專利名稱：傳感器設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量周圍環(huán)境中的氣體濃度的傳感器設(shè)備。
背景技術(shù)：
金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器和其他類型的傳感器是已知的，并且用于測(cè)量 氣體濃度水平。例如，MOS傳感器對(duì)于多種不同的氣體例如甲烷、氫氣、乙醇、異丁烷等等是 敏感的。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的傳感器設(shè)備包括金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器和具有內(nèi)室的外殼，所述的傳 感器布置在該內(nèi)室中。該外殼包括至少一個(gè)窗口，用于使來自該外殼外部的大氣的氣體進(jìn) 入到內(nèi)室中。氣體選擇性屏障跨越該至少一個(gè)窗口布置。使用該傳感器設(shè)備的一種示例性方法包括使用在該窗口中的氣體選擇性屏障，來 阻止選定種類的可燃?xì)怏w通過該至少一個(gè)窗口進(jìn)入
在另一方面，傳感器設(shè)備包括傳感器，在該傳感器周圍用于接收分析物氣體的傳感器 區(qū)，和在傳感器區(qū)和傳感器區(qū)外部的大氣之間的氣體選擇性屏障。


對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，從下面的詳細(xì)說明中，所公開的實(shí)施例的不同特征和優(yōu) 點(diǎn)將變得顯而易見。伴隨著該詳細(xì)說明的附圖可以簡(jiǎn)要描述如下。圖1表示一種示例性的傳感器設(shè)備。圖2表示另外一種示例性的傳感器設(shè)備。
具體實(shí)施例方式圖1表示了示例性的傳感器設(shè)備20的選定部分，其適于對(duì)優(yōu)選種類的可燃?xì)怏w例 如氫氣具有提高的選擇性。例如，該傳感器設(shè)備20可以用于這樣的環(huán)境中，該環(huán)境可以包 含許多不同種類的可燃?xì)怏w。在利用氫氣驅(qū)動(dòng)的車輛(例如商務(wù)巴士或者其他運(yùn)輸裝置) 的情況中，可能期望的是提高氫氣的檢測(cè)。大部分的金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器通 常對(duì)于周圍環(huán)境中的其他可燃?xì)怏w比對(duì)于氫氣更敏感，這可能對(duì)獲得可靠的氫氣濃度測(cè)量 產(chǎn)生干擾。但是，如將要描述的那樣，該傳感器設(shè)備20被配置成對(duì)氫氣具有提高的選擇性， 并由此能夠用于更可靠的檢測(cè)例如從車輛的氫氣存儲(chǔ)箱中逸出的任何氫氣。在說明性的實(shí)施例中，傳感器設(shè)備20包括金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器 22 (例如Figaro TGS2611)和在該MOS傳感器22周圍的傳感器區(qū)24，所述傳感器區(qū)24用 于接收來自傳感器區(qū)24外部大氣的分析物氣體26。MOS傳感器22可以包括氣敏表面(未 示出)，該氣敏表面例如由氧化錫(SnO2)構(gòu)成。傳感器設(shè)備20還包括布置在傳感器區(qū)24 與外部大氣之間的氣體選擇性屏障28，用于阻止選定種類的可燃?xì)怏w進(jìn)入傳感器區(qū)24中。例如，“氣體選擇性”可以指的是優(yōu)先阻止一種可燃?xì)怏w相對(duì)于另一種可燃?xì)怏w移動(dòng)的特 性。在期望檢測(cè)氫氣的車輛應(yīng)用的情形中，氣體選擇性屏障28適用于阻止其他類型的氣體 例如甲烷的進(jìn)入，由此提高M(jìn)OS傳感器22對(duì)于氫氣的相對(duì)選擇性。 MOS傳感器22可以電連接到控制器30上，用于將代表了在傳感器區(qū)24中所檢測(cè) 的氣體濃度的信號(hào)傳輸?shù)娇刂破?0?？刂破?0可以包括硬件、軟件或者二者來接收和處理 所述信號(hào)。作為一個(gè)實(shí)例，如果所檢測(cè)的氣體濃度超過了預(yù)定的閾值，則控制器30能夠觸 發(fā)警報(bào)或者其他指示，來響應(yīng)所接收的信號(hào)。氣體選擇性屏障28可以包括載體40和布置在載體40上的有機(jī)硅涂層42。在這 種情況中，在載體40上存在單層的有機(jī)硅涂層42。但是，在其他實(shí)施例中，載體40可以包 括在載體40相反面上的有機(jī)硅涂層42的一側(cè)或者層上的多層有機(jī)硅涂層42，來實(shí)現(xiàn)期望 的氣體選擇性。載體40是多孔的，但是機(jī)械式地適于承載在有機(jī)硅涂層42。在一些實(shí)例中，載體 40可以是纖維素紙或者聚合物材料，例如聚四氟乙烯纖維的膜，織造纖維結(jié)構(gòu)或者非織造 纖維結(jié)構(gòu)。載體40可以具有適于具體應(yīng)用的孔隙度。例如，可以選擇較高的孔隙度，來便 于基本避免阻止分析物氣體26的移動(dòng)，以使得有機(jī)硅涂層42是氣體選擇性屏障28的唯一 部件，其作用是阻止氣體進(jìn)入?；蛘?，可以選擇較低的孔隙度，來通過截留或者阻止較大的 氣體分子例如甲烷，來實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅涂層42的氣體選擇性。從這點(diǎn)來說，纖維素紙可以具有 50-75g/m2 的重量。在上面的實(shí)施例中，可以控制有機(jī)硅涂層42的量，來達(dá)到對(duì)阻止的期望影響。例 如，使用較大的量能夠提供較大的阻止度，而使用較少的量能夠提供較少的阻止。在一些實(shí) 例中，所述的量可以是0. l-10g/m2。在另外的可用于氫氣車輛應(yīng)用中的實(shí)例中，所述的量可 以是0.5-2. Og/m2。該量還可以用有機(jī)硅涂層42的厚度來表示。在一些實(shí)例中，該厚度可 以是0. 5-10微米。在另一實(shí)例中，該厚度可以是大約0. 5-2. 0微米。有機(jī)硅涂層42可以是這樣一種類型，其對(duì)甲烷氣體移動(dòng)的阻止作用大于它對(duì)于 氫氣氣體移動(dòng)的阻止作用。例如，有機(jī)硅涂層42可以是聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、 聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷_ 二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷_ 二甲基硅氧烷共 聚物及其組合。根據(jù)本說明書的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)可其他類型的有機(jī)硅或者硅材 料以滿足它們的具體需要。在低于大約5 vol%的相對(duì)低的氫氣和甲烷濃度時(shí)，MOS傳感器能夠?qū)淄楸葘?duì)氫 氣更敏感。在這個(gè)濃度狀況時(shí)，暴露于低含量的甲烷可能產(chǎn)生來自于MOS傳感器的明顯的 電響應(yīng)信號(hào)。在這點(diǎn)來說，氣體選擇性屏障28阻止了甲烷進(jìn)入到傳感器區(qū)24中，由此提 高M(jìn)OS傳感器22對(duì)于氫氣的選擇性以及便于降低來自于甲烷和其他氣體的干擾。氣體選 擇性屏障28還可以用來阻止甲烷進(jìn)入，來減少該MOS傳感器22暴露于甲烷濃度的瞬間增 力口，該濃度瞬間增加否則可能引起明顯的電響應(yīng)信號(hào)，這可以觸發(fā)警報(bào)或者其他指示器。圖2表示了另外一種示例性的傳感器設(shè)備120，其也適于提高對(duì)優(yōu)選種類的可燃 氣體分例如氫氣的選擇性。在本發(fā)明中，在適當(dāng)之處，同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的元件，并 且具有外加的100或者其多個(gè)的附圖標(biāo)記表示了改進(jìn)的元件，其被理解為結(jié)合有相應(yīng)的初 始元件的相同的特征和益處。在這個(gè)實(shí)施例中，傳感器設(shè)備120包括MOS傳感器122和具有內(nèi)室152的外殼150，其中MOS傳感器122布置在該內(nèi)室中。內(nèi)室152可以被認(rèn)為類似于前面實(shí)施例的傳感器區(qū) 24，用于接收分析物氣體126。外殼150包括至少一個(gè)窗口 154，用于使得來自外殼150外 部大氣的分析物氣體126進(jìn)入到內(nèi)室152中。 氣體選擇性屏障128布置在至少一個(gè)窗口 154中。在這種情況中，外殼150包括 四個(gè)這樣的窗口 154。但是，在其他實(shí)施例中，根據(jù)具體應(yīng)用的檢測(cè)需要，可以有更少的或者 更多的窗口 154。如同前述實(shí)施例中那樣，MOS傳感器122可以電連接到控制器(未示出)， 用于傳輸代表所檢測(cè)的氣體濃度的信號(hào)。外殼150可以包括基體152a和蓋子152b，其與基體152a配合來形成外殼150?；?體152a包括內(nèi)壁156和外壁158，其相互之間隔開來形成圓周形狹縫160。在所述的實(shí)施 例中，基體152a是圓形，因此狹縫160是圓周形的。但是，在其他實(shí)施例中，基體152a可以 具有不同的形狀，并且狹縫160可以具有與基體的152a的形狀相對(duì)應(yīng)的形狀。內(nèi)壁和外壁156和158至少部分地構(gòu)成窗口 154。在這種情況中，基體152a的壁 156和158形成了每個(gè)窗口 154的三條邊，而蓋子152b形成了第四條邊。窗口 154可以切 割成壁156和158或者在模制加工等中形成。氣體選擇性屏障128是環(huán)形的，并且可以布置在內(nèi)室152中，以使得氣體選擇性屏 障128延伸跨越窗口 154。蓋子152b然后可以包納在基體152a的狹縫160中，以使得蓋子 152b中的窗口 154與基體152a中的窗口 154對(duì)準(zhǔn)。在一些實(shí)例中，另外的過濾器170可 以鄰近氣體選擇性屏障128布置，來提供其他服務(wù)，例如限制碎片或者液體進(jìn)入到內(nèi)室152 中。這樣的過濾器170還可以是環(huán)，其與氣體選擇性屏障128同心安裝。在氣體選擇性屏障128的效力的一個(gè)實(shí)例中，傳感器設(shè)備120暴露于具有 50%LEL (較低的爆炸極限)濃度的可燃?xì)怏w，大約2. 5體積％甲烷或者2. 0體積％氫氣的分 析物氣體。測(cè)量了 MOS傳感器122達(dá)到90%的全額度靈敏度輸出的時(shí)間(其也稱作t90)， 并且與不具有氣體選擇性屏障128的相同配置進(jìn)行了對(duì)比。在這種情況中，氣體選擇性屏 障128產(chǎn)生了比對(duì)于氫氣更大的對(duì)于甲烷氣體的響應(yīng)時(shí)間的延遲。因此，氣體選擇性屏障 128選擇性阻止了甲烷進(jìn)入到內(nèi)室152中，目的是提高傳感器設(shè)備120對(duì)于氫氣的相對(duì)選擇 性。雖然在說明性的實(shí)施例中表示了相組合的特征，但是并非它們?nèi)慷夹枰嘟M合 來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同實(shí)施方案的益處。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案所設(shè)計(jì)的系 統(tǒng)將不必需包括在任何一個(gè)圖中所示的全部特征或者在所述圖中示例性表示的全部部分。 此外，一種示例性實(shí)施方案所選擇的特征可以與另一種示例性實(shí)施方案所選擇的特征相組
I=I O前述的說明書是示例性的，而非限制性質(zhì)的。所公開的實(shí)施例的變化和改進(jìn)對(duì)于 本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可以變得顯而易見，其不必脫離本發(fā)明的本質(zhì)。法律賦予本發(fā)明的保 護(hù)范圍可以僅僅通過研究下面的權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種傳感器設(shè)備，其包括金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器；具有內(nèi)室的外殼，所述的MOS傳感器布置在所述內(nèi)室中，所述外殼具有至少一個(gè)窗口， 用于使來自所述外殼外部的大氣的氣體進(jìn)入到內(nèi)室中；和 跨越至少一個(gè)窗口布置的氣體選擇性屏障。
2.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述氣體選擇性屏障是具有有機(jī)硅涂層的載體。
3.權(quán)利要求2所述的傳感器設(shè)備，其中所述載體是纖維素紙。
4.權(quán)利要求3所述的傳感器設(shè)備，其中所述纖維素紙的重量是50-75g/m2。
5.權(quán)利要求2所述的傳感器設(shè)備，其中所述載體是聚合物材料。
6.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述氣體選擇性屏障是布置在外殼中的環(huán)。
7.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述外殼包括具有內(nèi)壁和外壁的基體，在所述 內(nèi)壁和外壁之間形成狹縫，并且至少一個(gè)窗口是至少部分地由所述內(nèi)壁和外壁構(gòu)成的。
8.權(quán)利要求2所述的傳感器設(shè)備，其中所述有機(jī)硅涂層選自聚二甲基硅氧烷、聚二乙 基硅氧烷、聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲 基硅氧烷共聚物及其組合。
9.權(quán)利要求8所述的傳感器設(shè)備，其包括0.riOg/m2量的有機(jī)硅涂層。
10.權(quán)利要求8所述的傳感器設(shè)備，其中所述有機(jī)硅涂層的厚度是0.5^10微米。
11.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其還包括鄰近所述氣體選擇性屏障的其他過濾器。
12.一種使用傳感器設(shè)備的方法，所述傳感器設(shè)備包括金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳 感器和具有內(nèi)室的外殼，其中所述MOS傳感器布置在所述內(nèi)室中，所述外殼具有至少一個(gè) 窗口，用于使氣體進(jìn)入到內(nèi)室中，所述方法包括使用布置在至少一個(gè)窗口中的氣體選擇性屏障，來阻止選定種類的可燃?xì)怏w通過所述 至少一個(gè)窗口進(jìn)入。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其包括阻止作為選定種類的可燃?xì)怏w的甲烷的進(jìn)入，以 便提高所述傳感器設(shè)備對(duì)于氫氣的相對(duì)選擇性。
14.權(quán)利要求12所述的方法，包括阻止作為選定種類的可燃?xì)怏w的甲烷的進(jìn)入，來減 少所述MOS傳感器暴露于外殼外部大氣中的甲烷濃度的瞬間升高。
15.一種傳感器設(shè)備，其包括金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器；在所述MOS傳感器周圍的傳感器區(qū)，用于接收分析物氣體；和在傳感器區(qū)和傳感器區(qū)外部大氣之間的氣體選擇性屏障。
16.權(quán)利要求15所述的傳感器設(shè)備，其中所述氣體選擇性屏障是具有有機(jī)硅涂層的 載體，并且所述載體是重量為50-75g/m2的纖維素紙。
17.權(quán)利要求16所述的傳感器設(shè)備，其包括0.riOg/m2量的有機(jī)硅涂層。
18.權(quán)利要求16所述的傳感器設(shè)備，其中所述有機(jī)硅涂層的厚度是0.5^10微米。
19.權(quán)利要求16所述的傳感器設(shè)備，其中所述有機(jī)硅涂層選自聚二甲基硅氧烷、聚二 乙基硅氧烷、聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其組合。
全文摘要
一種傳感器設(shè)備，其包括金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器和具有內(nèi)室的外殼，其中所述傳感器布置在該內(nèi)室中。該外殼包括至少一個(gè)窗口，用于使來自該外殼外部的大氣的氣體進(jìn)入到內(nèi)室中。氣體選擇性屏障跨越該至少一個(gè)窗口布置。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102095757SQ20101058692
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者A. 瓊斯 B., D. 史密斯 P., 倫尼 P., 帕蘭 R. 申請(qǐng)人:基德科技公司