專利名稱：氣體傳感器的制作方法
氣體傳感器
背景技術：
本發(fā)明通常涉及氣體傳感器，更具體地涉及用于檢測環(huán)境或液流樣 品中一種或多種氣體的氣體傳感器。
檢測和控制室內(nèi)和室外環(huán)境中包括二氧化碳濃度的空氣質量逐漸
變得重要。有幾種類型的氣體傳感器能檢測二氧化碳(C02)或其它氣 體。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及氣體傳感器，更具體地涉及用于檢測氣體樣品中的二氧 化碳和其它氣體，在某些情況下為濕氣的氣體傳感器。所述氣體傳感器 包括用于檢測預定氣體的傳感器和加熱所述傳感器的加熱器。操作時， 控制器向加熱器提供能量從而將傳感器加熱至操作溫度，所述操作溫度 高于環(huán)境溫度。在某些實施方式中，傳感器和加熱器與傳感器的其余部 分(例如傳感器基底)中的某些或全部熱隔離。這可以幫助減少將加熱 器和傳感器加熱至操作溫度所需的能量的數(shù)量。這可以使更多的能量有 效地將傳感器在隔開的時間間隔內(nèi)加熱至操作溫度。本發(fā)明的氣體傳感 器理想地適用于由電池提供動力和/或無線裝置。
同樣公開檢測氣體的方法。 一種示例性方法包括以下步驟提供包 括氧化鑭的固體電解質層，使所述固體電解質層與氣體樣品接觸，以第 一能量的數(shù)量將固體電解質層從100攝氏度加熱至操作溫度，并基于第 一能量的數(shù)量測定氣體樣品中二氧化碳的濃度。
另 一示例性方法包括以下步驟提供包括氧化鑭的固體電解質層， 使所述固體電解質層與氣體樣品接觸，以水解吸的能量數(shù)量將固體電解 質層加熱至約100攝氏度，以二氧化碳解吸的能量數(shù)量將固體電解質層 從大約100攝氏度加熱到二氧化碳接解吸溫度，接著基于水解吸的能量 數(shù)量檢測氣體樣品中的濕氣水平，并基于二氧化碳的能量數(shù)量檢測氣體 樣品中二氧化碳的濃度。
附圖的簡要描述


圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性氣體傳感器的橫截面?zhèn)葓D；圖2是圖1示例性氣體傳感器的示意頂視圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明另 一示例性氣體傳感器的橫截面?zhèn)葓D； 圖4是顯示用于檢測氣體樣品中二氧化碳濃度的差熱分析的時間/ 溫度圖5是顯示用于測定氣體樣品中水和二氧化碳濃度的差熱分析的時 間與溫度圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性氣體傳感器裝置的示意側圖。 發(fā)明的詳細描述
本發(fā)明涉及氣體傳感器，更具體地涉及用于檢測氣體樣品中二氧化 碳和其它氣體，在某些情況下為濕氣的氣體傳感器。圖l是一種示例性 氣體傳感器的橫截面?zhèn)葓D。圖2是圖1示例性氣體傳感器的示意頂視圖。 該示例性氣體傳感器一般顯示為10,并包括形成于基底14上或其上方 的傳感器12。該示例性傳感器12包括加熱體層16，緩沖層18,下電極 層20,固體電解質層22，和上電極層24,在圖l顯示最佳。應當理解 顯示的特定層以及它們的相對位置可以改變，并仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 最重要的是加熱體層16與固體電解質層22熱連接，由固體電解質層22 提供接觸。
在示例性實施方式中，加熱體層16由通過電流產(chǎn)生熱的電阻材料 制成。為了增加可以傳遞到傳感器12的熱量以及熱量的均勻性，加熱 體層16可以被構造成沿著傳感器12區(qū)域來回彎曲，如在圖2更好地顯 示。
在示例性實施方式中，固體電解質層22可以由合適的固體電解質 材料制成。例如，如果待測氣體為C02和/或濕氣，固體電解質可以是 氧化鑭，購自 Sigma Aldrich Chemical Company, Milwaukee WI的 La203(CAS No.: 1312-81-8)。根據(jù)需要，固體電解質層22可以是La203 層或摻雜1^203的材料(例如二氧化硅)層。
氧化鑭是一種有用的固體電解質，因為它在環(huán)境溫度下吸收水和二 氧化碳，當它被加熱至100攝氏度時釋放水，接著當被加熱超過100攝 氏度釋放二氧化碳。如所示，氣體傳感器的單個加熱循環(huán)可以提供氣體 樣品中水(例如濕氣)和二氧化碳準確的濃度測定。利用氧化鑭的物理 性質(即，比吸收容量、體積和質量)和提供給氧化鑭的熱的數(shù)量，根 據(jù)差熱分析中熱質量的變化可以測定水和二氧化碳的濃度。 一 種示例性差熱分析傳感器在US6,238,085中描述，在此通過參考結合。在一種示 例性實施方式中，該氣體傳感器最終的二氧化碳靈敏度為5ppm?？刂齐娮咏M件28可以提供在基底14上或內(nèi)部，或根據(jù)需要在其它 地方?？刂齐娮咏M件28可以通過接觸線(trace) 30a和32b連接到加熱 體層16,通過接觸線32a和32b連接到下電極層24,如圖2最佳顯示。 在操作時，控制電子組件28可以向加熱體層16提供能量將傳感器12 加熱至操作溫度，該操作溫度高于環(huán)境溫度。向傳感器12更具體地向 固體電解質層22提供熱量導致吸附氣體解吸。參考圖4,在一種示例性的實施方式中，在第一時間段以能量的第 一數(shù)量控制電子組件28可以向加熱體層16提供能量將傳感器加熱至操 作溫度。圖4顯示對照傳感器和根據(jù)本發(fā)明的C02傳感器的示例性時間 與溫度圖。在時間為零時，傳感器處于環(huán)境溫度。能量(即電流)以恒 定的速度和恒定的電壓施加到兩個傳感器，因此向加熱體提供恒定的能 量。以具有大約相同數(shù)量的能量(該能量可以通過合計每個曲線下的面 積進行計算)，兩個傳感器在大約相同的時間達到100攝氏度。在100 攝氏度，二氧化碳開始從C02傳感器解吸，導致二氧化碳傳感器的加熱 速度比對照傳感器慢。在時間等于Te時，對照傳感器達到溫度500攝氏 度。在時間等于Tco2時，C02傳感器達到溫度500攝氏度。在溫度為 500攝氏度時，基本上所有的二氧化碳從傳感器解吸。每條曲線(Aco2) 下面積的不同與二氧化碳從傳感器解吸所述的能量數(shù)量相應。已知固體 電解質和二氧化碳的物理性質，可以測定從傳感器解吸的二氧化碳的總量。接著可以基于周圍吸附溫度和壓力下二氧化碳和固體電解質的已知 平衡常數(shù)確定氣體樣品中二氧化碳的濃度。圖5顯示對照傳感器和根據(jù)本發(fā)明的相對濕度(RH)和CCb傳感 器的說明性的時間相對于溫度的圖形。在時間為零時，傳感器處于環(huán)境 溫度。能量(即電流/電壓)以恒定速度施加到兩個傳感器上。此時，所 述RH/C02傳感器在時間等于Tmo時達到并開始升高超過100攝氏度， 對照傳感器在時間等于T。時達到100攝氏度。每個傳感器達到并剛剛 超過100攝氏度所需的能量總量的不同與從RH/CO2傳感器解吸的水的 數(shù)量有關。已知固體電解質和水的物理性質，可以確定從傳感器解吸的 水的總量。接著可以基于周圍吸附溫度和壓力下水和固體電解質的已知 平衡常數(shù)測定氣體樣品中水的濃度。接著可以利用已知方法測定相對濕度。超過100攝氏度，二氧化碳開始從RH/C02傳感器解吸，導致C02 傳感器以比對照傳感器慢的速度加熱。在時間等于Tc2時，對照傳感器 達到溫度500攝氏度。在時間等于Tco2時，CO2傳感器達到溫度500攝 氏度。在溫度為大約500攝氏度時，基本上所有二氧化碳都從傳感器上 解吸。每條曲線下(超過100攝氏度)面積的不同為二氧化碳從傳感器 解吸所需的能量數(shù)量。已知固體電解質和二氧化碳的物理性質，可以確 定從傳感器上解吸的二氧化碳的總量。接著可以基于周圍吸附溫度和壓 力下二氧化碳和固體電解質的已知平衡常數(shù)確定氣體樣品中二氧化碳 的濃度。在某些實施方式中，可以提供或可以不提供對照傳感器。對照傳感 器的結構可以氣體傳感器相同，但不具有氧化鑭。對照傳感器可以連接 到控制器上，并為氣體傳感器提供對照加熱曲線。因此，可以確定差示 加熱曲線或差示能量數(shù)量并用于確定來自氣體傳感器中解吸的二氧化 碳和/或濕氣。當沒有提供對照傳感器時，由先前已知或確定的計算的傳 感器特征數(shù)據(jù)可以確定解吸二氧化碳和/或濕氣，并可以存儲在控制器內(nèi) 的存儲器。在某些實施方式中，傳感器12可以與氣體傳感器10的剩余部分中 的某些或全部熱隔離。在圖l顯示的實施方式中，凹陷52可以蝕刻入 傳感器12下面的基底中，在傳感器12和基底14之間留下間隙或空間。 所述間隙可以是氣隙或填充具有低導熱系數(shù)的材料?？梢允褂弥С滞?50a-d將凹陷52支持于傳感器12上方。在這種結構中，傳感器12,其 包括加熱器16和固體電解質層22,懸浮在基底上方，幫助傳感器12與 氣體傳感器的其余部分熱隔離。這可以幫助減少將傳感器12加熱至操 作溫度所述的能量數(shù)量和時間。由于將傳感器12加熱至操作溫度所述的能量數(shù)量減少，和/或由于 當為所需的讀數(shù)時僅僅加熱傳感器12,氣體傳感器10可以適用于電池 提供動力和/或無線裝置。例如，對照電子組件28可以由電池56提供動 力，和/或對照電子組件28可以通過天線58從氣體傳感器10無線傳送 輸出信號。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性氣體傳感器的橫截面?zhèn)葓D。該示例 性氣體傳感器通常顯示為80,包括基底82,支撐結構84，傳感器86和對照電子組件88。該實施方式與上面圖l-2顯示和描述的類似。但是， 沒有將傳感器懸浮于基底內(nèi)蝕刻凹陷52的上方，如圖1所示，在基底 上提供支撐組件將傳感器86懸浮在基底82上方?？梢栽谥谓M件84 下面提供間隙90等以幫助提供熱隔離?？蛇x擇地或此外，支撐組件84 可以由具有低導熱系數(shù)的材料形成。不管使用哪種方法，傳感器10和 傳感器86可以與基底相對熱隔離。圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性氣體傳感器裝置的示意側圖。該氣體傳 感器裝置一般顯示為100，并包括腔室102,氣體傳感器104,和吸收裝 置106。該氣體傳感器可以與上面圖1-5顯示和描述的哪些類似。來自環(huán)境的氣體樣品110可以通過吸收裝置106提供給氣體傳感器 104。該吸收裝置可以包括在樣品IIO到達氣體傳感器104之前吸收樣 品110中不需要的組分或氣體的吸收材料。例如，該吸收裝置可以吸收 一種或多種干擾氣體。在某些情況下，干擾氣體可能降低氣體傳感器104 進行的測量的可靠性或準確性。氣體傳感器裝置IOO可以進一步包括多個導線108。需要時，導線 108可以在氣體傳感器裝置100和外部電路板等之間提供機械和/或電連 接。在前面的描述中闡明該文獻包括的本發(fā)明的很多優(yōu)點。但是，應當 理解本發(fā)明在^f艮多方面只是示例性?？梢詫υ斍椋貏e是對部件的形狀、 尺寸和設置進行改變，而沒有超出本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍當然以 表述權利要求的語言進行限定。
權利要求
1.一種用于檢測樣品中的二氧化碳的氣體傳感器，包括基底；用于檢測二氧化碳的固體電解質層，該固體電解質層包括氧化鑭；與該固體電解質層熱連接的加熱元件；與加熱元件和固體電解質層連接的控制器，所述控制器加熱該加熱元件使得固體電解質層達到操作。
2. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，其中至少部分固體電解質層和加 熱元件與基底熱隔離。
3. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，其中至少部分固體電解質層和加 熱元件懸浮在基底上方。
4. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，其中控制器向加熱元件提供相對 恒定的電流從而以能量的第 一數(shù)量加熱所述加熱元件。
5. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，進一步包括與該氣體傳感器類似 的對照傳感器，但其不包括氧化鑭，該對照傳感器與控制器相連。
6. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，其中該控制裝置由電池提供動力。
7. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，其中該控制器與固體電解質層連 接并提供傳感器輸出信號。
8. 根據(jù)權利要求l的氣體傳感器，其中該控制器接收固體電解質層 的信號，并通過天線無線傳送傳感器輸出信號。
9. 根據(jù)權利要求1的氣體傳感器，進一步包括在不需要的組分達到 固體電解質層之前，吸收樣品中需要的組分的吸收材料。
10. —種用于檢測氣體的方法，該方法包括以下步驟 提供包括氧化鑭的固體電解質層； 使固體電解質層與氣體樣品接觸；以能量的第 一數(shù)量將該固體電解質層從100攝氏度加熱到操作溫度；和基于能量的第 一數(shù)量測定氣體樣品中二氧化碳的濃度。
11. 根據(jù)權利要求10的方法，其中所述提供步驟包括提供相對于基 底固定、但與其隔開的固體電解質層。
12. 根據(jù)權利要求10的方法，其中所述提供步驟包括提供至少部分固體電解質層懸浮在基底上方。
13. 根據(jù)權利要求10的方法，進一步包括以能量的第二數(shù)量將固體 電解質層從環(huán)境溫度加熱至1G0攝氏度。
14. 根據(jù)權利要求13的方法，進一步以下步驟基于提供給固體電 解質層的能量的第二數(shù)量測定氣體樣品中相對濕度水平。
15. 根據(jù)權利要求10的方法，其中所述加熱步驟包括以能量的第一 數(shù)量將固體電解質層從大約IOO攝氏度加熱到大約500攝氏度。
16. 根據(jù)權利要求15的方法，進一步包括基于提供給固體電解質層 的能量的第一數(shù)量，測定氣體樣品中二氧化碳的濃度。
17. —種測定氣體樣品中濕氣水平和二氧化碳濃度的方法，該方法包 括以下步驟提供包括氧化鑭的固體電解質層； 使固體電解質層與氣體樣品接觸；以水解吸的能量數(shù)量將該固體電解質層加熱到大約IOO攝氏度； 以二氧化碳解吸的能量數(shù)量將該固體電解質層從大約IOO攝氏度加熱到二氧化石友解吸溫度；和基于水解吸的能量數(shù)量測定氣體樣品中的濕氣水平以及基于二氧化碳的能量數(shù)量測定氣體樣品中二氧化碳的濃度。
18. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述提供步驟包括提供相對于基 底固定但與其隔開的固體電解質層。
19. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述提供步驟包括提供至少部分 固體電解質層懸浮于基底上方。
20. 根據(jù)權利要求10的方法，其中以二氧化碳解吸的能量數(shù)量將固 體電解質層從100攝氏度加熱到二氧化碳解吸溫度的加熱步驟包括以二 氧化碳解吸的能量數(shù)量將固體電解質層從大約ioo攝氏度加熱到大約 500攝氏度。
全文摘要
提供一種氣體傳感器，用于檢測氣體樣品中一種或多種氣體。該氣體傳感器包括基底、包括用于檢測二氧化碳的包括氧化鑭的固體電解質層，與該固體電解質層熱連接的加熱元件，以及與加熱元件和固體電解質層連接的控制器?？刂破骷訜嵩摷訜嵩沟霉腆w電解質層達到操作溫度。還公開了檢測二氧化碳和濕氣的方法。
文檔編號G01N25/20GK101300481SQ200680040431
公開日2008年11月5日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權日2005年8月26日
發(fā)明者B·L·科爾, R·E·希加施, Y·古 申請人:霍尼韋爾國際公司