JP6702638B2 - ガスを検出するための統合感知デバイス - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、本願の譲受人であるＪｅｒｏｍｅ Ｃｈａｎｄｒａ ＢｈａｔおよびＲｉｃｈａｒｄ Ｉａｎ Ｏｌｓｅｎによって２０１６年５月１９日に出願された、米国仮特許出願第６２／３３８，９００号に基づいており、それに対する優先権を主張するものであり、これは、参照により本明細書中に援用される。

本発明は、ガス等の低密度材料の感知および識別に関し、特に、感知回路と併せた電気化学電池による低密度材料の感知および識別に関する。

工業化および自然発生源によって促進される地球大気の劇的な変化、および劇的に増加する世帯数および都市汚染源を前提として、正確かつ継続的な大気質監視が、源を識別することと、消費者に差し迫る危険を警告することとの両方のために、必要になっている。リアルタイムな監視および暴露評価と同様に、最も広い範囲のプラットフォームおよび用途の中に統合され得る、低コスト、小型形状因子、および低電力デバイスを送達するための能力も不可欠である。

ガス等の明確に異なる低密度材料を感知する複数の方法が、存在する。一般的な方法は、非分散赤外線分光法（ＮＤＩＲ）と、金属酸化物センサの使用と、ケミレジスタの使用と、電気化学センサの使用とを含む。本発明は、電気化学センサに関する。電気化学センサの動作原理は、周知であり、以下の概要、すなわち、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｐｅｃ−ｓｅｎｓｏｒｓ．ｃｏｍ／ｗｐ−ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｐｌｏａｄｓ／２０１６／０５／ＳＰＥＣ−Ｓｅｎｓｏｒ−Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ−Ｏｖｅｒｖｉｅｗ．ｐｄｆに要約され、これは、参照することによって本明細書中に援用される。

基本的に、電気化学センサにおいて、センサ電極（また、作用電極としても知られている）は、好適な電解質に接触する。センサ電極は、典型的には、標的ガスおよび電解質と反応し、電極が適切にバイアスされるとき、および適切な対電極と併用されるとき、電解質内に特性電流を作成する電子を解放または受容する触媒金属を含む。電流は、概して、センサ電極に接触する標的ガスの量に比例する。センサ電極材料および検出されるべき特定のガスに標的されたバイアスの使用と、電流の感知とによって、雰囲気内の標的ガスの濃度が、判定されることができる。

従来の電気化学センサに対する１つの欠点は、そのサイズ（例えば、電解質の体積および電極のサイズ）が相対的に大きく、そのため、標的ガスに曝されたとき、安定化するために長い時間がかかることである。さらに、ガスに応答する電流の変化が小さいため、信号対雑音比が小さく、かつセンサの外部にある処理回路につながる金属トレースに起因する喪失およびＲＦ結合が、存在し、信号対雑音比をさらに低減させる。加えて、電気化学電池本体は、典型的には、１５０℃を上回る温度に耐えることができないポリマーであり、電解質は、約１００℃を上回る温度に耐えることができない水性酸を含む。これは、電気接点が（典型的には、１８０〜２６０℃で）はんだをリフローすることによってプリント回路基板にはんだ付けされることを妨げ、銀含有エポキシまたは異方導電性フィルムまたはペースト（典型的には、１２０〜１５０℃で硬化される）等のいくつかの熱硬化導電接着剤の使用を妨げる。

故に、必要とされるものは、従来センサの欠点を有していないガス用電気化学センサである。

以下は、種々の大気の存在下で具体的なガスを選択的に識別すること、小型形状因子、および低電力の基本的要件を達成する、電気化学センサアーキテクチャを概説する。それによってネットワークセンサが継続的に較正される方法が、さらに概説される。

本発明の１つの実施形態には、４つの基本的な新規の要素が、存在する。第１の要素は、種々の機能構成要素がその中およびその上に取り付けられる機械的プラットフォームを含む、構造的構成要素である。構造は、限定ではないが、フィルタ、格納構造物、電極、液体格納、固形物格納、電気的相互接続部、半導体ダイ、およびはんだボールまたは金（または他の金属）のスタッドバンプ等の取付構造を含み得る、構成要素の複数の層を可能にする機械的モジュールを形成する。ともに接合されたセラミックと金属との層は、機械的トポロジと電子的サブシステムおよび電気化学的サブシステムの両方のための電気的相互接続部との両方を形成する。付加的な非セラミック層もまた、セラミック基部上に置かれ、ガスフィルタ、水抵抗、および熱的撮像に対して機能性を追加することができる。システム内の他の構成要素への接続もまた、例えば、構造の底部、側面、または上面に適用される相互接続方法論を介して、機械的プラットフォームの中に統合される。

電気化学センサの本体は、アルミナ等のセラミックであるため、はんだ流動温度（例えば、２６０℃）を超過した温度に耐えることができる。さらに、電極および非水性電解質もまた、はんだリフロー温度に耐えることができる。加えて、センサの占有面積は、約２ｍｍの高さを伴う４ｍｍ×４ｍｍと同じ程度に小さくあってもよい。したがって、電解質の体積および電極のサイズは、非常に小さい。これは、センサが、１秒未満等、標的ガスに曝されたとき、非常に急速な反応および安定化時間をもたらす。

第２の要素は、電気化学的（ＥＣ）電池である。ＥＣ電池は、電極、触媒、および電解質の具体的な組み合わせから機能的に構成される。電極は、具体的な構成内の構造的プラットフォームの蓋の上に設置され、触媒および反応物質ガスの存在下、電流流動を可能にする。蓋は、１つ以上の開口を有し、ガスが触媒と相互反応することを可能にする。代替として、１つ以上の開口が、基部の中に組み込まれてもよい。１つ以上のＥＣ電池が、単一の構造的プラットフォーム内で支持されてもよい。したがって、複数のガス検出が、複数の電池を通して、または電子的サブシステムによって制御される電極バイアスの修正を通してのいずれかによって適応されることができる。電極は、次いで、相互反応の信号特性を増幅させ、次いで、それを信号のデジタル表現に転換するアナログおよびデジタルサブシステムに相互接続される。ＥＣ電池に不可欠なのは、例えば、揮発性有機化合物ガスが電池に進入することを排除し得る具体的な随意のフィルタ材料である。同様に、疎水性フィルタもまた、さらなる実施例として、水が電池に進入することを排除することができる。

非常に小体積の電解質および小型の電極を提供することによって、センサを異なる標的ガスに適合させるためのバイアス電圧内の変化が、センサの特性内の急速な変化をもたらす。したがって、広範囲のガスが、短時間内に検出され得る。いくつかの用途では、呼気検査のため等、急速な反応時間が必要であり得る。

第３の要素は、ＥＣ電池の出力信号およびセンサモジュールの外側の他のシステム構成要素とのインターフェースの電子的処理である。上記に述べられるように、電極上に誘発される信号は、増幅および雑音低減回路を通過し、これは、次いで、アナログ信号から信号レベルのデジタル表現に転換される。未加工デジタル信号は、ここで、電子的サブシステム（ＥＳ）のメモリ内に記憶されることができ、かつＩ２Ｃ等の標準的インターフェースを通して送信され得るか、またはモジュール内で局所的に処理され得るかのいずれかである。電極バイアスの制御もまた、ＥＳによって自動的に、またはシステムインターフェースを通して外的に、または要求される場合、別個の入力信号によって制御されることができる。例えば、割込信号を介した閾値予示または較正周期もまた、ＥＳによって管理され実施されることができる。

好ましい実施形態では、処理回路は、センサの底部に添着されるチップである。したがって、電極から電流検出回路につながる小さいトレースに起因する喪失およびＲＦ結合は、非常に小さい。さらに、チップ内の温度センサは、それがセンサに直接的に取り付けられるため、センサの温度を正確に測定する。加えて、センサおよび処理回路は、約４ｍｍ×４ｍｍの占有面積を伴う単一モジュールを形成するため、ハンドヘルドデバイス内に容易に提供されることができる。

これらの３つの要素が、機能的ブロックの全てを形成し、具体的なガスの存在および濃縮物を検出し、変換し、そして報告する。追加される機能性は、限定ではないが、温度センサ（接触型および非接触型の両方）、空気圧センサ（接触型および非接触型の両方）、および湿度センサ等の追加されるセンサの形態内の構造的構成要素に容易に追加されることができる。追加される機能性はまた、付加的回路を通してＥＳに提供され、付加的機能の並行または連続的な読取を処理することができる。

本実施形態の第４の要素は、センサの継続的な較正を可能にするための固定または移動場所を把握するための複数のセンサのネットワークを含む。このスキームでは、２つ以上のセンサの地理的場所およびセンサが環境をサンプリングする時間の知識を有するそれらのセンサのネットワーク化は、比較されるべき２つ以上のセンサの読取と、あまり最近に較正されていないかまたはより悪化して較正されたセンサがそれに近接する他のセンサからのデータに基づいて再較正されることとを可能にする。センサモジュール内の処理回路のデジタル出力は、ＲＦまたはインターネットによってセンサのネットワークの出力を監視するための遠隔の中央ネットワークに伝送されてもよい。センサはまた、遠隔制御され、広範囲の異なる着目ガスを検出してもよい。散乱センサからの検出値は、ネットワークによって処理され、特定のガス源を判定し、かつガスの環境条件の効果を検出してもよい。

センサモジュールの使用は、大気質（例えば、一酸化炭素）の検出、ガス暴露制御、有毒ガス検出、呼気分析、産業プロセス内のフィードバック等を含む。

他の実施形態および利点もまた、説明される。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
電気化学的ガス感知要素であって、
部分的に封入される空洞を含むパッケージ本体と、
上記空洞内に含まれる電解質と、
上記部分的に封入される空洞の内側上の複数の電極であって、上記電極は、上記電解質と接触している、複数の電極と、
ガスが上記電極の少なくとも１つに接触することを可能にするための、上記パッケージ本体におけるガス開口部と、
上記電極から上記空洞の外側につながる電気的相互接続部と、
電力を受信するための、および、検出されるガスに関連する情報を出力するための、上記パッケージ本体の外部表面上の複数の電気接点と
を含み、上記パッケージ、電解質、および電極は、１８０℃を上回る処理温度に耐える材料から形成される、ガス感知要素。
（項目２）
上記パッケージ本体は、セラミック材料を含む、項目１に記載のガス感知要素。
（項目３）
上記電解質は、最高２６０℃の処理温度に対して物理的および化学的に安定性である、項目１に記載のガス感知要素。
（項目４）
上記電解質は、双性イオン性材料を含む、項目１に記載のガス感知要素。
（項目５）
上記電解質は、酸が注入されたポリマーを含む、項目１に記載のガス感知要素。
（項目６）
上記電解質は、最高２６０℃の処理温度に対して物理的および化学的に安定性である、項目１に記載のガス感知要素。
（項目７）
上記電気的相互接続部は、上記パッケージ本体の外側に沿って形成される、項目１に記載のガス感知要素。
（項目８）
上記電気的相互接続部の一部は、電磁気干渉から遮蔽される、項目１に記載のガス感知要素。
（項目９）
上記パッケージ本体に添着されるセンサ回路であって、上記センサ回路は、第１の電極に衝突するガスの濃度に対応する少なくとも上記第１の電極を通る電流を検出し、上記センサ回路は、上記電流を処理し、デジタルデータを上記複数の電気接点に出力するように構成される、センサ回路
をさらに含む、項目１に記載のガス感知要素。
（項目１０）
上記センサ回路は、上記ガス感知要素によって検出されたガスに関連する上記デジタルデータを生成するために、アナログ／デジタルコンバータと、プロセッサとを含む、項目９に記載のガス感知要素。
（項目１１）
上記センサ回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む、項目１０に記載のガス感知要素。
（項目１２）
上記センサ回路は、上記ガス感知要素の温度を検出する温度センサをさらに含む、項目９に記載のガス感知要素。
（項目１３）
上記センサ回路は、湿度センサをさらに含む、項目９に記載のガス感知要素。
（項目１４）
上記センサ回路は、空気圧センサをさらに含む、項目９に記載のガス感知要素。
（項目１５）
上記電気接点は、基板上のはんだパッドに電気的に接触するためにリフローされるように構成されるはんだボールを含む、項目１に記載のガス感知要素。
（項目１６）
上記ガス感知要素は、５ｍｍ×５ｍｍを下回る占有面積を有する、項目１に記載のガス感知要素。
（項目１７）
離間された電気化学的ガスセンサのネットワークを使用してガスを感知する方法であって、
第１のガスセンサを較正するステップと、
標的ガスを検出する間、１つ以上の他のセンサを第１のセンサに近接するように移動させるステップと、
上記第１のセンサおよび上記１つ以上の他のセンサからの出力データを比較するステップと、
上記第１のセンサの出力データに基づいて上記１つ以上の他のセンサを較正するステップと
を含む、方法。
（項目１８）
上記第１のガスセンサを較正するステップは、上記第１のガスセンサによって検出されている１つ以上のガスの濃度に対して、上記第１のガスセンサによって生成される１つ以上の電気化学的電流の大きさを較正するステップを含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
１つ以上の環境因子を測定し、上記ガスセンサのネットワークからの上記出力データに対するそれらの影響を考慮するステップをさらに含む、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
上記１つ以上の環境因子は、温度、湿度、圧力、場所、周囲照明、時刻、および季節のうちの１つ以上のものを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
特定の場所および特定の時間における、上記較正された第１のガスセンサの出力データと、上記特定の場所に近接する場所および略上記特定の時間における、１つ以上の較正されていない第２のガスセンサの出力データとの比較に基づいて、上記ガスセンサの任意の１つと、上記ガスセンサの他の１つとを相互較正し、上記第２のガスセンサを、上記第１のガスセンサの出力データと同様の出力データに較正するステップをさらに含む、項目１７に記載の方法。
（項目２２）
検出されたガスの全体的な局所的大気条件の効果を推測する方法であって、
第１の場所において、第１のガスセンサによって１つ以上のガスを感知し、感知された１つ以上のガスに対応する上記第１のガスセンサからのデータを出力するステップと、
付加的な局所的センサからの付加的な局所的環境データを確認するステップと、
上記感知された１つ以上のガスと上記局所的環境データとの間の既知の相関を適用し、全体的な局所的大気条件を判定するステップと
を含む、方法。

図１は、空洞パッケージと、電極と、電解質と、感知回路と、電気的相互接続部とを含む、本発明の一実施形態によるセンサモジュールの実施形態の横断面図である。 図２は、一時的な保護被覆が開口部上に設置され、処理の間に電極を有毒成分の作用から保護する、図１のセンサモジュールを図示する。 図３は、図１のものと同様のセンサモジュールの分解斜視図である。 図４は、電極をバイアスし、かつ電流流動を検出するために使用され得る、多くの異なるタイプの回路のうちの１つを図示する。 図５は、相互接続センサのネットワークの地理的表現である。 図６は、ネットワーク内の全てのセンサを正確に較正するための技術のフローチャートである。 図７は、センサネットワークによって感知されたガスに及ぼす、温度および湿度等の環境因子の影響を査定するための技術のフローチャートである。

種々の図において同一または均等である要素は、同一の数字を用いて標識される。

図１は、電気化学センサモジュール２９０の最良モードの実施形態を図示する。電気化学センサモジュール２９０は、空洞を含む本体３００と、蓋３０１とを含む。２つ以上の電極３０２／３０３が、本体３００または蓋３０１の中に取り付けまたは統合される。電解質３０４は、本体３００の空洞の中に分注され、電極３０２／３０３と接触する。特定の実施形態では、電解質３０４は、電極３０２／３０３と統合されてもよい。

完全または部分的開口部３０６は、本体３００または蓋３０１のいずれか一方の中に存在し、ガスまたは大気の拡散が作用電極（ＷＥ）３０２に感知されることを可能にする。特定の実施形態では、開口部３０６は、ガスが電極３０２に拡散することを可能にすることができるが、液体またはペースト様の電解質が空洞から退出することをブロックすることができる、随意に多孔性の材料で部分的または完全に充填される。

対電極（ＣＥ）３０３が、システム内に提供され、電気化学的反応が生じることを可能にする。第３の基準電極（ＲＥ）が、随意に含まれてもよく、それに対し、ＷＥ３０２およびＣＥ３０３の電位が測定され得る。基準電極（ＲＥ）３２２は、図３に示される。

電気化学電池は、多種のガスに敏感である。故に、いくつかの実施形態では、フィルタ材料３０７が、開口部３０６の上の電気化学電池の外側に設置され、特定のガスのＷＥ３０２への通過を阻止し、それによって、特定のガス間における電池の交差感受性を低減させる。フィルタ材料３０７は、炭素またはゼオライト等の多孔性の材料を含んでもよい。特定の実施形態では、フィルタ材料３０７は、化学的に官能化されてもよい。

本体３００および蓋３０１は、電解質３０４に不活性な材料を含む。本体３００および蓋３０１はさらに、統合された導電性トレース３０８を用いて、ＷＥ３０２と、ＣＥ３０３と、随意のＲＥと、電気化学電池の外側との間での絶縁電気信号（電流および電位）の移送を可能にする。好ましい実施形態では、これらのトレース３０８は、トレース３０８による漂遊電磁放射の採取を最小限にさせるように電磁気的に遮蔽される。遮蔽は、接地金属封入物を用いたトレース３０８の囲繞によるものであってもよい。

好ましい実施形態では、本体３００は、パッケージ本体３００を通したまたはその周囲における電気信号の通過を可能にする、タングステン、白金、または任意の他の適切な導電材料等の金属トレース３０８と共焼成された、アルミナ、アルミニウムニトリド、またはガラスセラミック等のセラミックを含む。導電トレース３０８がパッケージの内部または外部に出現する任意の点において、それらは、多量のニッケルおよび金等の付加的金属でさらに鍍着されてもよい。

電極３０２／３０３／３２２は、炭素等の導電材料と、ルテニウム、銅、金、銀、白金、鉄、ルテニウム、ニッケル、パラジウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、オスミウム、バナジウム、または任意の他の好適な遷移金属等の触媒とを含む。触媒は、優先的に１つ以上の特定のガスを感知するように選択されてもよい。電極３０２／３０３／３２２は、電気化学的反応が、電極３０２／３０３／３２２の本体内で生じ得るように、電解質３０４および検出されるべきガスの両方に部分的に浸透性であってもよい。電極３０２／３０３／３２２は、はんだリフローのため等の組立の間の昇温状態において電気化学電池が処理されることを可能にするために、優先的に、１６０℃またはそれ以上の温度を上回る温度、好ましくは、２６０℃を上回る温度で長時間にわたって物理的および化学的の両方で安定性である。

電極３０２／３０３／３２２は、電解質３０４に対して化学的抵抗を有する導電接着剤３０９を介してパッケージトレース３０８に取り付けられてもよい。好ましい実施形態では、接着剤３０９内のいかなる導電要素も、パッケージ内の通常動作条件下で生じるいかなる電気化学的反応にも関与しないであろう。そのような導電要素は、炭素、非常に導電性である半導体、または非触媒金属を含んでもよい。別の好ましい実施形態では、導電要素は、電極３０２／３０３の中に組み込まれた触媒等と同一金属を含む。このように、電極３０２／３０３および接着剤３０９の表面において生じる電気化学的反応は、同一の電気化学ポテンシャルにおいて生じる。代替実施形態では、電極３０２／３０３／３２２は、付加的な接着剤なく、空洞パッケージの蓋３０１または本体３００上に直接的に堆積されてもよい。

電解質３０４は、酸等のイオン材料を含む。好ましい実施形態では、電解質３０４は、１６０℃を上回る温度、より好ましくは、２６０℃を上回る温度まで、長時間にわたって物理的および化学的の両方で安定性である。これは、電気化学電池が組立の間に昇温状態において処理されることを可能にし、かつセンサモジュール底部接点が、はんだリフローによって基板パッドにはんだ付けされることを可能にする。イオン性であることかつ高温において化学的／物理的に安定性であることの両方である電解質材料の１つのクラスは、双性イオン性材料を含む。好ましい実施形態は、電解質３０４として双性イオン性材料を使用する。双性イオン性材料は、正および負の電荷の両方を伴う中性材料である。電解質３０４は、ゲル等のように粘着性であってもよい。第２の好ましい実施形態は、有機酸または無機酸を注入されたポリマーを含む。この場合、ポリマーは、１６０℃を上回る温度、より好ましくは、２６０℃を上回る温度まで、長時間にわたって、注入された酸を安定化させるために作用し得る。

好ましい実施形態では、パッケージの蓋３０１および本体３００は、シール３１１を用いてともにシールされる。シール３１１は、エポキシ、シリコーン、またはアクリル等の、電解質に対して化学的抵抗を有する有機接着剤を含んでもよい。シール３１１は、代替として、フリットガラス等の無機材料を含んでもよい。加えて、電極３０２／３０３／３２２のうちの１つ以上のものが蓋３０１に接続される場合、蓋３０１の中のトレース３０８と本体３００の中のトレース３０８との間の電気接続が、電気的相互接続部３１０を用いて成され得る。これらの電気的相互接続部３１０は、はんだ等の金属と、銀含有エポキシ、金含有エポキシ、炭素含有エポキシ等の導電接着剤、または任意の他の適切な電気接点を含んでもよい。

パッケージ内の電気トレース３０８は、電極３０２／３０３／３２２とアナログまたは混合信号感知回路３１２との間の電気接続を可能にする。感知回路３１２は、ＡＳＩＣおよびマイクロプロセッサ等の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または複数のＩＣを含んでもよい。感知回路３１２は、ＣＥ３０３と、ＷＥ３０２と、随意のＲＥ３２２との間に電位を印加することと、ＷＥ３０２と、ＣＥ３０３と、随意のＲＥ３２２との間を通る電流を感知することと、感知信号に関して報告することとが可能である。その最も単純な形態では、感知回路３１２は、電気化学的電池の機能を可能にするためのポテンショスタットと、電極間を通る電流を測定するための１つ以上の相互インピーダンス増幅器と、電極間に電位を印加するための可変型バイアス電圧源とを含む。好ましい実施形態では、感知回路３１２は、電気化学電池が接続されるアナログフロントエンド（ＡＦＥ）と、電極間で感知される信号をデジタル表現に変換することが可能であるアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、電極間の電気化学的ポテンシャルがデジタル表現からそれによって設定され得るデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）と、デジタル制御回路と、レジスタと、Ｉ２Ｃインターフェース、ＳＰＩインターフェース、またはＭＩＰＩインターフェース等の通信インターフェースとを含む。随意に、感知回路３１２はまた、例えば、較正されたガス濃度を報告することを可能にする、アルゴリズムが記憶されかつ実行されるマイクロプロセッサを含んでもよい。代替として、マイクロプロセッサは、第２の個別構成要素の形態でパッケージ上に統合されてもよい。

感知回路３１２は、一体化温度センサ、一体化湿度センサ、および一体化空気圧センサのうちの１つ以上のものをさらに含んでもよい。代替として、感知回路３１２は、外部構成要素を介して湿度、温度、および圧力を感知するために要求されるＡＦＥのみを含んでもよい。そのようなアナログ回路を組み込むいかなる感知回路３１２も、加えて、拡張されたＡＦＥとともに動作させるために要求されるＡＤＣ、ＤＡＣ、およびデジタル回路、または、ＡＤＣおよびＤＡＣが複数の感知要素に選択的に接続することを可能にする多重回路を含むであろう。

好ましい実施形態では、感知回路３１２は、はんだ、銀、または金等の金属相互接続３１３を介して、フリップチップ構成において、電気化学電池のトレース３０８に直接的に接合される。そのようなスキームでは、誘電性アンダーフィル３１４が、随意に、感知回路３１２と電池の本体３００との間に分注されてもよい。感知回路３１２は、代替として、異方導電性ペースト（ＡＣＰ）または異方導電性フィルム（ＡＣＦ）を介して電池のトレース３０８に取り付けられてもよい。感知回路３１２は、代替として、ダイ取付エポキシを介して電池の本体３００に物理的に取り付けられてもよい。電池上のトレース３０８への電気接続が、次いで、ワイヤ接合によって実施されてもよい。感知回路３１２およびワイヤ接合は、次いで、エポキシまたはシリコーンのオーバーモールドまたはダムアンドフィルプロセスによって保護されてもよい。

付加的なトレースが、電気化学電池の中に統合され、ＡＣＦ、ＡＣＰ、ばねクリップ、コネクタ接点、はんだ、または任意の他の適切な電気的相互接続スキームを用いて適用基板（例えば、プリント回路基板）から感知回路３１２への電気的相互接続を可能にする。好ましい実施形態では、これらのトレースは、はんだボール３１５内で終端され、構成要素のリフローを適用基板のはんだパット上に指向させることを可能にする。

はんだボール３１５の適用基板３２１（図２）上のはんだパッドへのリフローまたは電気化学電池の適用基板３２１への他の取付処理の間、化学煙霧が、処理の間に放出され得る。これらの煙霧は、電極３０２／３０３／３２２の表面上に吸着し得、それによって、電極の汚染をもたらし、さらに電気化学電池の感度低下または較正の乱れをもたらす。この効果に対抗するように、電極３０２／３０３／３２２からのそのような煙霧またはそれらの副産物の脱離を可能にするための処理の後、１つの具体例においては駆動電流が回路３１２によって電池に印加され、それによって、電池をその元の状態またはそれに近い状態にする。代替として、図２に示されるように、一時的な保護カバー３２０が、最初に電極３０２／３０３／３２２へのそのような煙霧の通過を阻止するための処理に先行して、電気化学電池２９０の開口部３０６上に取り付けられてもよく、該カバー３２０は、処理の後、除去されてもよい。このスキームでは、任意の随意のフィルタ３０７（図１）が、適用基板３２１の取付の後に適用されてもよい。

図３は、フィルタ３０７と、（ガス開口部を伴う）蓋３０１と、作用電極３０２と、対電極３０３と、基準電極３２２と、電解質３０４（ゲルであってもよい）と、セラミック本体３００と、センサ回路３１２と、プリント回路基板（ＰＣＢ）への取付のためのはんだボール３１５とを示す、センサモジュール２９０の分解図である。はんだボール３１５は、センサ回路３１２からＰＣＢへの導線を電気的に接続し、電力端子と、制御端子と、出力端子とを含む。センサ回路３１２からの出力データは、デジタルであってもよく、ガス検出（電極を通した電流に基づく）および温度、湿度、空気圧等に関連するデータを含んでもよい。ＰＣＢは、散乱センサモジュールのネットワークを制御する遠隔の中央プロセッサにデータを伝達するための通信構成要素を含んでもよい。

１つの実施形態では、センサモジュール２９０のサイズは、約４ｍｍ×４ｍｍ×１．８ｍｍ（高さ）である。センサの小さいサイズは、ガスへの迅速な応答を含む、多くの利点をもたらす。これは、センサが、個人の呼気内のガスがアルコール消費または他の身体的特徴に対応していることを示す呼気分析計として使用されることを可能にする。

センサモジュール２９０の種々の利点は、以下を含む。
低揮発性電解質（「対大気条件安定性」）であって、以下をもたらす
・寿命にわたる水分の限定された蒸発または吸収であって、以下をもたらす
・所与の製品寿命時間および動作条件のセットにわたって要求されるより小さい電解質リザーバであって、以下をもたらす
・低減された製品占有面積。
・動作のために電解質（特に、双性イオン性電解質の場合）内に必要とされているＰＰＭレベルの水組成（または水組成なし）であって、以下をもたらす
・所与の製品寿命時間および動作条件のセットにわたって要求されている、より小さい電解質リザーバであって、以下をもたらす
・低減された製品占有面積。
・電解質が昇温状態において処理されるための能力であって、以下をもたらす
・標準的な大量半導体組立プロセスを利用する能力であって、以下をもたらす
・コスト低減（カスタムプロセスは要求されない）。
・構成要素のＰＣＢ上への標準はんだリフロー組立を介した組立等、ＯＥＭカスタマの使い易さおよびコスト低減。
小サイズ化センサであって、以下をもたらす
・携帯電話および家庭用電気機械器具形状因子の中への組み込みの実行可能性であって、以下をもたらす
・大型市場の可能化であって、以下をもたらす
・コスト低減をもたらす製造規模
・既存の携帯電話インフラ構造（プロセスまたはＩ／Ｏ等）を利用する能力であって、以下をもたらす
・システムコスト低減（対独立型システム作製）
・低減された電池静電容量であって、以下をもたらす
・電池のより迅速な応答であって、以下をもたらす
・低電圧および低電流を用いる小型の電気化学電池を伴うガス分光測定の可能化
・改良されたユーザ体験
・呼気分析等の、緊急を要する用途の促進

モバイルデバイスに組み込まれた、または小型センサノード内に分散されたセンサは、領域内のガス濃度をマッピングするための能力を可能にし、さらに以下をもたらす。
・何マイルも離れた測候所を通して生成される、一般的かつ非特定ユーザ向けのＡＱＩ読取に対する、個人周辺の局所的な大気質の潜在的な提供
・例えば、煙霧監視されることを必要とする車両等、汚染源を識別するための能力
・駐車場がより良好な通気を必要としていることを強調するための能力
・センサデータの解釈のためにセンサ、電話、またはネットワークから得られるコンテキストデータ（場所、ユーザの活動、時刻、季節、湿度、温度、周囲ＵＶ光等）の適用であって、以下をもたらす
・データ解釈の増加される正確度。例えば、周囲湿度および温度の未加工センサデータを補償することができる
・センサによって直接的に測定されていない、統計値および他の環境因子の存在によって正確に推測するための能力。例えば、家で室内にいてＣＯを測定する場合、ＣＯと煤煙の両方は、例えば、ガスの不完全燃焼、木材等の同一の根本原因を有するため、局所的環境内の微粒子（煤煙）の存在との既知の可能性のある相関が存在する
・自動車の室内を通して、または会議室内に分散されたいくつかのセンサノードは、会議室／車内の占有状態を（例えば、室内のＣＯまたはＣＯ_２レベルの監視を通して）判定するだけではなく、個人の位置付けおよび個々のセンサ近傍の個人の健康を監視することもできる（例えば、自動車旅行の間の子供の近傍の水素の増加は、来たる吐き気および乗り物酔いを示す）
・相互較正スキームを介して継続的な較正の容易さをもたらす、センサのネットワーク化。

図４は、電解質３０４内の作用電極３０２、対電極３０３、および基準電極３２２に対する多くの可能なバイアススキームのうちの１つを図示する。多孔性の作用電極３０２の上面が、ガスに曝され、作用電極３０２の底部表面が、電解質３０４の中に存在する、または別様に電解質と密着する。ガスは、多孔性の作用電極３０２を通して界面において電解質３０４に接触し、電子を解放または吸着させる化学反応をもたらし、ガス濃度に比例する電流を作成する。

図４はまた、作用電極３０２電流（標的ガスの特性）を検出するための回路および検出ガスに関連するデータを出力するためのデジタル処理技術を示す。回路は、センサ回路３１２（図１）内に位置する。図４に示される回路は、電気化学電池をバイアスするための周知の一般的な回路である。特別なバイアススキームが、異なるガスを標的とするために使用されてもよい。

例えば、オペアンプによって電力供給され得るポテンショスタット回路は、電気化学回路の完成と、作用電極３０２において生成される電流が回路を通して流動することとを可能にするように、作用電極３０２と対電極３０３との間の電位を管理する。固定され得る、または設定可能な制御電圧であり得る入力基準電圧は、作用電極３０２と基準電極３２２との間に所望されるバイアスを設定する。基準電極３２２（ガスから保護される）は、電解質３０４内に安定した電気化学ポテンシャルを提供する。バイアス電圧は、ゼロ、正、または負であってもよく、典型的には、５００ｍＶ以内であろう。作用電極３０２を通した電流流動は、トランスコンダクタンス増幅器３３２によって電圧に変換される。増幅器３３２のアナログ出力は、アナログ／デジタルコンバータ３３４によってデジタル信号に変換される。デジタル信号は、次いで、マイクロプロセッサ３３６によって処理される。マイクロプロセッサ３３６は、次いで、データを、中央ネットワークに通信するために、種々のレジスタ３３８に出力する。

異なるタイプのガスを検出するために、電気化学電池のアレイが、採用されてもよい。単一の電気化学電池は、５ｍｍ×５ｍｍを下回る占有面積を有してもよく、そのため、アレイの占有面積は、共有構成要素を伴って、線形的にまたは劣線形的にスケーリングしてもよい。例えば、単一のプロセッサは、全ての電池に関するデータを処理してもよい。１つの実施例では、第１の電池は、第１のセットのガスを検出するために最適化された、第１の電解質‐触媒／電極の組み合わせを含み得、第２の電池は、第２のセットのガスを検出するために最適化された第２の電解質を含み得る。

製造または展開に際して、センサおよび感知システムは、典型的には、較正を要求する。経時的に、多くのセンサの較正は、変動しやすい。故に、多くの精度感知システムは、大気への最初の暴露の後、システム動作寿命の終末に至るまで、周期的な継続的較正を要求する。センサタイプに応じて、例えば６か月または１２か月毎に、周期的較正が、要求され得る。そのような周期的較正は、ユーザにとって時間がかかり、コストがかかり、そして不都合であり得る。故に、ここに、展開ガスのネットワークまたは他の環境センサが都合のよい様式で継続的に較正され得るスキームを提案する。

本スキームでは、図５および図６のフローチャートに示されるように、地理的領域は、その（センサ５００）うちの少なくとも１つが較正されている（ステップ５３４）ことが既知である、既知の地理的場所の環境センサ５００、５１０、５２０、５３０のネットワークを含む（ステップ５３２）。既知の較正中センサ５００は、例えば、最近較正されたカスタムセンサ、または、例えば、環境保護機関または任意の他の技術的機関、商業的機関、学術的機関、または政府機関によって維持される、固定大気質指数（ＡＱＩ）感知部等の専門的に維持されるセンサであってもよい。センサが環境を測定する時間および測定の結果は、個々の感知システムまたは中央ネットワークコントローラ５３６内の中央メモリのいずれか一方によって記録される（ステップ５３８）。そのネットワーク内のモバイル環境センサ５１０が、既知の較正中センサ５００の地理的近傍に接近するにつれて、モバイルセンサ５１０は、局所的な環境を感知し、略同時に、得られた読み値を既知の較正中センサ５００によって報告されたものと比較し、報告されたデータをそれ自身を再較正するために使用してもよい（ステップ５４０および５４２）。

モバイルセンサ５１０が、次いで、ネットワーク上の第２の固定センサまたはモバイルセンサ５２０の近傍に接近するにつれて、略同一の時間からの２つのセンサからの読み値は、センサの較正が改良され得るように比較されることができる。例えば、センサ５１０が、既知の較正中センサ５００に対してより最近に較正され、かつセンサ５２０が、最近較正されていないことが把握される場合、センサ５２０の較正が、センサ５１０の較正に対して更新されてもよく、またはその逆も同様である（ステップ５４４）。

代替として、あまり較正されていないセンサ５２０が、連続的に、最近較正されたセンサ５００／５１０／５３０の地理的近傍に接近するにつれて、センサ５２０は、その読み値をセンサ５００／５１０／５３０からの読み値のそれぞれと比較し、調査されたネットワークセンサ５１０／５２０／５３０の読み値の分析によって判定されるように、最も統計的に重要な状態に較正することができる。

種々の較正されたセンサは、次いで、データを任意の場所に収集するために使用されてもよく、データは、ネットワークコントローラ５３６によって記憶され、さらに処理される（ステップ５４６）。

推定によって、複数のネットワーク化センサからのデータは、大気条件の詳細マップがコンパイルされ得るように、ネットワークコントローラ５３６によって、またはエージェントによって中心的に分析されてもよい。ネットワークコントローラ５３６との通信は、ＲＦ、インターネットまたは任意の他の手段によるものであってもよい。全てのネットワーク化センサは、次いで、このマップに反して（ステップ５４８）継続的にネットワークコントローラ５３６によって遠隔的に再較正されてもよい。このマップの局所的な解像度は、ガス、微粒子、および工場、職場、または交通等の他の大気汚染物質の局所的源の知識、および風、雨、および温度等の一般的気象を推定することによって、さらに改良され得る。

図６は、標的ガスに及ぼす異なる環境条件の効果の判定に関するフローチャートである。ネットワーク内の種々のセンサはまた、標的ガスに関するデータの伝送と併せて、温度、湿度、空気圧等のその囲繞環境条件をネットワークコントローラ５３６に伝送してもよい（ステップ５６０および５６２）。環境条件センサは、電気化学センサモジュールと別個であってもよい。ネットワークコントローラ５３６内のプロセッサは、次いで、種々のセンサおよび標的ガスに及ぼす異なる環境条件の効果を判定してもよい（ステップ５６４）。

本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本開示を前提として、本明細書に説明される独創的な概念の精神から逸脱することなく、修正が本発明に成され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲が、図示され説明される具体的な実施形態に限定されることは意図されない。

例えば、説明される継続的な較正スキームは、微粒子センサおよび周囲光センサ等の他の環境センサに適用可能であり、継続的な較正スキームは、随意に、近い地理的近接度を有する２つ以上のセンサの読み値の手動の比較によって実施されてもよく、感知モジュール上の感知回路および外部電極のうちの１つ以上のものが、感知モジュールの蓋上に設置されてもよく、感知モジュールは、各電池が、検出され得るガスの選択性および範囲を改良するように電極と電解質との一意の組み合わせを有する、複数の電気化学電池を含んでもよく、感知モジュールは、湿度センサ、温度センサ、圧力センサ、金属酸化物ガスセンサ、ケミレジスタセンサ、微粒子センサ、および光学センサ等の、１つ以上の付加的環境感知要素を含んでもよい。

本発明の特定の実施形態が示され説明されているが、変更および修正が、本発明のそのより広い側面から逸脱することなく成され得、したがって、添付される請求項は、それらの範囲内に、本発明の真の精神および範囲内にある全てのそのような変更および修正を包含することが、当業者に明白となるであろう。

Claims (11)

1. 電気化学的ガス感知要素（２９０）であって、
   部分的に封入される空洞を含むセラミックパッケージ本体（３００）と、
   前記空洞内に含まれる電解質（３０４）と、
   前記部分的に封入される空洞の内側上の複数の電極（３０２、３０３）であって、前記複数の電極は、前記電解質と接触している、複数の電極と、
   前記パッケージ本体におけるガス開口部（３０６）であって、ガスが前記複数の電極のうちの少なくとも１つに接触することを可能にするためのガス開口部（３０６）と、
   前記複数の電極から前記空洞の外側につながる電気的相互接続部（３１０）と、
   前記パッケージ本体の外部表面上の複数の電気接点（３０８）であって、前記複数の電気接点は、電力を受信し、かつ、検出されるガスに関連する情報を出力するためのものであり、前記複数の電気接点は、基板（３２１）に対するはんだボンディング（３１５）のために構成されている、複数の電気接点と、
   前記パッケージ本体上に直接的に搭載されているセンサ回路（３１２）であって、前記センサ回路は、少なくとも第１の電極（３０２）を通る電流を検出し、前記電流は、前記第１の電極に衝突するガスの濃度に対応し、前記センサ回路は、前記電流を処理し、デジタルデータを前記複数の電気接点に出力するように構成されている、センサ回路と
   を含み、
   前記パッケージ本体および前記電解質および前記センサ回路および前記複数の電極は、前記基板に対する前記複数の電気接点のはんだボンディングを可能にするために、１８０℃を上回る処理温度に耐える材料から形成されており、
   前記電解質は、双性イオン性材料および酸が注入されたポリマーのうちの一方を含む、ガス感知要素。
2. 前記電解質は、双性イオン性材料を含み、前記電解質は、最高２６０℃の処理温度に対して物理的および化学的に安定性である、請求項１に記載のガス感知要素。
3. 前記電気的相互接続部は、前記パッケージ本体の外側に沿って形成されている、請求項１に記載のガス感知要素。
4. 前記電気的相互接続部の一部は、電磁気干渉から遮蔽されている、請求項１に記載のガス感知要素。
5. 前記センサ回路は、前記ガス感知要素によって検出されたガスに関連する前記デジタルデータを生成するために、アナログ／デジタルコンバータ（３３４）とプロセッサ（３３６）とを含む、請求項１に記載のガス感知要素。
6. 前記センサ回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む、請求項１に記載のガス感知要素。
7. 前記センサ回路は、前記ガス感知要素の温度を検出する温度センサをさらに含む、請求項１に記載のガス感知要素。
8. 前記センサ回路は、湿度センサをさらに含む、請求項１に記載のガス感知要素。
9. 前記センサ回路は、空気圧センサをさらに含む、請求項１に記載のガス感知要素。
10. 前記電気接点は、基板上のはんだパッドに電気的に接触するためにリフローされるように構成されているはんだボールを含む、請求項１に記載のガス感知要素。
11. 前記ガス感知要素は、５ｍｍ×５ｍｍを下回る占有面積を有する、請求項１に記載のガス感知要素。