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CN1732383A - 气体传感器 - Google Patents

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CN1732383A
CN1732383A CNA2003801076648A CN200380107664A CN1732383A CN 1732383 A CN1732383 A CN 1732383A CN A2003801076648 A CNA2003801076648 A CN A2003801076648A CN 200380107664 A CN200380107664 A CN 200380107664A CN 1732383 A CN1732383 A CN 1732383A
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CN
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heating
period
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CNA2003801076648A
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Inventor
B·E·科尔
R·E·希加施
R·A·伍德
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Honeywell International Inc
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Honeywell International Inc
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Abstract

提供用于检测气体试样中的一种或多种气体的低功率气体传感器。气体传感器包括检测所需气体的传感器和加热传感器的加热器。工作时，控制器在第一时段向加热器提供功率，将传感器加热到工作温度。到达工作温度后，控制器读出传感器，以便确定气体试样中被检测气体的量度。测量之后，为节省功率，控制器在第二时段撤消向加热器提供的功率，让加热器和传感器冷却到或接近环境温度。第二时段可以比第一时段长，在某些情况下，会长很多。在一些实施例中，传感器和加热器与传感器的一些或全部其余部分(例如传感器衬底)热隔离。这有助于降低将传感器和加热器加热到工作温度所需的功率。本发明的气体传感器理想地适合于用电池供电和/或无线应用。

Description

气体传感器
发明背景
本发明一般涉及气体传感器，更具体地说，涉及用于检测环境或流体流试样中一种或多种气体的气体传感器。
人们日益关注监控和控制室内和室外环境的空气质量。有许多气体，包括例如COX、NOX和SOX等，如果释放出来，就会降低空气质量。有数种类型的气体传感器通常用来检测这些气体。许多这些气体传感器包括能产生与被检测气体的浓度有关的电输出信号的材料或材料系统。例如，固态电解型传感器在被检测气体的浓度改变时通常产生电动势(EMF)。固态电解型传感器通常包括：属于离子导体的固态电解层；包含电子导电材料和辅助电极材料的工作电极层；包含电子导电材料的参考电极层；以及用于加热所述各层的加热器。也可以使用其它配置。
工作时，固态电解型传感器的加热器通常用来将固态电解层加热到工作温度。一旦被加热，传感器就通过固态电解层在工作电极层和参考电极层之间产生电动势，电动势的大小取决于被检测气体的浓度。当被检测气体的浓度改变时，在包含于工作电极层中的辅助电极材料和被检测气体之间发生离解平衡反应，直到达到平衡为止，且在工作电极附近的固态电解层中的可移动离子的浓度发生改变。由于浓度的改变表现为电动势的改变，所以可以确定被检测气体的浓度。
许多先有技术气体传感器的局限性在于：传感器热耦合到衬底或其它类似的吸热层或材料上。所以加热传感器所需要的功率可能相当高。许多先有技术气体传感器的另一局限性在于：传感器连续地被加热。这也消耗了相当大的功率。这些以及其它局限性使许多先有技术的气体传感器不适合于低功率的应用。
发明概述
本发明针对气体传感器，更具体地说，针对用于检测气体试样中一种或多种气体的气体传感器。所述气体传感器包括用于检测所需气体的传感器和用于加热传感器的加热器。工作时，控制器向加热器提供功率，以便将传感器加热到高于环境温度的工作温度。最好是，将热量加到传感器上提高了传感器的灵敏度。
在一些实施例中，控制器在第一时段向加热器提供功率，以便将传感器加热到工作温度。到达工作温度后，控制器读出传感器以便确定气体试样中被检测气体的量度。测量之后，为节省功率，控制器可以在第二时段撤消加到加热器的功率，让加热器和传感器冷却到环境温度或接近环境温度。第二时段可以比第一时段长，在某些情况下，会长很多。
在一些实施例中，传感器和加热器与传感器的一些或全部其余部分(例如传感器衬底)热隔离。这有助于降低将传感器和加热器加热到工作温度所需的功率。本发明的气体传感器可以理想地适合于电池供电和/或无线应用。
附图简要说明
图1是根据本发明的说明性气体传感器的截面侧视图；
图2是图1的说明性气体传感器的示意的顶视图；
图3是根据本发明的另一说明性气体传感器的截面侧视图；
图4是说明本发明一个说明性实施例的加热器电流和时间的关系的定时图；
图5是说明本发明一个说明性实施例的传感器温度和时间的关系的定时图；以及
图6是根据本发明的说明性气体传感器组件的示意的侧视图。
发明的详细说明
本发明针对气体传感器，更具体地说，针对用于检测气体试样中一种或多种气体的气体传感器。图1是根据本发明的一种说明性气体传感器的截面侧视图。图2是图1的说明性气体传感器的示意的顶视图。总体上以标号10示出所述说明性气体传感器，后者包括形成在衬底14上或其上方的传感器12。说明性气体传感器12包括加热器层16、缓冲层18、下电极层20、固态电解层22和上电极层24，如图1所示。应当理解：所示的各特定层以及它们的相对位置都可以改变，但仍在本发明的范围之内。重要的是加热器层热耦合到固态电解层22，以及形成与固态电解层22的接触点。
加热器层16最好由电流从其中通过时会产生热量的电阻性材料制成。为增加能够提供到传感器12的热量，加热器层16可以配置成沿传感器12的区域来回地蜿蜒，如图2所示。固态电解层最好用适合的固态电解材料制成。例如，如果要检测的气体是CO2，则固态电解质可以是NASICON、NaBaCO3或任何其它适合的电解材料。
控制电子线路28可以设置在衬底14上或衬底14中。控制电子线路28最好通过迹线30a和30b连接到加热器层16，并且通过迹线32a和32b连接到下电极层20和上电极层24，如图2所示。工作时，控制电子线路28最好向加热器层16提供功率，以便将传感器12加热到高于环境温度的工作温度。最好将热量加到传感器12上，更具体地说，加到固态电解层22上，来提高传感器对被检测气体的灵敏度。
参阅图4，在本发明的一个实施例中，在第一时段，控制电子线路28可以向加热器层16提供功率，以便将传感器加热到工作温度，如图4所示的第一时段40。到达工作温度后，控制电子线路28可以通过下电极层20和上电极层24读出固态电解层22上的电压，以便确定气体试样中被检测气体的量度。可以在例如图4所示的时间44进行所述测量。测量之后，为节省功率和/或增加传感器的有用寿命，在第二时段，控制电子线路可以撤消加到热器层16的功率，让加热器层16和固态电解层22冷却到环境温度或接近环境温度。图4中以标号42表示第二时段。图5中示出传感器12的结果温度和时间的关系。控制电子线路28可以定期或间断地向加热器层16提供功率，以便将传感器加热到工作温度，如图4-5所示。
第二时段42最好比第一时段40要长，并且在某些情况下，可长很多。例如，第一时段40可以按小时、分、秒计，甚至更短，而第二时段42可按天、小时或分计。一般来说，第一和第二时段之差越大，功率节省就越多。此外，由于在较高温度下较快发生传感器的老化效应，所以，如果有较长的第二时段，就可以延长传感器的有用寿命。
在一些实施例中，可以把传感器12和气体传感器10的一些或全部其余部分热隔离。在图1所示的实施例中，在传感器12下方的衬底中刻蚀凹坑52，使传感器12和衬底14之间留有间隙。所述间隙可以是空气间隙，或充填以热传导系数低的材料。可以恰当地(intact)保留支撑脚50a-d，以便将传感器12支撑在凹坑52上方。在所述配置中，包括加热器16和固态电解层22的传感器12悬挂在衬底上方，其间有间隙，这有助于传感器12与气体传感器10其余部分的热隔离。这有助于减少将传感器12加热到工作温度所需的功率量和时间。
由于将传感器12加热到工作温度所需的功率量减少和/或因为传感器12仅在需要进行读数时才加热，所以气体传感器10可以理想地适合于电池供电和/或无线应用。例如，控制电子线路28可以由电池56供电和/或控制电子线路28可以通过天线58无线发送来自气体传感器10的输出信号。
图3是根据本发明的另一气体传感器的截面侧视图。总体上以标号80示出所述传感器，后者包括衬底82、支持结构84、传感器86和控制电子线路88。所述实施例类似于结合图1-2所示和说明的实施例。但不是将传感器悬挂于衬底中刻蚀的凹坑52上方，如图1所示，而是在衬底上设置支持结构，所述支持结构将传感器86悬挂于衬底82的上方。可以在支持结构84的下方形成间隙90等，以帮助提供热隔离。用另外一种方法，或者附加地，支持结构84可以用热传导系数低的材料制成。不论使用哪种方法，传感器10和传感器86都与衬底热隔离。
图6是根据本发明的说明性气体传感器组件的示意的侧视图。总体上以标号100示出气体传感器组件，后者包括外壳102、气体传感器104和吸收器106。所述气体传感器类似于结合图1-5所示和说明的传感器。
通过吸收器106将从环境中提取的气体试样110提供给气体传感器104。吸收器最好包括吸收剂材料，所述吸收剂材料在试样110到达气体传感器之前能从试样110中吸收不希望有的成分或气体。例如，吸收器可以吸收不希望有的水分或一种或多种干扰气体。在一些情况下，不希望有的水分会降低气体传感器104的固态电解层的有效性。同理，干扰气体有时会降低气体传感器104所进行的测量的可靠性和精确度。
气体传感器组件100还可包括许多引线108。必要时，引线108可以在气体传感器组件100和外部电路板等之间提供机械和/或电连接。
在以上说明中已提出了本文件所覆盖的本发明的众多优点。但应理解，所述公开内容在很多方面仅是说明性的。在细节上，特别是在形状、大小以及零件的安排上都可作改动，而不超过本发明的范围。本发明的范围当然由用于表达所附权利要求书的语言来定义。

Claims (27)

1.一种用于检测试样中气体的气体传感器，它包括：
衬底；
检测装置，用于检测所述气体，所述检测装置包括当加热到高于环境温度的工作温度时对所述气体更为敏感的材料或材料系统；
加热装置，用于将所述检测装置加热到所述工作温度；
控制装置，它连接到所述加热装置和所述检测装置，所述控制装置加热所述加热装置，使得所述检测装置在第一时段达到所述工作温度，其中所述检测装置检测所述气体，然后所述控制装置在第二时段让所述加热装置冷却到环境温度或接近于环境温度。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述第二时段比所述第一时段要长很多。
3.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述检测装置的所述材料或材料系统包括固态电解质。
4.如权利要求3所述的气体传感器，其中所述固态电解质包括NASICON。
5.如权利要求3所述的气体传感器，其中所述固态电解质包括NaBaCO3。
6.如权利要求1所述的气体传感器，其中至少部分所述检测装置和所述加热装置与所述衬底热隔离。
7.如权利要求6所述的气体传感器，其中至少部分所述检测装置和所述加热装置悬挂于所述衬底之上。
8.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述控制装置在所述第一时段将电流提供给所述加热装置以加热所述加热装置。
9.如权利要求8所述的气体传感器，其中所述控制装置在所述第二时段撤消加到所述加热装置上的全部或基本上全部电流。
10.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述控制装置由电池供电。
11.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述控制装置连接到所述检测装置并提供传感器输出信号。
12.如权利要求11所述的气体传感器，其中所述控制装置接收来自所述传感器装置的信号并通过天线无线发送所述传感器输出信号。
13.如权利要求1所述的气体传感器，其中还包括用于在所述试样到达所述检测装置之前从所述试样中吸收不希望有的成分的吸收剂材料。
14.如权利要求13所述的气体传感器，其中所述不希望有的成分包括水。
15.如权利要求13所述的气体传感器，其中所述不希望有的成分包括一种或多种干扰气体。
16.一种用于检测试样中气体的气体传感器，它包括：
衬底；
检测装置，用于检测所述气体，所述检测装置包括当加热到高于环境温度的工作温度时对所述气体更为敏感的材料或材料系统；
加热装置，用于将所述检测装置加热到所述工作温度；
其中至少部分所述检测装置和所述加热装置与所述衬底热隔离；以及
控制装置，它连接到所述加热装置和所述检测装置，所述控制装置加热所述加热装置，使得所述检测装置在第一时段达到所述工作温度，其中所述检测装置检测所述气体，然后所述控制装置在第二时段使所述加热装置冷却。
17.如权利要求16所述的气体传感器，其中所述第二时段比所述第一时段长很多。
18.如权利要求16所述的气体传感器，其中所述检测装置的所述材料或材料系统包括固态电解质。
19.如权利要求16所述的气体传感器，其中至少部分所述检测装置和所述加热装置悬挂于所述衬底之上。
20.如权利要求16所述的气体传感器，其中所述控制装置由电池供电。
21.如权利要求16所述的气体传感器，其中所述控制装置连接到所述检测装置并提供传感器输出信号，并通过天线无线发送所述传感器输出信号。
22.如权利要求16所述的气体传感器，其中还包括用于在所述试样到达所述检测装置之前从所述试样中吸收不希望有的成分的吸收剂材料。
23.如权利要求22所述的气体传感器，其中所述不希望有的成分包括水。
24.如权利要求22所述的气体传感器，其中所述不希望有的成分包括一种或多种干扰气体。
25.一种检测气体的方法，所述方法包括以下步骤：
设置用于检测所述气体的传感器，所述传感器包括当被加热到高于环境温度的工作温度时对所述气体更为敏感的材料或材料系统；
在第一时段将所述传感器加热到所述工作温度；
在第二时段让所述传感器冷却到所述环境温度或接近于所述环境温度；以及
重复所述加热和冷却步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述检测装置固定到衬底上，但与所述衬底彼此隔开。
27.如权利要求25所述的方法，其中还包括以下步骤：
当所述传感器被加热到所述工作温度时，接收所述传感器发出的信号；
无线发送对应于从所述传感器接收的信号的传感器输出信号。
CNA2003801076648A 2002-11-01 2003-10-30 气体传感器 Pending CN1732383A (zh)

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