CN1512172A - 混合薄膜型传感器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种包括厚－或薄－薄膜型电极的小型气体传感器，所述电极在非传导支持基片上，并与固体离聚物电解液相接触，用于检测有毒气体，即一氧化碳，和其它的可氧化的或可还原的气体和蒸气。该全部固体(all－solid)平面的传感器单元具有两个或更多的被安排在支持基片的非传导平面上的薄膜型电极。电极是离散的并且紧密地接触相同的聚合离聚膜。传感器单元包含非液体电解质并以恒定电压，恒定电势或动态电势方式操作。通过对感测电极所设计的新颖的三相接触区实现选择气体或蒸气的高灵敏度，所述感测电极提供与固体离聚物电解液以及通过穿过所述支持基片的扩散开口或孔的气体采样的接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有改进的可重复性和有效性的传感器。
背景技术
基于薄膜的技术通常被研究广泛用于各种传感器，如Wenyi等人，1997；Hughes等人，1997；Staley，1996；Agbor等人，1995；Tan和Tan，1995；Menil等人，1994；Kunnecke等人，1994；Creasey and Varney，1994；Geistlinger，1993；Ishiji等人，1993；Najafi等人，1992；Hampp等人，1992；Nakano和Ogawa，1994；Yamazoe和Miura，1994；以及，Madou和Otagawa，1989所报告的。尽管固状气体传感器可以具有能在升高的温度上操作的优点，但它们也具有缓慢的响应和恢复时间以及高的内部操作温度的缺点，如Liu等人，1993；和Narducci等人，1993所报告的。最近更多的著作(Schwebel等人，1997；Sheng等人，1997；Micocci等人，1997)未提及待进行的更实质性的研究工作。
Kinlen等人，1994的Nafion-涂层金属氧化物PH传感器通常特征在于，在氧化铝陶瓷基片上具有喷射的铱氧化物感测和银/银氯化物基准电极。Nafion可以被当成阳离子选择的离聚物涂层以便降低典型地影响金属氧化物PH电极性能的氧化-减少误差。在Yasuda等人，1994中，针对薄膜CO传感器的使用作为聚合物电解质的Nafion通常用大尺寸，喷射的Pt感测和反电极并且较小的喷射的Au电极作为参考电极描述。可以使用Nafion的5wt％n-丙醇溶液(DuPont，1100EW)以便通过铸造在电极上形成聚合物电解质薄膜。在铸造之前，聚合物通常在含水的硫酸中被冲洗和被质子化。这种传感器的理论寿命通常少于一个月。在这个期间，CO氧化电流典型地稳定地下降到它的原始值的百分之几而不管稳态测量信号的任何周期。通过将聚合物电解质层与一铸件perfluorocycloether-聚合物薄膜迭压以便通过Nafion常数保持CO渗透系数，设备的寿命可以被延长到三年。理论计算经常反映出在这些条件下可以有效地减少信号的漂移率。
典型的现有技术的含水的固体聚合物电解质或离聚物传感器和传感器单元的说明通常由Kosek等人U.S.专利5,527,446；LaConti和Griffith，U.S.专利4,820,386；Shen等人，U.S，专利5,573,648；和，Stetter和Pan，U.S.专利5,331,310所描述。这些传感器单元，基于含水的固体聚合物电解质或离聚物技术，比常规的电气化学传感器单元具有若干优点。催化电极通常被直接粘结(bond)到传导固体聚合物离聚物膜的质子的两边，提供稳定电极到电解质接口。电解质膜的一边通常被蒸馏水淹没，使得传感器单元自身变潮湿和独立于外部潮湿。由于通常没有腐蚀酸或盐基用在传感器单元中，对于固体聚合物离聚物传感器单元，通常可以具有10年以上的寿命。最后，传感器单元可以容易地维护并且可以被理想化地的用于远端，无人管理的环境，因为维护典型地不过只需要在每几个月中加少量的水到传感器外壳内的容器中和每月的校准检查。
上述现有技术的传感器的缺点是，信噪比不易于重要环境和生物医学气体和水蒸气的很低浓度的检测(每10亿部分(parts per billion)，ppb)。此外，响应时间相当地低，传感器和传感器单元之间的再现性很难实现。而且，它们是相当昂贵的。
近来，小型化的厚膜和薄膜类型的传感器已经被开发，其中固体离聚物膜通常当作被检测的气体(采样气体)和感测电极之间的管道(Yasuda等人，1994)。采样气体通常渗透过膜本身，其中建立了三相接触区域。具有该结构的缺点是，固体离聚物膜水含量通常控制气体渗透率以及质子传导性。随着湿度增加，典型的是薄含水量增加。这就会引起气体扩散率增加以及质子传导性和传感器信号响应的增加。一种控制或固定膜水含量的方法是在直接相对于薄膜型电极和非传导支持基片所定位的地方的薄膜的背侧上安放水容器。然而，膜的背侧通常需要没有液体以便采样气体能够通过膜扩散到感测电极。
Madou等人的美国专利号4,812,221，(″Madou″)典型地涉及具有位于相邻感测电极的通道并且通常与感测电极相接触的多孔渗透部件的气体传感器。多孔部件的孔的尺寸通过改变处理参数，比如电流，氟化氢浓度等等可以被控制。此外，Madou似乎指出用于提供气体传感器的许多其它的步骤，比如度量多孔膜中孔的尺寸，度量感测电极的孔的尺寸，和选择电极的材料。与按照Madou所提供的传感器通常相关的一个问题是重复性和/或再现性的困难，这是由于从一个传感器到另一个的巨大的变化。另一个困难是制造传感器中的问题或成本，由于步骤的数量，其中通常被认为随着步骤数量的增加制造会变得更加昂贵。另一个可能的缺点是，没有公开Madou中使用了过滤器的渗透系数，以用于确定膜的厚度和其它的物理特性，它优化传感器的响应时间。再有一个可能的缺点是，如果需要，Madou的过滤器是惰性的并不与扩散透过薄膜的气体反应。
因此，所需要的是具有改进重复性的传感器。另一个需要是，提供一种具有改进的响应时间的传感器。另一个需要是提供一种具有改进的信噪比的传感器，再有一个需要是，提供一种易于以低成本制造并同时保持或提高它的操作和制造效率的传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有三相接触区(three-phase contact area)的可控制的和可再现的气体传感器结构，从而采样气体通过延伸经过非传导支持基片以及固体扩散膜的开口、孔或缝隙、扩散至感测电极和固体质子传导膜。
本发明的另一个目的是提供一种气体传感器，其中气体扩散处理过程是从质子传导处理过程中去耦合。因此，本发明控制气体经基片中的孔流过而不仅仅通过与感测电极接触的扩散膜流过，后者是传统传感器所熟知的。因而，除了基片孔之外，本发明可以使用非电解的或电解的膜来控制气体流动。通过经基片中已知区域的开口或在基片中和附加比率限制气体扩散阻挡薄膜，例如聚乙烯，控制气体扩散，同时质子传导只通过质子传导的电解层，例如Nafion膜出现。
此外，本发明的另一个目的是利用一种通过堆积数个元件层以形成一系列相邻的传感器，随后将它们分成单个传感器而大量生产薄膜型气体传感器的方法。
本发明的另一个目的是提供一种结合气体传感器控制电路使用的气体传感器。
此外，本发明另一个目的是提供一种在气体感测仪器中所使用的气体传感器。
本发明通过提供一种传感器来实现前述的和其它的目的，该传感器具有：基片，带有第一表面和第二表面；感测电极，与所述基片接触；和开口，从所述第一表面延伸到所述第二表面接近所述感测电极以便控制气体流。本发明进一步包括电解材料的气体扩散膜，它与所述感测电极接触，并被放在所述开口内和在被检测气体和所述感测电极之间。该气体扩散膜具有根据该气体扩散膜的渗透系数所确定的厚度。
在另一个实施例中，使用聚合气体扩散膜替代电解膜，其中聚合膜可以是非电解的，并因此，不与气体和/或感测电极反应。
在另一个实施例中，气体扩散膜由电解材料构成，其中膜的厚度可以根据渗透系数优化确定。
附图说明
图1显示了非传导支持基片的示意性俯视图。
图2显示了具有Pt/Air(O2)基准的薄膜型电气化学传感器单元。
图3显示了在感测电极膜上具有聚合气体扩散层的薄膜型电气化学传感器单元。
图4显示了气体传感器控制电路。
图5显示了在气体感测仪器中使用的气体传感器。
具体实施方式
本发明通过把先进的固体聚合离聚物膜结构与非传导支持基片上的薄膜型电极独特地组合，克服了上述传感器的限制。基片有具有已知区域的扩散开口或孔，它们允许采样气体容易地通过扩散膜访问到感测电极接触区域。传感器结构在膜，感测电极，和被检测气体的接口处提供三相接触区。该设计利用固态设备制造技术的精度以获得廉价，低维护性，高灵敏度，快速响应，和可再现的传感器设备，用于环境的，工业的，和生物医学监视。
图1显示了基片(1)的俯视图，它最好是非传导的和可以是具有孔(2)的陶瓷或氧化铝的一薄片或薄膜。所示的孔(2)通常被平行多行分布，但对于适当的传感器操作不需要这种均匀地安排。平行的行中的孔(2)之间的距离和行之间的距离确定传感器的尺寸。在优选实施例中，在高温烧结之前的基片制造的“绿色(green)”阶段，当氧化铝平板还是软的时，在单一步骤中理想地穿出孔(2)。在另一个实施例中，使用激光烧蚀或使用可溶填充物来生成孔(2)。在另一些实施例中，可以预见提供孔(2)的任何方式。
传导引线32、33和34以及厚-和薄-薄膜电极被形成在用于多个电极的基片(1)上。可以使用屏幕印刷或平版印刷技术或任何其它提供基片(1)上的引线32-34的方式来提供引线32-34。
利用该方法的典型的传感器设计如图2所示，它具有基准电极(4)和Pt反(counter)电极(5)。基准电极材料包括白金或Pt/Air(O2)并且反电极材料包括白金。用于感测电极(6)的触点是与孔同心的环形。该环形可以由圆滑的、粗糙的或镀铂的白金构成。在另一些实施例中，该环形可以是白金、黄金、钛、钽、锆、钨、或铌。一些镀铂的环形可以提供较好的接触。通过在正确掩模的多个传感器板上的专用的电解电镀，可以执行电极的同时镀铂。
感测或工作电极(6)可以是Teflon-粘结或Nafion-粘结的白金盘(disc)或其它的电催化剂。许多盘被沉积在离聚物薄膜上，比如彼此等距分开的Nafion电解薄膜(8)，例如，通过贴花膜传送、丝绸印刷、喷漆、艺术刷写、或通过有助于在传送基片上均匀的沉积设计而不浪费的任何方法。从中心到中心的盘的距离与图1的孔是相同的。感测或工作电极盘的直径大于图1中孔的直径以便允许盘和图2的感测电极支持环形之间接触。代替图1的每个传感器的单一的大孔(需要使用基片来控制分析物的扩散)，可以使用一系列具有足够小的直径以控制扩散而不管分析物流量较小的开口。开口的区域被选择以便控制朝着传感器的采样气体的扩散和保持不变的扩散率而不管采样气体流率中的任何变化。通过使用许多这些扩散控制小孔，可以获得合理的大信号。对于这些小孔的长度直径比的范围是2/20，最好的比率是3/10。
在空的氧化铝表面(没有印刷的引线和电极的表面)上可渗透气体扩散膜(9)被沉积。使膜(9)与孔(2)上的感测电极整合，如图3所示，或者松松地挂在感测电极(6)上。如图3示意所示安排基片(具有印刷导体的多个阵列)，Nafion膜(具有多个感测电极盘)，和气体渗透薄膜。在所有的元件被结合之后，以单个传感器单元切割最终的结构。
因为孔(2)控制朝着感测电极(6)扩散的气体的扩散，或流量，膜(9)是一种聚合物材料。聚合物被定义成或是电解质的，比如离聚物薄膜，或是非电解的。取决于应用或实验，当不期望膜(9)和感测电极(6)之间有反应、或者干扰的时候，膜(9)可以是非电解材料。在其它实施例中，当需要膜(9)和感测电极(6)之间反应时，膜(9)可以是电解材料。在另一些实施例中，除了孔(2)之外，不管是电解的或非电解的，膜(9)可以提供第二结构来控制气体扩散。然而，应该明白，对于本发明，孔(2)提供主要的气体扩散。
作为气体通过膜(9)的扩散率的一个指示，膜(9)的渗透性可以被表示成为系数，它是通过膜(9)要扩散的气体和选择用于膜(9)的材料的函数。
换句话说，在特定的温度上，特定的压力下，并在给定的时间，渗透系数表示可以移动通过具有特定厚度的膜(9)的分子量。因此，用户选择膜(9)来用于本发明。用户的第一步骤是基于与气体的反应特性确定要用在传感器中的被扩散的气体和材料类型。接着，基于材料的渗透系数和被扩散的气体，用户确定膜(9)的厚度、表面区域，以及膜(9)的其它的物理特性。
通过选择膜(9)，迅速并容易地实现传感器，从而减少了制造成本。此外，传感器具有增强的重复性，因为从传感器到传感器，膜(9)是通常类似的材料、厚度、表面、区域、和渗透系数。因此，以超过现有技术的改进的方式在制造过程中控制膜(9)。
应该明白，膜(9)的厚度仅仅是可以根据渗透系数所确定的一个物理特性，而其它的特性也可以被计算出。
基于渗透系数确定膜(9)的厚度的公式是：
i＝Pd×A×ΔP/d或者d＝Pd×A×ΔP/I
通过气体可渗透膜(9)的气体流量，并因此测量的电流量i，取决于流过膜(9)的气体的局部压力ΔP中的差。区域A等于几何感测电极区域并且d是膜(9)的厚度。Pd是渗透系数。
用于确定基于渗透系数每秒通过膜(9)扩散的气体的容量的公式是：
Fd＝Pd×Δc
其中Fd是流密度，以mol/cm2sec测量，假设1cm厚度膜，标准压力1atm，标准室温。Pd是渗透系数，可以以cm/sec单位测量。Δc-c1-c0是通过膜的浓度差，以mol/cm3测量，其中Δc是膜两侧上两个浓度之间的差。c1是薄膜内部材料的浓度，最好定位在感测电极的表面上。c0是薄膜外部的浓度，最好是围绕着容器外部的空气的气体抽样，或者是通过一GC的气体流(这里我们想要测量有多少特定的气体，比如H2S被包含在气体采样中)。
基于渗透系数的作为时间的函数的用于确定膜(9)内气体浓度的公式是：
c1(t)＝c0×(1-e-t/T)
T＝V/(A×Pd)...是上面等式的时间常数
A是膜的几何区域
V是在膜前面的材料的容量
Pd是渗透系数
在该例中，c1是时间的函数并且在c1(o)从零到c1(t＝无穷大)＝c0改变。下面是可以被用于膜(9)的可能的材料和渗透系数的非穷举表：
表1
| 气体 | 温度deg C | 渗透系数 | |
| 玻璃纸 | 聚乙烯 | ||
| 二氧化碳 | 30 | 9.7 | 28.1 |
| 硫化氢 | 30 | 9.7 | 43.0 |
| 氧 | 30 | 10.5 | 6.9 |
| 氮 | 0 | 11.2 | 0.25 |
| 30 | 9.4 | 2.1 | |
| 50 | 9.3 | 7.4 | |
| 70 | 8.4 | 22.0 | |
单位cc×cm×1010/sq cm×sec×Δcm Hg，在标准温度和压力上
表2
| 材料 | PO2 | PCO2 | 比率(CO2/O2) | PH2O |
| 聚丙烯腈 | 0.0003 | 0.0018 | 6.0 | 300 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯 | 0.0012 | 0.0032 | 2.7 | 410 |
| 聚偏二乙烯的氯化物 | 0.0053 | 0.029 | 5.5 | 1 |
| Barex(Sohio Co.)* | 0.0054 | 0.018 | 3.3 | 660 |
| 聚乙烯对苯二酸盐 | 0.035 | 0.17 | 4.9 | 175 |
| 酰胺纤维6 | 0.038 | 0.16 | 4.2 | 275 |
| 乙烯聚合物的氯化物(未增塑的) | 0.045 | 0.16 | 3.6 | 275 |
| 聚乙烯(0.964密度) | 0.40 | 1.80 | 4.5 | 12 |
| 纤维素醋酸盐(未增塑的) | 0.80 | 2.40 | 3.0 | 6,800 |
| 丁基橡胶 | 1.30 | 5.18 | 4.0 | 120 |
| 聚碳酸酯 | 1.40 | 8.0 | 5.7 | 1,400 |
| 聚丙烯(0 907密度) | 2.20 | 9.2 | 4.2 | 65 |
| 聚苯乙烯 | 2.63 | 10.5 | 3.8 | 1,200 |
| 氯丁(二烯)橡胶 | 4.0 | 25.8 | 6.5 | 910 |
| 特氟隆 | 4.9 | 12.7 | 2.6 | 33 |
| 聚乙烯(0.922密度) | ||||
| 聚(2，6二甲基的聚乙烯氧化物) | 15.8 | 75.7 | 4.8 | 4,060 |
| 天然橡胶 | 23.3 | 153 | 6.6 | 2,600 |
| 聚(4甲基戊烯1) | 32.3 | 92.6 | 2.9 | --- |
| 聚二甲基的硅氧烷 | 605 | 3,240 | 5.3 | 40,000 |
上述全部的温度是30℃
*高丙烯腈共聚物
单位cc×cm×10-10/sq cm×sec×Δcm Hg，在标准温度和压力上
表3
| 聚合物膜 | O2渗透性10-10[mol m/s m2 Pa] |
| PTFE | 0.25 |
| 聚酯树脂(Mylar) | 0.0063 |
| 酰胺纤维6 | 0.013 |
| PVA10-10 | 0.033 |
| PVC | 0.047 |
| 甲基纤维素 | 0.233 |
| 纤维素醋酸盐 | 0.267 |
| PE，高密度 | 0.33 |
| 聚苯乙烯 | 0.4 |
| 天然橡胶 | 8 |
| 氟硅氧烷 | 36.6 |
| PDMS | 167 |
表4
| 聚合物 | 渗透性×1010moles/sec | ||
| O2 | CO2 | H2O | |
| 二甲基的硅树脂橡胶 | 804 | 4200 | 50,000 |
| 天然橡胶 | 32.0 | --- | --- |
| 聚乙烯(低密度) | 10.7 | 33.0 | 444 |
| 特氟纶 | 7.6 | 21.0 | 46 |
| 聚苯乙烯 | 1.6 | 4.0 | --- |
| 聚丙烯 | 1.34 | 4.5 | 100 |
| 迈拉(Mylar) | 0.025 | 0.046 | 70 |
对于1-mil厚度的膜，1cm2，在室温上，具有跨越薄膜的760mm的差分压力。
下面是可能的用于膜(9)的材料和厚度的非穷举表。
表5.作为阴极区域、膜、以及膜厚度的函数的电极输出和响应时间
| 电极 | 膜 | 厚度 | 输出(空气) | 97.5％响应时间(空气→氮) |
| 电镀的 | 特氟纶 | 0.5mil | 4.40μa | 2.0sec |
| (55-mil阴极) | ″ | 1.0mil | 1.63μa | 8.0sec |
| 聚丙烯 | 0.5mil | 0.80μa | 10.0sec | |
| ″ | 1.0mil | 0.222μa | 30.0sec | |
| 极谱法 | 聚丙烯 | 0.5mil | 0.80na | 18.0sec |
| (1.0-mil阴极) | ″ | 1.0mil | 0.41na | 45.0sec |
| 特氟纶 | 0.125mil | 8.3na | 0.3sec | |
| 特氟纶 | 0.25mil | 4.2na | 0.6sec | |
| 特氟纶 | 0.375mil | 3.75na | 1.0sec | |
| 特氟纶 | 0.5mil | 2.70na | 2.2sec | |
| 特氟纶 | 0.75mil | 2.34na | 7.0sec | |
| 特氟纶 | 1.0mil | 1.78na | 17.0sec | |
| 发酵(极谱 | 特殊的硅树脂 | 110na | 45.0sec |
| 法，10-mil阴极) | 化合物 |
上述的薄膜型传感器结构集成了电势恒定器并且接近+0.1V的电压相对于Pt/空气(O2)基准被提供到Pt感测电极。这相应于相对普通氢电极(NHE)提供的接近1.16V的电势恒定器的电压。
空气的气体采样和空气中7.4ppm的SO2被引入上述固定设备的采样端口。气体流接近60cm3/min并且温度是接近25℃。采样气体通过非传导基片中的80-mi孔扩散并且在暴露的感测电极/固体离聚物电解液表面上电气化学地反应。由容器中的液体水提供湿度，它浸透安置有电极结构的膜的相反面，或者背面。
空气的背景响应信号是30毫微安培(nA)。空气中7.4ppm的SO2的响应信号是135nA。这对应于每80-mil孔105nA或14.2nA/ppm的空气中的7.4ppm的SO2的纯响应信号。通过增加整体感测电极结构上的基片中的孔数，可以增加信号的幅度和信噪比。
此外，以该结构，检测其它的可氧化的或可还原的气体，比如CO、NO、NO2、H2S、臭氧、CO2、氢、联氨、氨、HCl，醇类和丙酮也是可能的。
参考图4和5，显示了传感器控制电路(13)的方框图。传感器控制电路(13)被设计为：1)在预定电压(“电势恒定器电压”，或“Epot“)上控制感测电极(6)的电势；2)测量温度；3)把气体浓度相关的电流转变成温度补偿的电压信号；和4)提供适当放大的电压到数据采集/存储微处理器(14)中。机载微功率调节电源(16)使用微处理器(14)电源提供传感器电路所需的±3.9伏。通过6-V电池(16d)或AC适配器(16e)能提供DC功率。
传感器控制电路(13)的控制放大部分(17b)包括微功率运算放大器(例如，MAX407或LM6062)。传感器部件(1)的感测(6)、反相(5)和基准(4)电极部分是在位于图4所示的控制放大器(17b)的反馈环中，一用于稳压器电路的标准结构。可调节的分压器(17a)允许极化电压(Epot)被设置到预定的电压范围，比如0至50mV。通过传感器控制电路(13)的控制放大器(17b)该信号与基准电极(4)电压(在求和点上出现)相比较。后者调节通过传感器单元(10)的电流以便最小化Epot和基准电极(4)电压之间的差。
与气体浓度线性相关的最终的传感器单元部件(19)电流(从感测电极(6)到反电极(5)的电子流)通过电流-电压变换器(15a)被转换成一电压信号。用位于气体传感器外壳(10)中的热敏电阻(18a)，传感器的温度补偿信号在下一级放大(15b)中受到影响。如果需要的话，最后一级放大(15c)提供电压信号的变换以及增益调节，以便允许校准传感器中灵敏度的正常的变化。如控制放大器(15b)一样，相同类型的微功率运算放大器被用于这些级(15a)、(15b)、(15c)。变换的电流信号被直接送到微处理器(14)的数据采集板上的A/D信道。
通过微功率调整电源(16)由Duracell 6-V电池(16d)(PX 28A或28L)提供用于传感器控制电路(13)的功率。电源(16)利用电压变换器(例如ICL7660)(16a)以把正电池电压变换成相同幅度的负电压，并利用正电压调整器(例如MAX663)(16c)和负电压调整器(例如MAX664)(16b)来提供稳定的±3.9伏。
如图5所示，薄膜型气体或蒸气感测仪器(12)包括传感器单元部件(19)、电势控制电路(13)、电源(16)、和具有数据采集-记录单元的微处理器(14)。感测仪器(12)最好是用电池工作的，和能够在间隔时间上采样气体或蒸气以及温度信号，并在数据采集板上的随机存取存储器(RAM)中存储每天至每星期的数据。数据采集电路微处理器被编程以在预设的间隔上采样和存储气体浓度信号。通过RS232端口访问微处理器把数据下载到个人计算机。
传感器单元部件(19)和它的电势控制电路(13)用32k存储器的以电池工作的微处理器(14)被集成，它在10-、20-、或30-秒间隔上采样传感器信号以及温度和其它的信号，并按照可编程的协议在2、5、或10分钟的间隔上存储平均值。微处理器(14)中的数据采集/存储单元能记录8天的数据，以2-分钟间隔存储，或直到40天的，以10-分钟的间隔存储。在临床测试的数据中，2-分钟间隔适用于一天的临床研究和10-分钟的间隔适于扩展的使用。具有数据采集/逻辑电路的微处理器(14)可以被编程以便从控制电路(13)中采样多于一个模拟信号，并把这些信号变换成数字信号和在预置的间隔上连同实时数据存储它们(即，气体浓度和温度)。通过RS232端口访问微处理器(14)数据被下载到个人计算机。在下载之后，数字信号被变换成气体浓度和温度的工程单位，并通过菜单驱动lotus123电子表格(spreadsheet)可以被制图。通过增益放大器电路(15c)中的电位器，用校准的气体采样可以校准设备，以表明周围环境中的气体浓度。在较佳实施例中，图4所示的电势控制电路(13)是通过六个1伏AA-型电池(16d)供电的。已经被成功使用的具有数据采集记录能力的典型的微处理器(14)以“Tattletale Lite”的产品名已由ONSET计算机、Falmouth、MA销售。具有控制电路(13)的传感器单元部件(19)也被设计获得与气体流成比例的电流或电压信号，它可以被用于连续地发送数据到远程设备或中央监测站或单元。
感测电极能被组织在多个阵列或包含需要的数量的反相或基准电极的组中。诸如Pt/空气(O2)、PtO2、或由Giner(1964)所述的动态氢电极的基准电极可以被使用。通过采用感测电极(6)的电压的恒定或动态的电压控制，电驱动的3-或2-电极薄膜型结构可以被使用。虽然电势恒定技术是稳态测量，而电势动态技术是瞬变型测量方法。实际上，动态电势处理包括四个基本步骤：a)对于基准电极保持感测电极电势不变以形成定义良好的氧化物层；b)在开路上放置感测电极以便使氧化物层与气体发生预定时间的反应，期间感测电极根据反应物浓度中止电位漂移；c)恢复感测电极的恒定电势控制，把电势改变回到初始电位以及电气化学地再生氧化物层；和d)测量再生氧化物层所需的电流(或电荷)。动态电势方法的主要优点是增加的灵敏度，特殊性，和稳定性。两个电极的结构需要可逆的或稳定反相-基准电极，比如具有比感测电极更高的BET(Brunauer，Emmett，Teller)表面区域(25m2/g或更大)和/或更大的几何表面区域的Pt/空气(O2)、PtO2或Pt/H2。
电气化学地可逆的电极可以被用于3或2电极结构中，但尤其是可用在反相电极也当作基准电极的2电极结构中。电气化学地可逆的电极由稳定的催化剂材料构成和通常具有相当大的电气化学活动表面区以便它们保持稳定并且它们的电势不会受到小电流的干扰。示例包括PtO2和Ag/AgCl电极。
Claims (22)
1.一种用于检测气体的传感器单元，包括：
基片，具有第一表面和第二表面；
感测电极，所述感测电极与所述基片接触；
一个开口，从所述第一表面到所述第二表面延伸接近所述感测电极，用于控制气体流；
气体扩散膜，与所述感测电极相接触，并被放置在所述开口内以及被检测的气体和所述感测电极之间。
2.如权利要求1所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜是质子交换膜。
3.如权利要求1所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜是阴离子、氢氧离子交换膜。
4.如权利要求1所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜是通过水材料受潮的。
5.如权利要求1所述的传感器单元，被结合到气体感测仪器中。
6.如权利要求1所述的传感器单元，进一步包括反相电极。
7.如权利要求1所述的传感器单元，其中所述传感器单元通过连接到所述感测电极和也作为基准电极的电气化学地可逆的反相电极的恒定电压源被电子地控制。
8.如权利要求1所述的传感器单元，进一步包括微处理器，用于实时数据读出、数据存储和检索、以及远程数据传输。
9.如权利要求6所述的传感器单元，其中所述传感器单元在2电极传感器结构中被电子地控制。
10.如权利要求6所述的传感器单元，进一步包括基准电极。
11.如权利要求10所述的传感器单元，其中在所述感测、反相、或基准电极中至少一个包含碳氟化合物粘结的微粒催化剂，该微粒催化剂被粘结到所述离聚物膜。
12.如权利要求11所述的传感器单元，其中所述碳氟化合物粘结的微粒催化剂用聚合体薄的气体渗透扩散层薄膜来涂层。
13.如权利要求10所述的传感器单元，其中在所述感测、反相、或基准电极中至少一个包含离聚物粘结的微粒催化剂，该微粒催化剂被粘结到离聚物膜。
14.如权利要求13所述的传感器单元，其中所述离聚物粘结的微粒催化剂用聚合体薄的气体渗透扩散层薄膜来涂层。
15.如权利要求10所述的传感器单元，其中所述感测、反相、或基准电极包括从Pt、Au、C、镀铂的Pt、和镀铂的Au的组中选择的材料。
16.如权利要求10所述的传感器单元，其中所述传感器在3电极传感器结构中被电子地控制。
17.如权利要求10所述的传感器单元，其中所述传感器单元通过连接到所述感测、反相、和基准电极的恒定电势电路被电子地控制。
18.如权利要求10所述的传感器单元，其中所述传感器单元通过连接到所述感测、反相、和基准电极的动态电势电路被电子地控制。
19.一种用于检测气体的传感器单元，包括：
基片，具有第一表面和第二表面；
感测电极，所述感测电极与所述基片相接触；
一个开口，从所述第一表面到所述第二表面延伸接近所述感测电极，用于控制气体流；
由聚合体材料构成的气体扩散膜，与所述感测电极接触，被放置在所述开口内以及被检测的气体和所述感测电极之间；和
由所述气体扩散膜的渗透系数所确定的所述气体扩散膜的厚度。
20.如权利要求19所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜是非电解材料。
21.如权利要求19所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜是电解材料。
22.如权利要求19所述的传感器单元，其中所述气体扩散膜由聚乙烯构成。
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