CN1938588B - 隔离的气体传感器结构 - Google Patents

Abstract

一种在气体流中检测成分的气体传感器组件(10)，包括：安装表面(15)；安装在安装表面(15)上的传感器(22)，其能够在存在所述成分时生成可检测的信号；和封闭结构(30)。该封闭结构(30)包括： 壁部件，其具有一对垂直隔开的端部并且壁部件的一个端部安装在安装表面(15)上，并围绕传感器(22)；和气体渗透膜(34)，其连接于壁部件(32)的另一端，因此在封闭结构中限定了内容积，气体渗透膜具有抑制光线进入内容积的光学特性。在气体流经过膜(34)后，一部分气体流注入到内容积中，其中安装表面形成在柔性电路的中心部分上，柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个端部能够折叠在中心部分的下面，从而中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。

Description

隔离的气体传感器结构

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体流中存在的成分的传感器。更加具体地，本发明涉及一种氢气传感器结构，其中传感器隔离在封闭结构中，所述封闭结构介于安装表面和气体渗透膜之间。 

背景技术

在一些气体传感器的应用中，希望在不妨碍其功能的情况下，将传感器与外部环境隔离。这种隔离可能出于以下目的：减少或最小化热损失，减小或最小化到达传感器的光线的数量，和/或减小或最小化机械干扰的影响。通常，传感器在特定的温度下工作，典型地是在高于其所感测的周围气体的温度下。这有时通过使用布置在与气体感测装置相同的基底上的加热装置来实现。在这种情况下，会有一定量的热损失流向包围传感器的气体流及结构。该热损失与其中结合有传感器的整个系统中的能量损失量成比例，并且因此希望减小或最小化这种热损失。另外，对于一些传感器，希望限制到达传感器的光线的数量。对于大多数传感器，还希望限制机械或物理干扰，或来自夹带在感测的气体流中的微粒或意外事件，如装置跌落等的影响。 

传统的现有技术中的热隔离技术包括将传感器本身以某种特定的方法制造以形成能够提供热隔离的结构(例如，参见专利号为5211053，5464966，5659127，5883009和6202467的美国专利)。这些热隔离技术的例子特别设计用于所涉及的传感器的结构，没有克服与组件水平相关的热损失问题，所述组件水平即指在该水平中，将传感器构建成更大的组件的一部分。这样的气体感测装置的现有应用，例如催化式气体传感器，应用了不同的技术使所述装置热隔离，例如在正在感测的气体流中，将所述装置使用分开的引线悬置，所述分开的引线将所述感测装置电连接到其下游处理和控制电路(例如，参见专利号为5902556的美国专利)，但是这些方法对于多连接的传感器并非优选方法。 

前述现有技术方案的缺点是对于大多数终端应用来说，所需要的容积和体积远大于所希望的。另外，现有技术的传感器的设计参数需要折衷，例如需要对尺寸与响应、隔离与流动影响进行折衷。“尺寸与响应”指暴露于传感器的隔离气体体积的量和在隔离的体积中用于气体成分完全交换的时间量之间的关系；隔离气体的体积越小，完全交换完成得越快。“隔离与流动影响”指暴露于传感器的气体流的流动速率和从传感器流出的热量损失量和速率之间的关系；气体流的流动速率越快从传感器带走的热量越大并且速率越快，因此为了恢复损失的热量，需要增加电能消耗。而且，这些现有技术方案没有解决某些传感器的光学敏感性。关于这点，基于电容器的装置通常对光敏感，并且由于暴露于光线中可能生成错误的干扰信号。 

发明内容

本发明的气体传感器具有一种将传感器隔离在其中的结构，所述结构克服了一个或多个现有技术的气体传感器的前述缺点。特别是，本发明的隔离的气体传感器结构能够减小能量消耗，限制周围环境光线的不利影响，并且通过使用提供气体填充间隙的几何形状和包括气体渗透膜的封闭结构，限制机械干扰。 

在一个实施例中，本发明的气体传感器组件用于检测气体流中的成分，其包括： 

(a)安装表面； 

(b)安装在安装表面上的传感器，该传感器能够在存在所述成分时生成可检测的信号； 

(c)封闭结构，包括： 

(i)具有一对垂直隔开的端部的壁部件，壁部件的一个端部安装在所述安装表面上，并且围绕所述传感器；和 

(ii)连接于所述壁部件的另一端的气体渗透膜，因此在所述封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特性； 

在气体流经过所述气体渗透膜之后，一部分气体流注入到包含传感器的内容积中，其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下 面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。 

在本发明的气体传感器组件的优选实施例中，所述气体渗透膜为非透明，更优选为，不透明。 

本发明的气体渗透膜优选，并且更优选为，聚四氟乙烯基隔膜材料。 

在本发明的气体传感器组件的优选实施例中，安装表面形成在柔性电路上，并且安装表面为平面。 

在本发明的气体传感器组件的示例性实施例中，传感器对氢气敏感并且为催化剂激活式。 

在本发明的气体传感器组件的优选实施例中，壁部件为管状，并且由电绝缘聚合材料形成，优选为乙缩醛树脂。 

一种在气体传感器组件中将传感器隔离的方法，所述传感器能够在存在所述气体流成分时生成可检测的信号，所述方法包括： 

(a)将传感器安装在安装表面上； 

(b)将传感器封闭在封闭结构中，所述封闭结构包括： 

(i)具有一对垂直隔开的端部的壁部件，壁部件的一个端部安装在安装表面上并且围绕所述传感器；和 

(ii)连接于所述壁部件的另一个端部的气体渗透膜，因此在所述封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特征； 

在气体流经过气体渗透膜之后，一部分气体流注入到包含传感器的内容积中，其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。 

在所述隔离方法的优选实施例中，所述气体渗透膜优选为非透明。 

一种检测气体流中成分的方法，所述方法包括： 

(a)将传感器安装在安装表面上，所述传感器能够在存在的成分中生成可检测的信号； 

(b)将传感器封闭在封闭结构中，所述封闭结构包括： 

(i)具有一对垂直隔开的端部的壁部件，壁部件的一个端部安装在安 装表面上并且围绕传感器；和 

(ii)连接于所述壁部件的另一个端部的气体渗透膜，因此在封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特性； 

(d)在气体流经过气体渗透膜之后，一部分气体流注入到内容积中并且撞击所述传感器；和 

(e)在存在所述成分时由传感器生成可检测的信号； 

其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。 

在所述隔离方法的优选实施例中，所述气体渗透膜优选为非透明。 

附图说明

图1是示意图，显示了本发明的隔离气体传感器组件的第一基本结构的剖视图； 

图2是应用图1中示意性示出的结构的气体传感器组件的一个实施例的立体图； 

图3是图2中的传感器组件的分解立体图。 

具体实施方式

本发明的隔离气体传感器组件10的第一基本结构在图1中示意示出。气体传感器组件10包括柔性电路表面15，在其上安装有传感器22、包括壁部件32的封闭结构30和如所描述的气体渗透膜34。内容积或气体填充间隙形成在封闭结构30中，所述内容积底部以柔性电路15和传感器22为界，侧部以壁组件32为界，顶部以膜34为界。在描述的组件中，柔性电路表面15具有柔性(和可折叠的)平坦的表面，在其上可牢固地安装传感器22和封闭结构30。 

可以想象到，安装表面可采用不同于平面的表面结构，这取决于将气体传感器结构结合于其中的应用。这样的安装表面结构能够包括，例如弓形或类似球体的结构，其中其上安装有传感器和封闭结构的安装表面为非平面。 

传感器22能够在被检测的气体成分存在时生成可检测的信号，在本文示出的实施例中该气体成分为氢气。由传感器22生成的电信号经由形成于柔性电路中的铜膜导线传导，并且传输到下游电信号处理和控制电路，所述电路将信号转换为可以理解的输出，所述输出指示出检测的气体流成分的存在和浓度(在示例的实施例中为氢气)。 

在本文的特别描述的氢气传感器中，传感器生成来自传感器元件或部件与氢气的催化反应的信号，所述氢气存在于将被测定的气体流中。适合的氢气传感器结构包括Sandia National Laboratories开发的大范围的传感器(见R.Thomas和R.Hughes，“Sensors for Detecting Molecular Hydrogen Based on PDMetal Alloys”，J.Electochem.Soc.，144卷，9号，1997年9月；和美国专利5279795)，和由H2Scan LLC开发的并且描述在与本文同时提交的申请中的集成传感器结构。 

通过气体渗透膜34与壁部件32及柔性电路表面15的配合，以将气体传感器22封闭在封闭结构中，能够或促进减小或最小化由于对流气流产生的热损失。由于气体传感器的功能为在给定的气体中检测和测量特定气体成分的浓度，因此气体传感器组件22需要暴露在较大一些体积的气体流中(未显示)。该气体流既会受到自然界偶然发生的气流的影响，也会受到经过导管(未显示)的气体流流动产生的气流的影响。通过使用包括气体渗透膜34的围绕封闭结构30，将传感器22与这些气流隔离，由此使传感器22的能量损失的进一步减小。 

气体渗透膜34使得所感测的气体到达用来测量的传感器22，但是气体渗透膜34也限制了所测量的气体流52流经传感器22的速度。由于表面的对流热量损失为碰撞气体流的流速的函数，因此通过将其放置在封闭结构30中将传感器22的热量损失限制到减小的量。 

由图1中所示，气体渗透膜34连接于封闭结构的上端部(也就是与安装在安装表面上的端部相对的端部)，以使在与外部环境隔离的封闭结构中限定内容积。 

图2和3示出了处于装配状态(图2)和分解状态(图3)的本发明的隔离气体传感器结构的实施例。如图2和3中所示，气体传感器组件10包括柔性电路表面15，其上安装有传感器22、包括壁部件32的封闭结构30和气体渗透膜34。内容积或气体填充间隙在封闭结构30中形成，底部以柔性电路15和 传感器22为界，侧部以壁组件32为界，顶部以膜34为界。 

如图2所示，并且由图3更好地示出，传感器22安装在柔性电路15的纵向长度的中心部分15c。柔性电路15的端部15a折叠在中心部分15c的下面来形成一种结构，该结构中折叠在下面的端部15a支撑着中心部分15c，并且阻止中心部分15c与在下面的组件10的部件相接触。由折叠在下面的端部15a提供的支撑也能够在中心部分15c下面提供间隙或容积，并且传感器安装在中心部分15c上，因此传感器22与在下面的组件10的部件热隔离。 

如图2和3中进一步所示，柔性电路15以端部15b终止，其中从传感器22延伸的铜膜导线(未显示)与引脚连接19电连接。每个引脚连接具有头部19a和尖头部分19b。在示出的实施例中，从气体传感器22延伸的铜膜导线与引脚连接的头部19a电连接。引脚连接19的尖头部分插入穿过位于柔性电路15的端部15b中的孔，接着穿过在电绝缘支撑层17中的对准的孔。引脚连接19的尖头部分插入在电路板(未显示)中对准的安装孔中，所述电路板包含下游处理和控制电路，来自传感器22的信号被指引到所述电路板中。 

气体渗透膜优选具有抑制光线进入封闭结构的内容积中的特性。优选的气体渗透膜为非透明(优选为不透明)，并且由聚合材料形成。适合的气体渗透膜材料为聚四氟乙烯基隔膜材料，购自W.L.Gore & Associates，商标为Gore^TMMembrane Vents(零件型号为VE70308、VE70510、VE70814、VE70919、VE71221和VE72029等适用于各种出口直径和气流等级)。其它适合的非聚合气体渗透膜材料也能够使用，例如多孔金属膜。 

除了减小热量损失，某些气体传感器的光隔离希望减小或最小化光线对代表正在被测量的气体成分的信号的干扰。使用某些气体渗透膜能够减小或最小化环境光线对气体传感器22的干扰。因此封闭结构30优选由不透明的材料制成，以与隔膜34一起，使传感器22保持在光线可控制的环境中。 

使用将传感器封闭的气体渗透膜和结构元件可将机械干扰的可能性减小或最小化。在被感测的气体中，干扰能够以夹带在气体中的微粒的形式出现，而不是被检测的气体成分。这样的干扰也能够以意外事件的形式出现，如气体传感器组件或集成的整个系统被跌落或刺穿。由封闭结构提供的保护可减少或最小化传感器损坏的可能性，并且减小或最小化传感器与相关部件的连 接。 

通常，现有技术方案使用了烧结的金属盘，主要用来减小流动敏感性，并且防止机械干扰。这些现有技术方案相对于本发明的气体传感器组件具有以下缺点： 

●现有技术的气体传感器在容积上比本发明的方案大； 

●现有技术的气体传感器没有隔离气体流，其中被测试的成分为流动的； 

●现有技术的气体传感器形成更大的隔离容积；并且 

●现有技术气体传感器没有抑制光线进入隔离的容积中。 

在现有设计中，需要在烧结金属的孔隙率及其厚度和隔离容积之间折衷。如果烧结金属的孔隙率太大(就是在其内部体积中具有普遍的开口小孔)或如果烧结金属盘太薄，则流动速率的影响将更显著。在这方面，烧结金属盘的低孔隙率可减小响应时间(即被探测的气体成分的浓度发生变化的时间和气体传感器及其相关的处理和控制电路记录该变化的时间之差)。虽然这样烧结的金属盘通常能够阻挡大多数传感器暴露在其中的光线，但是通常对于对低水平的光线敏感的传感器，阻挡程度还不够。因此使用这些烧结金属隔离盘的传感器组件设计必须接受在性能变量之间的折衷，因为性能变量随气体传感器组件尺寸的减小而改善。 

在本气体传感器组件中，气体渗透膜由封闭结构的壁部件保持在适当位置，所述壁部件可以是由电绝缘材料制成的简单的环状物，例如由乙缩醛树脂制成的环状物(购自DuPont，商标为 

)。封闭结构也能够以环状物以外的其它形状形成，但是具有中空的内容积，来容纳传感器。气体渗透膜优选直接放置在传感器上方，并且也优选为将延伸在传感器和处理器和/或其它的组成整个传感器组件的元件之间的导线封闭。因而其结构使隔离气体流能够使用相对小的容积，这改善了传感器的响应。 

相对于这些现有技术的传感器，在本发明气体传感器组件封闭结构的容积中的隔离气体流也具有减小的对流特性，其中传感器暴露于样品气体容积中，因此在本发明的设计中减小了能量损失。本发明的传感器组件的性能基本不受样品气体容积中的流动的影响，因为其与样品气体容积机械地隔离。 在本发明的气体传感器组件中，封闭结构和气体渗透膜的屏障作用也保护传感器远离各种形式的干扰和污染，如机械影响、液滴污染物、灰尘和类似物。最后，在本发明的气体组件中的优选气体渗透膜为对环境光线不透明，并且将光敏感传感器与外部环境隔离。 

本发明的隔离气体传感器结构的优点包括：提供热隔离的同时，将传感器与光线、样品气体流的流动、机械干扰(操作、灰尘和类似物)和液体污染物干扰隔离，基本没有折衷传感器的响应。 

已经对本发明的独特的步骤、元件、实施例和应用进行了显示和描述，但是应可理解，本发明不受所描述的内容的限制，因为本领域的技术人员，特别是根据前述技术，可对本发明做出改进。 

Claims (16)

1.一种用于检测气体流中成分的传感器组件，所述组件包括：

(a)安装表面；

(b)安装在安装表面上的传感器，所述传感器能够在存在所述成分时生成可检测的信号；

(c)封闭结构，其包括：

(i)壁部件，其具有一对垂直隔开的端部，壁部件的一个端部安装在所述安装表面上，并且围绕所述传感器；和

(ii)气体渗透膜，其连接于所述壁部件的另一个端部，因此在所述封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特性；

由此在气体流经过所述气体渗透膜后，一部分气体流注入包含所述传感器的所述内容积中，其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。

2.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述气体渗透膜为非透明。

3.根据权利要求2所述的气体传感器组件，其中所述气体渗透膜不传热。

4.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述气体渗透膜为聚合物。

5.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述气体渗透膜为聚四氟乙烯基隔膜材料。

6.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述安装表面为平面。

7.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述传感器对氢气敏感。

8.根据权利要求8所述的气体传感器组件，其中所述传感器为催化剂激活式。

9.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述壁部件为管状。

10.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述壁部件由电绝缘材料制成。

11.根据权利要求11所述的气体传感器组件，其中所述电绝缘材料为聚合物。

12.根据权利要求12所述的气体传感器组件，其中所述电绝缘材料为乙缩醛树脂。

13.一种在气体传感器组件中隔离传感器的方法，所述传感器能够在存在某种气体流成分时生成可检测的信号，所述方法包括：

(a)将所述传感器安装在安装表面上；

(b)在封闭结构中将所述传感器封闭，所述封闭结构包括：

(i)壁部件，其具有一对垂直隔开的端部，壁部件的一个端部安装在所述安装表面上，并且围绕所述传感器；和

(ii)气体渗透膜，其连接于所述壁部件的另一端，因此在所述封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特征；

由此在气体流经过所述气体渗透膜后，一部分气体流注入包含所述传感器的所述内容积中，其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。

14.根据权利要求14所述的方法，其中所述气体渗透膜为非透明。

15.一种用于检测气体流中成分的方法，所述方法包括：

(a)将传感器安装在安装表面上，所述传感器能够在存在所述成分时生成可检测的信号；

(b)将所述传感器在一个封闭结构中封闭，所述封闭结构包括：

(i)壁部件，其具有一对垂直隔开的端部，所述壁部件的一个端部安装在所述安装表面上，并且围绕所述传感器；和

(ii)气体渗透膜，其连接于所述壁部件的另一个端部，因此在所述封闭结构中限定了内容积，所述气体渗透膜具有抑制光线进入所述内容积的光学特性；

(d)在气体流经过所述气体渗透膜后，所述气体流的一部分注入到所述内容积中并且碰撞所述传感器；和

(e)在存在所述成分时由所述传感器生成可检测的信号；

其中所述安装表面形成在柔性电路的中心部分上，所述柔性电路具有中心部分和两个端部，至少一个所述端部能够折叠在所述中心部分的下面，从而所述中心部分不与在安装表面下面的气体传感器组件的部件相接触。

16.根据权利要求16所述的方法，其中所述气体渗透膜为非透明。

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