CN102095757A - 传感器设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器设备，其包括金属氧化物半导体传感器和具有内室的外壳，其中所述传感器布置在该内室中。该外壳包括至少一个窗口，用于使来自该外壳外部的大气的气体进入到内室中。气体选择性屏障跨越该至少一个窗口布置。

Description

传感器设备及其方法
技术领域
本发明涉及用于测量周围环境中的气体浓度的传感器设备。
背景技术
金属氧化物半导体(“MOS”)传感器和其他类型的传感器是已知的，并且用于测量气体浓度水平。例如，MOS传感器对于多种不同的气体例如甲烷、氢气、乙醇、异丁烷等等是敏感的。
发明内容
所公开的传感器设备包括金属氧化物半导体传感器和具有内室的外壳，所述的传感器布置在该内室中。该外壳包括至少一个窗口，用于使来自该外壳外部的大气的气体进入到内室中。气体选择性屏障跨越该至少一个窗口布置。
使用该传感器设备的一种示例性方法包括使用在该窗口中的气体选择性屏障，来阻止选定种类的可燃气体通过该至少一个窗口进入
在另一方面，传感器设备包括传感器，在该传感器周围用于接收分析物气体的传感器区，和在传感器区和传感器区外部的大气之间的气体选择性屏障。
附图说明
对本领域技术人员来说，从下面的详细说明中，所公开的实施例的不同特征和优点将变得显而易见。伴随着该详细说明的附图可以简要描述如下。
图1表示一种示例性的传感器设备。
图2表示另外一种示例性的传感器设备。
具体实施方式
图1表示了示例性的传感器设备20的选定部分，其适于对优选种类的可燃气体例如氢气具有提高的选择性。例如，该传感器设备20可以用于这样的环境中，该环境可以包含许多不同种类的可燃气体。在利用氢气驱动的车辆(例如商务巴士或者其他运输装置)的情况中，可能期望的是提高氢气的检测。大部分的金属氧化物半导体(“MOS”)传感器通常对于周围环境中的其他可燃气体比对于氢气更敏感，这可能对获得可靠的氢气浓度测量产生干扰。但是，如将要描述的那样，该传感器设备20被配置成对氢气具有提高的选择性，并由此能够用于更可靠的检测例如从车辆的氢气存储箱中逸出的任何氢气。
在说明性的实施例中，传感器设备20包括金属氧化物半导体(“MOS”)传感器22(例如Figaro TGS2611)和在该MOS传感器22周围的传感器区24，所述传感器区24用于接收来自传感器区24外部大气的分析物气体26。MOS传感器22可以包括气敏表面(未示出)，该气敏表面例如由氧化锡(SnO2)构成。传感器设备20还包括布置在传感器区24与外部大气之间的气体选择性屏障28，用于阻止选定种类的可燃气体进入传感器区24中。例如，“气体选择性”可以指的是优先阻止一种可燃气体相对于另一种可燃气体移动的特性。在期望检测氢气的车辆应用的情形中，气体选择性屏障28适用于阻止其他类型的气体例如甲烷的进入，由此提高MOS传感器22对于氢气的相对选择性。
MOS传感器22可以电连接到控制器30上，用于将代表了在传感器区24中所检测的气体浓度的信号传输到控制器30。控制器30可以包括硬件、软件或者二者来接收和处理所述信号。作为一个实例，如果所检测的气体浓度超过了预定的阈值，则控制器30能够触发警报或者其他指示，来响应所接收的信号。
气体选择性屏障28可以包括载体40和布置在载体40上的有机硅涂层42。在这种情况中，在载体40上存在单层的有机硅涂层42。但是，在其他实施例中，载体40可以包括在载体40相反面上的有机硅涂层42的一侧或者层上的多层有机硅涂层42，来实现期望的气体选择性。
载体40是多孔的，但是机械式地适于承载在有机硅涂层42。在一些实例中，载体40可以是纤维素纸或者聚合物材料，例如聚四氟乙烯纤维的膜，织造纤维结构或者非织造纤维结构。载体40可以具有适于具体应用的孔隙度。例如，可以选择较高的孔隙度，来便于基本避免阻止分析物气体26的移动，以使得有机硅涂层42是气体选择性屏障28的唯一部件，其作用是阻止气体进入。或者，可以选择较低的孔隙度，来通过截留或者阻止较大的气体分子例如甲烷，来实现有机硅涂层42的气体选择性。从这点来说，纤维素纸可以具有50-75g/m2的重量。
在上面的实施例中，可以控制有机硅涂层42的量，来达到对阻止的期望影响。例如，使用较大的量能够提供较大的阻止度，而使用较少的量能够提供较少的阻止。在一些实例中，所述的量可以是0.1-10g/m2。在另外的可用于氢气车辆应用中的实例中，所述的量可以是0.5-2.0g/m2。该量还可以用有机硅涂层42的厚度来表示。在一些实例中，该厚度可以是0.5-10微米。在另一实例中，该厚度可以是大约0.5-2.0微米。
有机硅涂层42可以是这样一种类型，其对甲烷气体移动的阻止作用大于它对于氢气气体移动的阻止作用。例如，有机硅涂层42可以是聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、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组合。根据本说明书的内容，本领域技术人员将认可其他类型的有机硅或者硅材料以满足它们的具体需要。
在低于大约5 vol%的相对低的氢气和甲烷浓度时，MOS传感器能够对甲烷比对氢气更敏感。在这个浓度状况时，暴露于低含量的甲烷可能产生来自于MOS传感器的明显的电响应信号。在这点来说，气体选择性屏障28 阻止了甲烷进入到传感器区24中，由此提高MOS传感器22对于氢气的选择性以及便于降低来自于甲烷和其他气体的干扰。气体选择性屏障28还可以用来阻止甲烷进入，来减少该MOS传感器22暴露于甲烷浓度的瞬间增加，该浓度瞬间增加否则可能引起明显的电响应信号，这可以触发警报或者其他指示器。
图2表示了另外一种示例性的传感器设备120，其也适于提高对优选种类的可燃气体分例如氢气的选择性。在本发明中，在适当之处，同样的附图标记表示同样的元件，并且具有外加的100或者其多个的附图标记表示了改进的元件，其被理解为结合有相应的初始元件的相同的特征和益处。
在这个实施例中，传感器设备120包括MOS传感器122和具有内室152的外壳150，其中MOS传感器122布置在该内室中。内室152可以被认为类似于前面实施例的传感器区24，用于接收分析物气体126。外壳150包括至少一个窗口154，用于使得来自外壳150外部大气的分析物气体126进入到内室152中。
气体选择性屏障128布置在至少一个窗口154中。在这种情况中，外壳150包括四个这样的窗口154。但是，在其他实施例中，根据具体应用的检测需要，可以有更少的或者更多的窗口154。如同前述实施例中那样，MOS传感器122可以电连接到控制器(未示出)，用于传输代表所检测的气体浓度的信号。
外壳150可以包括基体152a和盖子152b，其与基体152a配合来形成外壳150。基体152a包括内壁156和外壁158，其相互之间隔开来形成圆周形狭缝160。在所述的实施例中，基体152a是圆形，因此狭缝160是圆周形的。但是，在其他实施例中，基体152a可以具有不同的形状，并且狭缝160可以具有与基体的152a的形状相对应的形状。
内壁和外壁156和158至少部分地构成窗口154。在这种情况中，基体152a的壁156和158形成了每个窗口154的三条边，而盖子152b 形成了第四条边。窗口154可以切割成壁156和158或者在模制加工等中形成。
气体选择性屏障128是环形的，并且可以布置在内室152中，以使得气体选择性屏障128延伸跨越窗口154。盖子152b然后可以包纳在基体152a的狭缝160中，以使得盖子152b中的窗口154与基体152a中的窗口154对准。在一些实例中，另外的过滤器170可以邻近气体选择性屏障128布置，来提供其他服务，例如限制碎片或者液体进入到内室152中。这样的过滤器170还可以是环，其与气体选择性屏障128同心安装。
在气体选择性屏障128的效力的一个实例中，传感器设备120暴露于具有50%LEL(较低的爆炸极限)浓度的可燃气体，大约2.5体积%甲烷或者2.0体积%氢气的分析物气体。测量了MOS传感器122达到90%的全额度灵敏度输出的时间(其也称作t90)，并且与不具有气体选择性屏障128的相同配置进行了对比。在这种情况中，气体选择性屏障128产生了比对于氢气更大的对于甲烷气体的响应时间的延迟。因此，气体选择性屏障128选择性阻止了甲烷进入到内室152中，目的是提高传感器设备120对于氢气的相对选择性。
虽然在说明性的实施例中表示了相组合的特征，但是并非它们全部都需要相组合来实现本发明的不同实施方案的益处。换句话说，根据本发明的一种实施方案所设计的系统将不必需包括在任何一个图中所示的全部特征或者在所述图中示例性表示的全部部分。此外，一种示例性实施方案所选择的特征可以与另一种示例性实施方案所选择的特征相组合。
前述的说明书是示例性的，而非限制性质的。所公开的实施例的变化和改进对于本领域技术人员来说可以变得显而易见，其不必脱离本发明的本质。法律赋予本发明的保护范围可以仅仅通过研究下面的权利要求来确定。

Claims (19)

1. 一种传感器设备，其包括：
金属氧化物半导体(“MOS”)传感器；
具有内室的外壳，所述的MOS传感器布置在所述内室中，所述外壳具有至少一个窗口，用于使来自所述外壳外部的大气的气体进入到内室中；和
跨越至少一个窗口布置的气体选择性屏障。
2. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述气体选择性屏障是具有有机硅涂层的载体。
3. 权利要求2所述的传感器设备，其中所述载体是纤维素纸。
4. 权利要求3所述的传感器设备，其中所述纤维素纸的重量是50-75g/m2。
5. 权利要求2所述的传感器设备，其中所述载体是聚合物材料。
6. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述气体选择性屏障是布置在外壳中的环。
7. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述外壳包括具有内壁和外壁的基体，在所述内壁和外壁之间形成狭缝，并且至少一个窗口是至少部分地由所述内壁和外壁构成的。
8. 权利要求2所述的传感器设备，其中所述有机硅涂层选自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、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组合。
9. 权利要求8所述的传感器设备，其包括0.1~10g/m2量的有机硅涂层。
10. 权利要求8所述的传感器设备，其中所述有机硅涂层的厚度是0.5~10微米。
11. 权利要求1所述的传感器设备，其还包括邻近所述气体选择性屏障的其他过滤器。
12. 一种使用传感器设备的方法，所述传感器设备包括金属氧化物半导体(“MOS”)传感器和具有内室的外壳，其中所述MOS传感器布置在所述内室中，所述外壳具有至少一个窗口，用于使气体进入到内室中，所述方法包括：
使用布置在至少一个窗口中的气体选择性屏障，来阻止选定种类的可燃气体通过所述至少一个窗口进入。
13. 权利要求12所述的方法，其包括阻止作为选定种类的可燃气体的甲烷的进入，以便提高所述传感器设备对于氢气的相对选择性。
14. 权利要求12所述的方法，包括阻止作为选定种类的可燃气体的甲烷的进入，来减少所述MOS传感器暴露于外壳外部大气中的甲烷浓度的瞬间升高。
15. 一种传感器设备，其包括：
金属氧化物半导体(“MOS”)传感器；
在所述MOS传感器周围的传感器区，用于接收分析物气体；和
在传感器区和传感器区外部大气之间的气体选择性屏障。
16. 权利要求15所述的传感器设备，其中所述气体选择性屏障是具有有机硅涂层的载体，并且所述载体是重量为50-75g/m2的纤维素纸。
17. 权利要求16所述的传感器设备，其包括0.1~10g/m2量的有机硅涂层。
18. 权利要求16所述的传感器设备，其中所述有机硅涂层的厚度是0.5~10微米。
19. 权利要求16所述的传感器设备，其中所述有机硅涂层选自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、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组合。
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