专利名称：气体传感器的利记博彩app
气体传感器
背景技术：
本发明通常涉及气体传感器，更具体地涉及用于检测环境或液流样 品中一种或多种气体的气体传感器。
检测和控制室内和室外环境中包括二氧化碳浓度的空气质量逐渐
变得重要。有几种类型的气体传感器能检测二氧化碳(C02)或其它气 体。
发明概述
本发明涉及气体传感器，更具体地涉及用于检测气体样品中的二氧 化碳和其它气体，在某些情况下为湿气的气体传感器。所述气体传感器 包括用于检测预定气体的传感器和加热所述传感器的加热器。操作时， 控制器向加热器提供能量从而将传感器加热至操作温度，所述操作温度 高于环境温度。在某些实施方式中，传感器和加热器与传感器的其余部 分(例如传感器基底)中的某些或全部热隔离。这可以帮助减少将加热 器和传感器加热至操作温度所需的能量的数量。这可以使更多的能量有 效地将传感器在隔开的时间间隔内加热至操作温度。本发明的气体传感 器理想地适用于由电池提供动力和/或无线装置。
同样公开检测气体的方法。 一种示例性方法包括以下步骤提供包 括氧化镧的固体电解质层，使所述固体电解质层与气体样品接触，以第 一能量的数量将固体电解质层从100摄氏度加热至操作温度，并基于第 一能量的数量测定气体样品中二氧化碳的浓度。
另 一示例性方法包括以下步骤提供包括氧化镧的固体电解质层， 使所述固体电解质层与气体样品接触，以水解吸的能量数量将固体电解 质层加热至约100摄氏度，以二氧化碳解吸的能量数量将固体电解质层 从大约100摄氏度加热到二氧化碳接解吸温度，接着基于水解吸的能量 数量检测气体样品中的湿气水平，并基于二氧化碳的能量数量检测气体 样品中二氧化碳的浓度。
附图的简要描述
图1是根据本发明示例性气体传感器的横截面侧图；图2是图1示例性气体传感器的示意顶视图； 图3是根据本发明另 一示例性气体传感器的横截面侧图； 图4是显示用于检测气体样品中二氧化碳浓度的差热分析的时间/ 温度图5是显示用于测定气体样品中水和二氧化碳浓度的差热分析的时 间与温度图6是根据本发明的示例性气体传感器装置的示意側图。 发明的详细描述
本发明涉及气体传感器，更具体地涉及用于检测气体样品中二氧化 碳和其它气体，在某些情况下为湿气的气体传感器。图l是一种示例性 气体传感器的横截面側图。图2是图1示例性气体传感器的示意顶视图。 该示例性气体传感器一般显示为10,并包括形成于基底14上或其上方 的传感器12。该示例性传感器12包括加热体层16，緩冲层18,下电极 层20,固体电解质层22，和上电极层24,在图l显示最佳。应当理解 显示的特定层以及它们的相对位置可以改变，并仍在本发明的范围内。 最重要的是加热体层16与固体电解质层22热连接，由固体电解质层22 提供接触。
在示例性实施方式中，加热体层16由通过电流产生热的电阻材料 制成。为了增加可以传递到传感器12的热量以及热量的均匀性，加热 体层16可以被构造成沿着传感器12区域来回弯曲，如在图2更好地显 示。
在示例性实施方式中，固体电解质层22可以由合适的固体电解质 材料制成。例如，如果待测气体为C02和/或湿气，固体电解质可以是 氧化镧，购自 Sigma Aldrich Chemical Company, Milwaukee WI的 La203(CAS No.: 1312-81-8)。根据需要，固体电解质层22可以是La203 层或掺杂1^203的材料(例如二氧化硅)层。
氧化镧是一种有用的固体电解质，因为它在环境温度下吸收水和二 氧化碳，当它被加热至100摄氏度时释放水，接着当被加热超过100摄 氏度释放二氧化碳。如所示，气体传感器的单个加热循环可以提供气体 样品中水(例如湿气)和二氧化碳准确的浓度测定。利用氧化镧的物理 性质(即，比吸收容量、体积和质量)和提供给氧化镧的热的数量，根 据差热分析中热质量的变化可以测定水和二氧化碳的浓度。 一 种示例性差热分析传感器在US6,238,085中描述，在此通过参考结合。在一种示 例性实施方式中，该气体传感器最终的二氧化碳灵敏度为5ppm。控制电子组件28可以提供在基底14上或内部，或根据需要在其它 地方。控制电子组件28可以通过接触线(trace) 30a和32b连接到加热 体层16,通过接触线32a和32b连接到下电极层24,如图2最佳显示。 在操作时，控制电子组件28可以向加热体层16提供能量将传感器12 加热至操作温度，该操作温度高于环境温度。向传感器12更具体地向 固体电解质层22提供热量导致吸附气体解吸。参考图4,在一种示例性的实施方式中，在第一时间段以能量的第 一数量控制电子组件28可以向加热体层16提供能量将传感器加热至操 作温度。图4显示对照传感器和根据本发明的C02传感器的示例性时间 与温度图。在时间为零时，传感器处于环境温度。能量(即电流)以恒 定的速度和恒定的电压施加到两个传感器，因此向加热体提供恒定的能 量。以具有大约相同数量的能量(该能量可以通过合计每个曲线下的面 积进行计算)，两个传感器在大约相同的时间达到100摄氏度。在100 摄氏度，二氧化碳开始从C02传感器解吸，导致二氧化碳传感器的加热 速度比对照传感器慢。在时间等于Te时，对照传感器达到温度500摄氏 度。在时间等于Tco2时，C02传感器达到温度500摄氏度。在温度为 500摄氏度时，基本上所有的二氧化碳从传感器解吸。每条曲线(Aco2) 下面积的不同与二氧化碳从传感器解吸所述的能量数量相应。已知固体 电解质和二氧化碳的物理性质，可以测定从传感器解吸的二氧化碳的总量。接着可以基于周围吸附温度和压力下二氧化碳和固体电解质的已知 平衡常数确定气体样品中二氧化碳的浓度。图5显示对照传感器和根据本发明的相对湿度(RH)和CCb传感 器的说明性的时间相对于温度的图形。在时间为零时，传感器处于环境 温度。能量(即电流/电压)以恒定速度施加到两个传感器上。此时，所 述RH/C02传感器在时间等于Tmo时达到并开始升高超过100摄氏度， 对照传感器在时间等于T。时达到100摄氏度。每个传感器达到并刚刚 超过100摄氏度所需的能量总量的不同与从RH/CO2传感器解吸的水的 数量有关。已知固体电解质和水的物理性质，可以确定从传感器解吸的 水的总量。接着可以基于周围吸附温度和压力下水和固体电解质的已知 平衡常数测定气体样品中水的浓度。接着可以利用已知方法测定相对湿度。超过100摄氏度，二氧化碳开始从RH/C02传感器解吸，导致C02 传感器以比对照传感器慢的速度加热。在时间等于Tc2时，对照传感器 达到温度500摄氏度。在时间等于Tco2时，CO2传感器达到温度500摄 氏度。在温度为大约500摄氏度时，基本上所有二氧化碳都从传感器上 解吸。每条曲线下(超过100摄氏度)面积的不同为二氧化碳从传感器 解吸所需的能量数量。已知固体电解质和二氧化碳的物理性质，可以确 定从传感器上解吸的二氧化碳的总量。接着可以基于周围吸附温度和压 力下二氧化碳和固体电解质的已知平衡常数确定气体样品中二氧化碳 的浓度。在某些实施方式中，可以提供或可以不提供对照传感器。对照传感 器的结构可以气体传感器相同，但不具有氧化镧。对照传感器可以连接 到控制器上，并为气体传感器提供对照加热曲线。因此，可以确定差示 加热曲线或差示能量数量并用于确定来自气体传感器中解吸的二氧化 碳和/或湿气。当没有提供对照传感器时，由先前已知或确定的计算的传 感器特征数据可以确定解吸二氧化碳和/或湿气，并可以存储在控制器内 的存储器。在某些实施方式中，传感器12可以与气体传感器10的剩余部分中 的某些或全部热隔离。在图l显示的实施方式中，凹陷52可以蚀刻入 传感器12下面的基底中，在传感器12和基底14之间留下间隙或空间。 所述间隙可以是气隙或填充具有低导热系数的材料。可以使用支持腿 50a-d将凹陷52支持于传感器12上方。在这种结构中，传感器12,其 包括加热器16和固体电解质层22,悬浮在基底上方，帮助传感器12与 气体传感器的其余部分热隔离。这可以帮助减少将传感器12加热至操 作温度所述的能量数量和时间。由于将传感器12加热至操作温度所述的能量数量减少，和/或由于 当为所需的读数时仅仅加热传感器12,气体传感器10可以适用于电池 提供动力和/或无线装置。例如，对照电子组件28可以由电池56提供动 力，和/或对照电子组件28可以通过天线58从气体传感器10无线传送 输出信号。图3是根据本发明的另一示例性气体传感器的横截面侧图。该示例 性气体传感器通常显示为80,包括基底82,支撑结构84，传感器86和对照电子组件88。该实施方式与上面图l-2显示和描述的类似。但是， 没有将传感器悬浮于基底内蚀刻凹陷52的上方，如图1所示，在基底 上提供支撑组件将传感器86悬浮在基底82上方。可以在支撑组件84 下面提供间隙90等以帮助提供热隔离。可选择地或此外，支撑组件84 可以由具有低导热系数的材料形成。不管使用哪种方法，传感器10和 传感器86可以与基底相对热隔离。图6是根据本发明的示例性气体传感器装置的示意侧图。该气体传 感器装置一般显示为100，并包括腔室102,气体传感器104,和吸收装 置106。该气体传感器可以与上面图1-5显示和描述的哪些类似。来自环境的气体样品110可以通过吸收装置106提供给气体传感器 104。该吸收装置可以包括在样品IIO到达气体传感器104之前吸收样 品110中不需要的组分或气体的吸收材料。例如，该吸收装置可以吸收 一种或多种干扰气体。在某些情况下，干扰气体可能降低气体传感器104 进行的测量的可靠性或准确性。气体传感器装置IOO可以进一步包括多个导线108。需要时，导线 108可以在气体传感器装置100和外部电路板等之间提供机械和/或电连 接。在前面的描述中阐明该文献包括的本发明的很多优点。但是，应当 理解本发明在^f艮多方面只是示例性。可以对详情，特别是对部件的形状、 尺寸和设置进行改变，而没有超出本发明的范围。本发明的范围当然以 表述权利要求的语言进行限定。
权利要求
1.一种用于检测样品中的二氧化碳的气体传感器，包括基底；用于检测二氧化碳的固体电解质层，该固体电解质层包括氧化镧；与该固体电解质层热连接的加热元件；与加热元件和固体电解质层连接的控制器，所述控制器加热该加热元件使得固体电解质层达到操作。
2. 根据权利要求1的气体传感器，其中至少部分固体电解质层和加 热元件与基底热隔离。
3. 根据权利要求1的气体传感器，其中至少部分固体电解质层和加 热元件悬浮在基底上方。
4. 根据权利要求1的气体传感器，其中控制器向加热元件提供相对 恒定的电流从而以能量的第 一数量加热所述加热元件。
5. 根据权利要求1的气体传感器，进一步包括与该气体传感器类似 的对照传感器，但其不包括氧化镧，该对照传感器与控制器相连。
6. 根据权利要求1的气体传感器，其中该控制装置由电池提供动力。
7. 根据权利要求1的气体传感器，其中该控制器与固体电解质层连 接并提供传感器输出信号。
8. 根据权利要求l的气体传感器，其中该控制器接收固体电解质层 的信号，并通过天线无线传送传感器输出信号。
9. 根据权利要求1的气体传感器，进一步包括在不需要的组分达到 固体电解质层之前，吸收样品中需要的组分的吸收材料。
10. —种用于检测气体的方法，该方法包括以下步骤 提供包括氧化镧的固体电解质层； 使固体电解质层与气体样品接触；以能量的第 一数量将该固体电解质层从100摄氏度加热到操作温度；和基于能量的第 一数量测定气体样品中二氧化碳的浓度。
11. 根据权利要求10的方法，其中所述提供步骤包括提供相对于基 底固定、但与其隔开的固体电解质层。
12. 根据权利要求10的方法，其中所述提供步骤包括提供至少部分固体电解质层悬浮在基底上方。
13. 根据权利要求10的方法，进一步包括以能量的第二数量将固体 电解质层从环境温度加热至1G0摄氏度。
14. 根据权利要求13的方法，进一步以下步骤基于提供给固体电 解质层的能量的第二数量测定气体样品中相对湿度水平。
15. 根据权利要求10的方法，其中所述加热步骤包括以能量的第一 数量将固体电解质层从大约IOO摄氏度加热到大约500摄氏度。
16. 根据权利要求15的方法，进一步包括基于提供给固体电解质层 的能量的第一数量，测定气体样品中二氧化碳的浓度。
17. —种测定气体样品中湿气水平和二氧化碳浓度的方法，该方法包 括以下步骤提供包括氧化镧的固体电解质层； 使固体电解质层与气体样品接触；以水解吸的能量数量将该固体电解质层加热到大约IOO摄氏度； 以二氧化碳解吸的能量数量将该固体电解质层从大约IOO摄氏度加热到二氧化石友解吸温度；和基于水解吸的能量数量测定气体样品中的湿气水平以及基于二氧化碳的能量数量测定气体样品中二氧化碳的浓度。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述提供步骤包括提供相对于基 底固定但与其隔开的固体电解质层。
19. 根据权利要求17的方法，其中所述提供步骤包括提供至少部分 固体电解质层悬浮于基底上方。
20. 根据权利要求10的方法，其中以二氧化碳解吸的能量数量将固 体电解质层从100摄氏度加热到二氧化碳解吸温度的加热步骤包括以二 氧化碳解吸的能量数量将固体电解质层从大约ioo摄氏度加热到大约 500摄氏度。
全文摘要
提供一种气体传感器，用于检测气体样品中一种或多种气体。该气体传感器包括基底、包括用于检测二氧化碳的包括氧化镧的固体电解质层，与该固体电解质层热连接的加热元件，以及与加热元件和固体电解质层连接的控制器。控制器加热该加热元件使得固体电解质层达到操作温度。还公开了检测二氧化碳和湿气的方法。
文档编号G01N25/20GK101300481SQ200680040431
公开日2008年11月5日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月26日
发明者B·L·科尔, R·E·希加施, Y·古 申请人:霍尼韦尔国际公司