携帯用装置１００の反対側の斜視図である。センサホルダ２００の斜視図である。第２内側部材２１４の前方斜視図である。図２Ｂの断面図である。第２内側部材２１４の後方斜視図である。内部に挿入された蒸気センサカード１２０を備えるセンサホルダ２００の分解斜視図である。電気加熱要素２８２が係合した、第２内側部材２１４の前方斜視図である。乱流誘発部材３４６の拡大斜視図である。センサカードソケット２６４に挿入された代表的な蒸気センサカード１２０の拡大斜視図である。センサカードソケット２６４に挿入された蒸気センサカード１２０の断面図である。センサカード１２０の分解斜視図である。本開示の一実施形態による、代表的な携帯用装置５００の斜視図である。蒸気センサカード１２０及びセンサカードソケット２６４が内部に挿入された、内側ハウジング６１０の分解斜視図である。図６Ａ内の内側ハウジング６１０の断面図である。乱流誘発部材３４６と係合する、内側ハウジング６１０の後方斜視図である。内部に挿入された蒸気センサカード１２０を備えるセンサホルダ６１０の分解斜視図である。

明細書及び図面において、繰り返し使用される参照記号は、本開示における同じ又は同様の機構又は要素を表す。当業者により他の多くの修正及び実施形態が考案され、これらは本開示の原理の領域及び趣旨の範囲内となることが理解されるべきである。図は、縮尺どおりに描かれていない場合もある。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、１つの代表的な実施形態において、携帯用装置１００は、外側ハウジング１０５を含む。外側ハウジング１０５は、内側ポート１１０、及び蒸気センサカード１２０を受容するようになっている外側スロット１１２を含む。ハンドル１７２及びばねクリップ１７５を含む取り付け部材１７０は、外側ハウジング１０５に固定され、ユーザーが着用する衣服及び／若しくはアクセサリーへの、又は特定の関心の位置にある締結具（例えば、陥没孔）への、便利な取り付けをもたらす。外側ハウジング１０５は、例えば、１つの一体部分、又は（例えば、機械的に及び／又は接着剤により）係合する複数部分を含むことがある。センサホルダ２００は、外側ハウジング１０５内に配置され、導電性部材１８２を介して駆動回路１６０と電気的に導通している。電子ディスプレイ１４０は、外側ハウジング１０５内に配置された駆動回路１６０と通信可能に接続されている。手動により操作可能な制御部１５０は、ユーザーが駆動回路及び電子ディスプレイを制御するのを可能にする。

外側ハウジングは、電子ディスプレイ及びオペレーター制御部のための開口部を有してもよいが、これらの構成要素は代替的に、又は追加的に、ハウジング内に収容されてもよいことが認識される。例えば、ハウジングは、ハウジング内に含まれる電子ディスプレイの可読性を可能にする透明材料（例えば、透明プラスチック）から作製され得る。同様に、オペレーター制御部は、例えば、誘導性近接センサ制御の場合など、ハウジングを通じてアクセス可能であり得る。

ここで図２Ａを参照すると、センサホルダ２００は、気体入口２３０及びファン２９０を備える、内側ハウジング２１０を含む。内側ハウジング２１０は、第１内側ハウジング部材２１２、及び第２内側ハウジング部材２１４を含む。第１内側ハウジング部材２１２は、気体入口２３０を含む。図２Ｅに示されるように、内側スロット２８０は、気体センサカード１２０と係合するセンサカードソケット２６４を保持する。

ここで図２Ｃ及び図２Ｄを参照すると、内側スロット２８０は、気体出口２４０と隣接し、下流方向に流体連通している。乱流誘発部材３４６（図２Ｇにおいて拡大図示される）は、気体出口２４０に隣接し、これを横切って延びる。

ここで図２Ｆを参照すると、電気加熱要素２８２は、内側スロット２８０内に配置されるセンサカードソケット２６４（図示されない、図２Ｅ参照）と接触する。電気加熱要素２８２は、駆動回路１６０と電気的に導通し、センサカードソケット２６４と熱的に導通している。

図２Ｃに示されるように、気体入口２３０内に配置されるファン２９０は、気体を気体吸入チャンバ２２０内へと、又は気体出口２４０の外へと方向付ける。

外側及び内側ハウジングは、意図される用途に耐えることができる、いずれかの好適な材料から作製され得る。例としては、金属、熱硬化樹脂（例えば、ベークライト）、及び熱可塑性樹脂（例えば、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、及び硫化ポリフェニレンなどの産業用樹脂）が挙げられる。

乱流誘発部材は、気体出口から出る際に気体流に（例えば、渦流出により）乱流を生じさせるのに役立つ。乱流誘発部材は、プラスチック、金属、ガラス、又は寸法的に安定であり、有意に気体を放出しない他のいずれかの材料から構成され得る。本発明者は、導電性多孔質電極を通じて流れる乱流気体は、静電容量型センサ要素の反応時間を短縮することができることを求めた。乱流誘発部材として、任意の多孔質構造が使用され得る。いくつかの実施形態において、乱流誘発部材は、メッシュ（例えば、３４ゲージスチールワイヤメッシュ、モデル３０×３０（ＰｅａｃｅＷｉｒｅＭｅｓｈＷｏｒｋｓ，Ｈｅｎｇｓｈｕｉ，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）などのワイヤメッシュ）、布地、モノリシックな透かし編み目材（例えば、成形されたプラスチックによる）を含む。本明細書において記載されるとき、用語「透かし編み目材」とは、様々な開口部を含む装飾的又は構造的な物品を指す。いくつかの実施形態において、開口部は、規則的な配列として構成されるが、これは必須ではない。

ここで図２Ｃを参照すると、第２内側ハウジング部材２１４及びファン２９０は、気体吸入チャンバ２２０を形成する。気体吸入チャンバ２２０は、入口ポート１１０と下流方向に流体連通している（図１Ａ参照）。気体吸入チャンバ２２０は、気体入口２３０の下流、気体出口２４０の上流にある。図示される実施形態において、気体と触れる気体吸入チャンバ２２０の内側表面２２６は、流れの不均一性（例えば、「デッド」スポット）という問題を緩和するために隣接する壁部の境界が丸くなっている。これは多数の構成部材から内側ハウジング２１０を組み立てるための、製造上の観点から便利であり得るが、一体部品としてこれを製造することも可能である（例えば、成形、又は高速プロトタイピングにより）。

ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、センサカードソケット２６４と係合させたときに、蒸気センサカード１２０は、第１導電経路４１２及び第２導電経路４３２（例えば、ワイヤー、配線、及び／又はトラック）と、センサカードソケット２６４の電気端子２６８との間に電気接触を形成し、これはひいては、駆動回路１６０と電気的に導通する。導電性経路４１２、４３２は、基本導電性電極及び多孔性導電性電極と、それぞれ電気的に導通する。いくつかの実施形態において、センサカードソケット２６４は、ＳＤメモリソケットを含む。いくつかの実施形態において、蒸気センサカード１２０及び／又はセンサカードソケット２６４は、その形式及び電気的相互接続に関し、パーソナルコンピュータメモリカード国際協会ＰＣＭＣＩＡ２．０規格に従う。一実施形態において、蒸気センサカード１２０は、ＳＤメモリカードの形状及び大きさを有する。

ここで図４を参照すると、代表的な蒸気センサカード１２０は、上方ハウジング部材４２５と下方ハウジング部材４２７との間に、静電容量型センサ要素４００を含む。長手方向チャネル４７０は、底面４６２を有し、蒸気センサカード１２０の主要表面４８０と当接する。静電容量型センサ要素４００は、これが底面４６２の一部を形成するように配置される。蒸気センサカード１２０がセンサカードソケット２６４と係合すると、長手方向チャネル４７０は外側ハウジング１０５の外側スロット１１２を通じて延び、これにより、入口部分１１０を通じて携帯用装置１００に引き込まれる気体（例えば、周囲空気サンプル）のための出口がもたらされる。図示される実施形態において、気体は、長手方向チャネルを通じてセンサ装置から出るが、気体を逃すために少なくとも１つの開口部が外側ハウジングに存在しさえすれば、他の構成もまた使用され得る。例えば、蒸気センサカードは、長手方向チャネルを有さないことがあるが、外側スロットに隣接する孔は、気体が外側ハウジングから出るための経路をもたらす。

静電容量型センサ要素４００は、任意の支持部材４１５上に配置される導電性ベース電極４１０と、導電性多孔性電極４３０と、吸着材料を含み、導電性ベース電極４１０と導電性多孔性電極４３０との間に配置される誘電性検出層４２０とを含む。静電容量型センサ要素４００は、蒸気センサカード１２０内に保持され、多孔性電極が長手方向チャネルの底部に配置されて、長手方向チャネルを通じて流れる気体と接触する。この構成において、静電容量型要素４００は、偶発的な物理的損傷から保護され得、蒸気センサカード１２０は容易にかつ／又は安全に取り扱うことができる。

センサホルダに挿入されると、導電性多孔性電極４３０は、センサホルダを通過する気体と流体連通する。導電性経路４１２、４３２はそれぞれ、導電性ベース電極４１０及び導電性多孔性電極４３０から延びる。蒸気センサカード１２０は、センサカードソケット２６４と係合し、導電性経路４１２、４３２は、電気端子２６８と電気的に導通する。

剛性又は可撓性であり得る、任意の支持部材４１５は、一定程度の取り扱い性をセンサ要素にもたらすために十分な一体性を有するべきである。いくつかの実施形態においても、任意の支持部材は、蒸気センサカードに容易に組み込まれるように、実質的に平坦な形状である。任意の好適な支持部材の例としては、ポリマフィルム（例えば、ポリエステル、又はポリイミド）、ガラス、紙、及び厚紙が挙げられる。任意の支持部材が存在しない場合、導電性ベース電極は典型的には、蒸気センサカードの内側表面上に取り付けられる（例えば、上方部分と下方部分を係合させることにより組み立てられる蒸気センサカードの場合）。

導電性ベース電極及び導電性多孔性電極は、導電性である任意の導電性材料を含み得る。例えば、導電性ベース電極は金属層を含み得る。代表的な金属としては貴金属（例えば、金、プラチナ、イリジウム、パラジウム、オスミウム、銀、ロジウム、ルテニウム）が挙げられる。全体に十分な導電性がもたらされる限り、（導電性の及び／又は非導電性の）異なる材料の組み合わせを、異なる層又は混合物として使用することができる。典型的に、導電性ベース電極及び導電性多孔性電極は、約１０^７オーム／平方のシート抵抗を有する。

導電性ベース電極を作成するために使用され得る材料の例としては、有機材料、無機材料、金属、合金、並びにこれらの材料のいずれか又は全てを含む様々な混合物及び複合材料が挙げられるが、これらに限定されない。ある実施形態において、コーティング（例えば、熱蒸気コーティング、スパッタコーティングなど）された金属、若しくは酸化金属、又はこれらの組み合わせが使用され得る。好適な導電性材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、スズ、酸化インジウムスズ、金、銀、白金、パラジウム、銅、クロム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。第１導電性電極は、導電性である限り、任意の厚さ、例えば少なくとも４ナノメートル（ｎｍ）〜４００ｎｍ、７ｎｍ〜３００ｎｍ、又は少なくとも１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の厚さであってよい。例えば、導電性ベース電極は、自己支持するだけの十分な厚さ（例えば、１０μｍ〜１ｃｍ）を有し得るが、より厚い及びより薄い厚さを用いることも可能である。

導電性ベース電極は、導電性カーボンファイバー電極を含み得る。このような電極は、２０１２年６月２５日に出願された、米国仮特許出願第６１／６６３，６８８号、表題「ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ，ＭｅｔｈｏｄｏｆＭａｋｉｎｇ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｏｆＵｓｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ」（Ｇｒｙｓｋａｅｔａｌ．）に記載される。

導電性多孔性電極は、水蒸気及び／又は少なくとも１つの有機化合物の蒸気に対して多孔性（例えば、ミクロ多孔質及びナノ多孔質）であるいずれかの導電性材料を含み得る。導電性多孔性電極を作成するために使用され得る材料の例としては、有機材料、無機材料、金属、合金、並びにこれらの材料のいずれか又は全てを含む様々な混合物及び複合材料が挙げられる。ある実施形態において、コーティング（例えば、熱蒸気コーティング、スパッタコーティングなど）された金属、若しくは酸化金属、又はこれらの組み合わせが使用され得る。導電性多孔性電極で使用するために好適な材料としては、例えば、金、銀、プラチナ、パラジウム、カーボンナノチューブ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。銀インクでコーティングした多孔性導電性電極に関する詳細は、米国特許出願公開第２０１１／００４５６０１Ａ１号（Ｇｒｙｓｋａｅｔａｌ．）に見出すことができる。蒸着した、蒸気透過性導電性電極に関する詳細はまた、米国仮特許出願第６１／３８８，１４６号（Ｐａｌａｚｚｏｔｔｏｅｔａｌ．）に見出すことができる。

十分な全体導電性及び透過性がもたらされる限り、異なる材料（導電性及び／又は非導電性）の組み合わせが、異なる層又は混合物として使用され得る。導電性多孔性電極は、典型的には、１ナノメートル（ｎｍ）〜５００ｎｍの範囲の厚さを有するが、他の厚さを用いてもよい。例えば、導電性多孔性電極が蒸着させた金を含む実施形態において、導電性多孔性電極は、約４〜９ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有し得る。導電性多孔性電極が銀インクを含む実施形態において、導電性多孔性電極は、約５０〜約４００ｎｍの範囲の厚さを有し得る。

より大きな厚さは、望ましくない低レベルの透過性を有し得る。その一方、より小さな厚さは、導電性が不十分になる、及び／又は第２導電性部材への電気的接続が困難となり得る。導電性多孔性電極は透過性であるため、導電性ベース電極は、典型的には、連続的な中断部のない層を含むが、必要に応じて開口部又は他の中断部を含んでよい。

吸着材料は、微多孔性であり、その内部に少なくとも１つの被分析蒸気を吸収することができる、いずれかの誘電性材料であり得る（例えば、無機又は有機）。これに関連して、用語「微小多孔質の」及び「微小多孔質」は、材料が有意な規模の、内部の相互接続された間隙体積を有し、平均孔径（例えば、吸着等温線手段によって特徴付けられる）は、約１００ナノメートル（ｎｍ）未満、典型的には約１０ｎｍ未満である。このような微多孔質により、分析される蒸気（すなわち、検体）の分子が、材料の内部間隙体積に浸透し、内部の細孔中に定着することが可能となる。内部の孔の中のこのような分析質の存在は、材料の誘電特性を変化させることができ、それによって誘電率（又は他の任意の好適な電気的特性）の変化が観察され得る。

吸着材料の選択は一般的に、分析される蒸気に依存する。例えば、湿度（水蒸気）が判定される場合、例えば、スルホン化フルオロポリマなどの、吸湿性材料を含む吸着材料が、有利に使用され得る。

しかしながら、１つ以上の揮発性有機化合物を分析することが所望される場合、いわゆる固有微多孔性ポリマ（ＰＩＭ）を含む吸着材料が有用であり得る。ＰＩＭは、ポリマ鎖の非効率的な充填のために、ナノメートルスケールの孔を有するポリマ材料である。例えば、ＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２００４年、（２）、ｐｐ．２３０〜２３１、Ｂｕｄｄｅｔａｌ．が、剛性及び／又は歪んだモノマビルディングブロック（すなわち、モノマ単位）間のジベンゾジオキサン結合を含む、一連の本質的に微多孔性である材料を報告している。ポリマのこのファミリーの代表的なメンバーとしては、スキーム１に従って表１に示される成分Ａ（例えば、Ａ１、Ａ２、又はＡ３）と成分Ｂ（例えば、Ｂ１、Ｂ２、又はＢ３）との縮合によって生成されるものが挙げられる。

更に好適な構成成分Ａ及びＢ、並びに得られる本質的にミクロ孔質のポリマは、当該技術分野において既知であり、例えば、Ｂｕｄｄｅｔａｌ．のＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，Ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１９７７〜１９８６の中で、ＭｃＫｅｏｗｎｅｔａｌ．のＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＡＥｕｒｏｐｅａｎＪｏｕｒｎａｌ，２００５，Ｖｏｌ．１１，ｐｐ．２６１０〜２６２０の中で、Ｇｈａｎｅｍｅｔａｌ．のＭａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２００８，ｖｏｌ．４１，ｐｐ．１６４０〜１６４６の中で、Ｇｈａｎｅｍｅｔａｌ．のＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，ｖｏｌ．２０，ｐｐ．２７６６〜２７７１；ｂｙＣａｒｔａｅｔａｌ．ｉｎＯｒｇａｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ，２００８，ｖｏｌ．１０（１３），ｐｐ．２６４１〜２６４３の中で、ＰＣＴ国際特許出願ＷＯ２００５／０１２３９７Ａ２（ＭｃＫｅｏｗｎｅｔ．ａｌ）の中で、及び米国特許出願第２００６／０２４６２７３号（ＭｃＫｅｏｗｎｅｔ．ａｌ）の中で報告されている。

そのようなポリマは、例えば、Ａ１（５，５’，６，６’−テトラヒドロキシ−３，３，３’，３’−テトラメチル−１，１’−スピロビスインダン）などのビス−カテコールが、塩基性条件下で、例えば、Ｂ１（テトラフルオロテレフタロニトリル）などのフッ素化アレーンと反応させられる逐次重合によって、合成することができる。得られるポリマ主鎖の剛直性及び捩れ状態によって、これらのポリマを固体状態で密に充填できず、そのため、少なくとも１０％である自由体積を有し、固有ミクロ孔質である。

ＰＩＭは、他の材料にブレンドされてもよい。例えば、ＰＩＭは、それ自体が吸収性誘電体材料ではない材料とブレンドすることができる。被分析蒸気反応に寄与しないものの、このような材料は他の理由のために有用であり得る。例えば、このような材料は、優れた機械特性などを有する、ＰＩＭ含有層の形成を可能にすることがある。一実施形態において、ＰＩＭは、他の材料と共に一般的な溶媒に溶解して、均質な溶液を形成してもよく、これは、キャスティングされて、ＰＩＭ及び他のポリマの双方を含む吸収性誘導体ブレンド層を形成してもよい。ＰＩＭはまた、吸収性誘電体材料である材料（例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、超架橋ポリマネットワークなど）とブレンドされてもよい。このような材料は、ＰＩＭ材料を含む溶液中に懸濁された不溶性材料を含み得る。このような溶液／懸濁液のコーティング及び乾燥は、ＰＩＭ材料と追加的な吸収性誘導体材料の双方を含む、複合吸収性誘導体層をもたらすことがある。

ＰＩＭは、典型的に、例えば、テトラヒドロフランなどの有機溶媒に可溶性であり、ゆえに、溶液から（例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、又はバーコーティングによって）フィルムとしてキャスティングすることができる。しかし、これらのポリマの溶液から作製されるフィルムの特徴（入手可能な厚さ、光学的透明度、及び／又は外観）が、フィルムのキャスティングに使用される溶媒又は溶媒系に応じて著しく異なる場合がある。例えば、本明細書に記載の蒸気センサで使用するのに望ましい特性を備えたフィルムを作り出すためには、分子量のより高い固有に微多孔性のポリマは、比較的独特な溶媒（例えば、シクロヘキセンオキシド、クロロベンゼン、又はテトラヒドロピラン）からキャスティングされる必要がある場合がある。溶液コーティング法に加えて、検出層は、任意の他の好適な方法によって導電性ベース電極に適用されてよい。

ＰＩＭが堆積される（例えば、コーティングされる）か、ないしは別の方法で吸収性誘電体層を含むように形成された後、材料は、例えば、ビス（ベンゾニトリル）二塩化パラジウム（ＩＩ）などの好適な架橋剤を使用して架橋することができる。このプロセスは、吸収性誘電体層を有機溶媒中で不溶性にするか、及び／又は耐久性、摩擦耐性など特定の物理的特性を向上させことがあり、これは特定の用途において望ましい場合がある。

ＰＩＭは、材料が著しく増大するか、あるいは物理的特性の顕著な変化を示す程度の液体水を吸収することがないように、疎水性であってよい。このような疎水性特性は、水の存在に対する感度が比較的低い有機検体蒸気センサ素子を提供するために有用である。しかしながら、材料は特定の目的のために、比較的極性の部分を含み得る。

あるいは、湿度を検出するために静電容量型センサ要素が使用される実施形態において、検出層は好ましくは親水性である。例えば、検出層は、

を含むモノマ単位を有するコポリマを含んでもよく、ここでＭはＨ（すなわち、水素）、又はアルカリ金属（例えば、リチウム、ナトリウム、又はカリウム）を表す。

このようなコポリマは、例えば、米国特許第７，３４８，０８８号（Ｈａｍｒｏｃｋｅｔａｌ．）に記載される。一実施形態において、共重合体は、次に示す化学理論式

（式中、ｍ及びｎは、正の整数（すなわち、１、２、３など）であり、Ｍは先に定義するとおりである）によって表される部分を有するランダム共重合体であり得る。例えば、ペルフルオロアルキル基、又はペルフルオロアルコキシル基などのその他のペンダント基も含まれていてよい。一般的に、実質的に（例えば、５モル％未満の）他のペンダント基は、共重合体に存在せず、より一般的には、他のペンダント基は存在しない。

共重合体は、テトラフルオロエチレンと、４’−フルオロスルホニル−１’，１’，２’，２’，３’，３’，４’，４’−オクタフルオロブチルオキシ−１，２，２−トリフルオロエチレン（すなわち、ＣＦ_２＝ＣＦＯ（ＣＦ_２）_４ＳＯ_２Ｆ）との共重合、続いて、アルカリ金属スルホン酸塩形態又はスルホン酸形態へのフッ化スルホニルの塩基性加水分解によって、製造することができる。付加的なコモノマは、共重合体のペルフルオロアルキル又はペルフルオロアルキルエーテルペンダント基を提供するように含まれ得る。また、フッ化ビニリデンも単量体として使用され得る。重合は、水性乳化重合を含む、いずれかの適切な方法によって行うことができる。共重合体は、一般的に、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも５００グラム、より一般的には、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも６５０グラム、より一般的には、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも７５０グラムのスルホン酸塩当量（すなわち、１つの−ＳＯ_３Ｍ基を有する共重合体の重量）を有し得る。共重合体は、一般的に、スルホン酸塩等価物当たり１２００グラム未満、より一般的には、スルホン酸塩等価物当たり１１００グラム未満、又は更には、スルホン酸塩等価物当たり１０００グラム以下のスルホン酸塩当量を有する。一部の実施形態において、共重合体は、スルホン酸塩等価物当たり５００〜１０００グラムの範囲のスルホン酸塩当量を有する。

市販されている共重合体の例には、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（ＳａｉｎｔＰａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）から３ＭＰＥＲＦＬＵＯＲＯＳＵＬＦＯＮＩＣＡＣＩＤＩＯＮＯＭＥＲという商品名で入手可能な共重合体が挙げられる。

検出層は、いずれかの適切な方法によって（例えば、導電性電極上に）配置することができる。検出層の溶媒又は水からの流し込み、これに続く加熱乾燥、及び場合によりアニール化は、一般に、有効な方法である。所望により、フルオロスルホニル化コポリマ前駆体共重合体は、上に論じるように、溶媒から流し込み、続いて加水分解してもよい。

ミクロ孔質誘電体材料が有機ケイ酸塩材料である吸収性静電容量センサ素子に関する更なる詳細は、米国特許出願公開第２０１１／０２５４５６８Ａ１号（Ｔｈｏｍａｓｅｔａｌ．）に記載されている。

検出層は、いずれの厚さであってもよいが、一般的に、約１００ナノメートル（ｎｍ）〜１ｍｍの範囲である。より一般的には、検出層は、５００ｎｍ〜１００００ｎｍ、又は更には、７００〜３５００ｎｍの範囲の厚さを有する。

ＰＩＭ及びこれらの操作の原理を含む、静電容量センサ要素の製造に関する更なる詳細は、例えば、米国特許出願公開第２０１１／００４５６０１Ａ１号（Ｇｒｙｓｋａｅｔａｌ．）、及び同第２０１１／００３１９８３Ａ１（Ｄａｖｉｄｅｔａｌ．）、並びに米国特許仮出願第６１／３８８，１４６号、表題「ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ，ＭｅｔｈｏｄｏｆＭａｋｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ，ａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｖｉｃｅＩｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ」（Ｐａｌａｚｚｏｔｔｏｅｔａｌ．）（２０１０年９月３０日出願）に見出すことができる。

スルホン化フルオロポリマを含む静電容量センサ要素の製造、及びこれらの動作の原理は、例えば、２０１１年６月８日に出願された、米国仮特許出願第６１／４９４，５７８号、表題「ＨｕｍｉｄｉｔｙＳｅｎｓｏｒａｎｄＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔＴｈｅｒｅｆｏｒ」（Ｇｒｙｓｋａｅｔａｌ．）、及び２０１２年５月２９日に出願された、米国仮特許出願第６１／６５２，４９６号、表題「ＨｕｍｉｄｉｔｙＳｅｎｓｏｒａｎｄＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔＴｈｅｒｅｆｏｒ」（Ｇｒｙｓｋａｅｔａｌ．）に見出すことができる。

検出層は、例えば、着色剤、残留性有機溶剤、充填剤、及び／又は塑性剤などの、１つ以上の追加的な成分を含んでもよい。

一実施形態では、微多孔性誘電体材料は連続的なマトリックスを備える。このようなマトリックスは、材料の固体部分が連続的に相互接続されているアセンブリ（例えば、コーティング、層など）として定義される（上記の多孔質の存在、又は下記の任意の添加物の存在とは拘わりなく）。すなわち、連続的なマトリックスは、粒子の凝集（例えば、ゼオライト、活性炭、及びカーボンナノチューブ）を含むアセンブリから区別できる。例えば、溶液から堆積される層又はコーティングは、典型的には、連続的なマトリックスを含む（コーティング自体がパターンを有する方法で塗布されるか、及び／又は粒子状の添加物を含むとしても）。粉末の噴霧、分散体（例えば、ラテックス）のコーティング及び乾燥、又はゾル−ゲル混合物のコーティング及び乾燥によって堆積された粒子の集合は、連続的な網状組織を含まないことがある。しかしながら、このようなラテックス、ゾル−ゲルなどの層が、個別の粒子がもはや認識不可能であるか、又は異なる粒子から得られたアセンブリの領域を認識することが不可能であるように固化され得る場合に、このような層は、連続的マトリックスと見なされる。

別の代表的な実施形態において、図５に示されるように、携帯用装置５００は、外側ハウジング５０５を含む。外側ハウジング５０５は、入口ポート５１０、及び蒸気センサカード１２０を受容するようになっている外側スロット５１２アダプタを含む。ハンドル１７２及びばねクリップ１７５を含む取り付け部材１７０が外側ハウジング５０５に固定され、ユーザーが着用する衣服及び／又はアクセサリーへの便利な取り付けをもたらす。

センサホルダ６００は、外側ハウジング５０５内に配置され、導電性部材１８２を介して駆動回路１６０と電気的に導通している。電子ディスプレイ１４０は、外側ハウジング５０５内に配置された駆動回路１６０と通信可能に接続されている。手動により操作可能な制御部１５０は、ユーザーが駆動回路及び電子ディスプレイを制御するのを可能にする。

ここで図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、センサホルダ６００は、入口ポート５１０と下流方向に流体連通する、気体吸入チャンバ６２０（図６Ｂ参照）を含む、内側ハウジング６１０を含む。気体吸入チャンバ６２０は、気体入口６３０及び気体出口６４０を含む。内側スロット６８０は、蒸気センサカード１２０と係合するようになっているセンサカードソケット２６４を保持する。

ここで図６Ｄを参照すると、センサカードソケット２６４と接触する、電気加熱要素２８２は、駆動回路１６０と電気的に導通し、センサカードソケット２６４と熱的に導通している。

図６Ａ及び図６Ｂを再び参照すると、気体入口６３０内に配置されたファン２９０は、入口ポート５１０から内側スロット６８０へと気体を方向付ける。乱流誘発部材３４６は、気体出口６４０に隣接し、気体出口６４０を横切って延びる。

図６Ｂを参照すると、使用中に気体と触れる気体吸入チャンバ６２０の内側表面６２６は、気体流の不均一性（例えば、「デッド」スポット）という問題を緩和するために隣接する壁部の境界が丸くなっている。これは多数の構成部材から内側ハウジング６１０を組み立てるための、製造上の観点から便利であり得るが、一体部品としてこれを製造することも可能である（例えば、成形、又は高速プロトタイピングにより）。この構成において、外側ハウジングは、気体混合吸入チャンバとして機能し、ファンから出る流れが、センサ要素を通過する前に再分配されるようにする。

本開示の選択された実施形態
第１実施形態では、本開示は携帯用装置を提示し、これは、
入口ポート、及び蒸気センサカードを受容するようになっている外側スロットを含む外側ハウジングと、
外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置された駆動回路と、
外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置されたセンサホルダと、を含み、センサホルダは、
内側ハウジングであって、
入口ポートと下流方向に流体連通している気体吸入チャンバであって、気体吸入チャンバは気体入口及び気体出口を有する、気体吸入チャンバ、並びに、
蒸気センサカードと係合するようになっているセンサカードソケットを保持し、気体吸入チャンバを通じて気体入口と流体連通している、内側スロットを含む、内側ハウジングと、
駆動回路と電気的に導通し、センサカードソケットと熱的に導通している、電気加熱要素と、
入口ポートからの気体を気体出口へと方向付けるように配置されたファンと、
気体出口の少なくとも一部と隣接し、気体出口の少なくとも一部を横切って延びる乱流誘発部材と、を含む。

第２実施形態において、本開示は、第１実施形態による携帯用装置を提示し、センサカードソケットは蒸気センサカードと係合し、蒸気センサカードは、
相対する第１主要表面及び第２主要表面を有するセンサハウジングと、センサハウジング内に部分的に配置される静電容量センサ要素であり、静電容量センサ要素及びセンサハウジングが共にハウジングの第１主要表面に沿って長手方向チャネルを画定し、静電容量センサ要素は、
支持部材上に配置された導電性ベース電極、
長手方向チャネルの底面の一部を含み、蒸気センサカードの外側表面の少なくとも一部を含む導電性多孔性電極、及び
導電性ベース電極と導電性多孔性電極との間に配置された吸着材料を含む誘電性検出層を含む、静電容量センサ要素と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第１導電性経路と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第２導電性経路とを含み、
静電容量センサ要素は、気体入口と下流方向に流体連通している。

第３実施形態において、本開示は、導電性ベース電極及び導電性多孔性電極が金属層を含む、第２実施形態に記載の携帯用装置を提示する。

第４実施形態において、本開示は、導電性多孔性電極が多孔性金電極を含む、第２又は第３実施形態に記載の携帯用装置を提示する。

第５実施形態において、本開示は、吸着材料がスルホン化フルオロポリマを含む、第２〜第４実施形態のいずれか１つに記載の携帯用装置を提示する。

第６実施形態において、本開示は、吸着材料が、剛性の、捩れている、又は剛性でかつ捩れているモノマ単位の間のジベンゾジオキサン結合を含む、固有微多孔性ポリマを含む、第２〜第４実施形態のいずれか１つに記載の、携帯用装置を提示する。

第７実施形態において、本開示は更に、駆動回路と通信可能に接続された電子ディスプレイを含む、第１〜第６実施形態のいずれか１つに記載の携帯用装置を提示する。

第８実施形態において、本開示は、駆動回路を制御するために少なくとも１つの手動で操作可能な制御部を更に含む、第１〜第７実施形態のいずれか１つに記載の携帯用装置を提示する。

第９実施形態において、本開示は、ファンが気体入口内に少なくとも部分的に配置される、第１〜第８実施形態のいずれか１つの記載の携帯用装置を提示する。

第１０実施形態において、本開示は、外側ハウジングに固定された取り付け部材を更に含む、第１〜第９実施形態の１つの記載の携帯用装置を提示する。

第１１実施形態において、本開示は、内側ハウジングが、
気体入口を含む第１内側ハウジング部材、及び
気体出口を含む第２内側ハウジング部材を含み、第２内側ハウジング部材が第１内側ハウジング部材と係合して気体吸入チャンバを形成する、第１〜第１０実施形態のいずれか１つに記載の携帯用装置を提示する。

第１２実施形態において、本開示は、
相対する第１主要表面及び第２主要表面を有するセンサハウジングであり、静電容量センサ要素は第１主要表面に当接する長手方向チャネルを有し、長手方向チャネルは底面を有する、センサハウジングと、
底面の少なくとも一部を形成する静電容量センサ要素であって、静電容量センサ要素は、
支持部材上に配置された導電性ベース電極、
長手方向チャネルの底面の一部を含み、蒸気センサカードの外側表面の少なくとも一部を含む導電性多孔性電極、及び
導電性ベース電極と導電性多孔性電極との間に配置された吸着材料を含む誘電性検出層を含む、静電容量センサ要素と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第１導電性経路と、
導電性ベース電極と電気的に導通し、センサハウジングの外側に延びる第２導電性経路とを含む、蒸気センサカードを提示する。

第１３実施形態において、本開示はセンサハウジングが上方ハウジング部材及び下方ハウジング部材を含む、第１２実施形態に記載の蒸気センサを提示する。

当業者であれば、より詳細に付属の「特許請求の範囲」に記載される本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく本開示に対する他の改変及び変更を行うことが可能である。異なる実施形態の態様を異なる実施形態の他の態様と部分的若しくは全体的に互換すること又は組み合わせることが可能である点は理解されるであろう。特許証のための上記の出願において引用された、参照文献、特許、又は特許出願はいずれも一貫性を有するようにそれらの全容を本明細書に援用する。これらの援用文献の一部と本明細書との間に不一致又は矛盾がある場合、上記の説明文における情報が優先するものとする。特許請求される開示内容を当業者が実行することを可能ならしめるために示される上記の説明文は、「特許請求の範囲」及びその全ての均等物によって規定される本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims

入口ポート、及び蒸気センサカードを受容するようになっている外側スロットを含む外側ハウジングと、
前記外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置された駆動回路と、
前記外側ハウジング内に少なくとも部分的に配置されたセンサホルダと、を含み、前記センサホルダは、
内側ハウジングであって、
前記入口ポートの下流と流体連通し、気体入口及び気体出口を有する気体吸入チャンバ、並びに、
前記蒸気センサカードと係合するようになっているセンサカードソケットを保持し、前記気体吸入チャンバを通じて前記気体入口と流体連通している内側スロットを含む、内側ハウジングと、
前記駆動回路と電気的に導通し、前記センサカードソケットと熱的に導通している、電気加熱要素と、
前記入口ポートからの気体を前記気体出口へと方向付けるように配置されたファンと、
前記気体出口の少なくとも一部と隣接し、前記気体出口の少なくとも一部を横切って延びる乱流誘発部材と、を含む携帯用装置であって、
前記センサカードソケットは、蒸気センサカードと係合し、前記蒸気センサカードは、
相対する第１主要表面及び第２主要表面を有するセンサハウジングと、
前記センサハウジング内に部分的に配置された静電容量センサ要素であり、前記静電容量センサ要素及び前記センサハウジングが共に前記センサハウジングの前記第１主要表面に沿って長手方向チャネルを画定し、前記静電容量センサ要素は、
支持部材上に配置された導電性ベース電極、
前記長手方向チャネルの底面の一部を含み前記蒸気センサカードの外側表面の少なくとも一部を含む導電性多孔性電極、及び、
前記導電性ベース電極と前記導電性多孔性電極との間に配置された吸着材料を含む誘電体検出層を含む、静電容量センサ要素と、
前記導電性ベース電極と電気的に導通し、前記センサハウジングの外側に延びる第１導電性経路と、
前記導電性多孔性電極と電気的に導通し、前記センサハウジングの外側に延びる第２導電性経路と、を含み、
前記静電容量センサ要素は、前記気体入口の下流と流体連通している、携帯用装置。
蒸気センサカードであって、
相対する第１主要表面及び第２主要表面を有するセンサハウジングであり、上方ハウジング部材および下方ハウジング部材を含む、センサハウジングと、
前記上方ハウジング部材と前記下方ハウジング部材の間に配置された静電容量センサ要素であり、前記静電容量センサ要素は前記第１主要表面に当接する長手方向チャネルを有し、前記長手方向チャネルは底面を有し、前記静電容量センサ要素は前記底面の少なくとも一部を形成し、前記静電容量センサ要素は、
支持部材上に配置された導電性ベース電極、
前記長手方向チャネルの底面の一部を含み前記蒸気センサカードの外側表面の少なくとも一部を含む、導電性多孔性電極、及び、
前記導電性ベース電極と前記導電性多孔性電極との間に配置された吸着材料を含む誘電体検出層を含む静電容量センサ要素と、
前記導電性ベース電極と電気的に導通し、前記センサハウジングの外側に延びる第１導電性経路と、
前記導電性多孔性電極と電気的に導通し、前記センサハウジングの外側に延びる第２導電性経路と、を含む、蒸気センサカード。