專利名稱：氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器用于氣體中樣品濃度的測定。
背景技術(shù)：
大多數(shù)電流型電化學(xué)氣體傳感器通過氧化或還原被測氣體所得的電流響應(yīng)值與氣體濃度間的關(guān)系測量氣體濃度。測量時，氣體先通過傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置擴散到電極表面，溶解在電解液中，然后在電極表面吸附、發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物脫附離開電極表面，這一串聯(lián)過程的任何一個步驟都可能限制反應(yīng)速度，從而影響到傳感器的靈敏
度。 為了提高商品化氣體傳感器的穩(wěn)定性，在進行傳感器設(shè)計時一般都希望將傳感器的響應(yīng)值設(shè)計在氣相極限擴散電流區(qū)，這可通過提高催化活性、加大擴散阻力來實現(xiàn)，這樣傳感器的響應(yīng)完全由氣體的氣相傳質(zhì)速度決定，而氣體氣相傳質(zhì)速度基本由氣體流速、待測氣體的物理化學(xué)特性(氣體擴散系數(shù))及傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置的機械形狀計尺寸或擴散滲透特性決定，此時傳感器具有響應(yīng)線性較好、響應(yīng)值受電位控制波動的影響較小、靈敏度也較為穩(wěn)定，受溫度、壓力等環(huán)境因素影響較小等特點。而實際上，大多數(shù)傳感器的響應(yīng)處在混合控制區(qū)，即傳感器的響應(yīng)值受上述多個過程的影響，此時傳感器的響應(yīng)特性變得復(fù)雜了，環(huán)境及電極自身活性狀態(tài)對響應(yīng)值的影響變大，并且不可預(yù)知，而要在理論上對上述所有過程進行定量數(shù)學(xué)表達也比較復(fù)雜。為了獲得準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果，通常的做法是在傳感器使用前在與實際測量條件接近的氣流速率、壓力、溫度、濕度以及氣體組分、條件下進行標(biāo)定以減少上述干擾，而且標(biāo)定時間與測量時間盡可能接近以減少傳感器靈敏度由于敏感元件老化、失活、活化或中毒等影響變化對測量結(jié)果造成的影響。標(biāo)定的頻繁與專業(yè)要求為廠商和用戶帶來了諸多不便并且增加了運營與使用成本。提高傳感器的穩(wěn)定性、在降低傳感器標(biāo)定頻率的同時不犧牲準(zhǔn)確性也是傳感器及檢測儀器制造商面臨的巨大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用傳感器對氣體響應(yīng)的特點，對傳感器結(jié)構(gòu)及測量過程進行控制以提高傳感器測量的穩(wěn)定性，降低傳感器標(biāo)定頻率。本發(fā)明所述氣體傳感器由氣體敏感元件、氣室、氣體擴散通道組成，其結(jié)構(gòu)特征在于所述氣體敏感元件處在一測量氣室中，所述測量氣室通過至少兩個不同的氣體擴散通道與待測氣體接觸，允許氣體通過不同的擴散通道擴散到敏感元件表面，所述擴散通道包括氣體擴散阻力件。所述氣體擴散通道阻力件包括擴散孔、毛細管組件、多孔薄膜、氣體滲透膜等。
所述測量氣室可通過至少兩個不同的氣體擴散阻力件分別與相對應(yīng)的限流氣室相通，氣體擴散阻力件的阻力不同，限流氣室通過閥或毛細管門連接氣體管路，允許待測氣體分別進入不同的限流氣室進行測量。所述傳感器的測量氣室、至少兩個氣體擴散阻力件、限流氣室可依此串聯(lián)相通，允許通過不同的擴散通道到達敏感電極表面，限流氣室通過閥門或毛細管連接氣體管路。所述敏感元件吸附或消耗待測氣體，與待測氣體濃度間的響應(yīng)關(guān)系是線性的，且響應(yīng)大小受氣體擴散速度的影響；所述氣體敏感元件包括電化學(xué)傳感器、催化燃燒傳感器、半導(dǎo)體傳感器。利用所述氣體傳感器進行氣體濃度測量通過以下兩次測量過程完成
O 一次測量將氣體流經(jīng)傳感器，氣體通過其中一個擴散通道到達測量氣室中的敏感元件表面，記錄氣體敏感元件的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值；· 2)二次測量將氣體流經(jīng)傳感器，氣體通過另外一個擴散通道到達測量氣室中的敏感元件表面，記錄氣體敏感元件的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值；
3)由二次測量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值及傳感器參數(shù)計算氣體濃度。其中所述傳感器參數(shù)通過將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體通入傳感器進行權(quán)權(quán)利要求7所述二次測量過程得到。該傳感器的響應(yīng)值主要由傳感器氣室內(nèi)的氣相傳質(zhì)過程控制，該傳質(zhì)過程主要受氣體流動狀態(tài)、氣體擴散阻力件的機械形狀及尺寸決定，較為穩(wěn)定可控，而氣體溶解、液相擴散、氣體吸附、氧化還原反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物脫附等受環(huán)境影響較大的過程及傳感器催化活性變化對傳感器響應(yīng)的影響通過兩次測量被扣除，因而可大幅度提高測量的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。該測量方法可用于直接測量氣體濃度，也可用于對傳感器靈敏度進行標(biāo)定而不需要已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體。


圖I :本發(fā)明氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖之一 圖2 :本發(fā)明氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖之二
具體實施例方式 應(yīng)用實施例一
對于氣體測量的反應(yīng)過程，可以簡單地將其分為兩類第一類為氣相傳質(zhì)過程，該過程的特點在于傳質(zhì)速度主要由氣體流速、氣體物理化學(xué)特性及氣相擴散阻力決定(本文定義該過程阻力為Rm)，穩(wěn)定性較好；第二類統(tǒng)稱為反應(yīng)過程，它包括氣體溶解、液相擴散、氣體吸附、氧化還原反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物脫附等過程，該過程較為復(fù)雜，而且影響因素較多(本文定義其全過程阻力為Rcat)，如果傳感器對氣體濃度的響應(yīng)是線性的，則傳感器的響應(yīng)滿足下述關(guān)系(氣相傳質(zhì)阻力及其他過程阻力)
S=KC/(Rm+Rcat )(I)
或
KC/S = Rm +Rcat(2)其中K為常數(shù)，C為氣體濃度。如果在傳感器測量時將第二類過程對傳感器響應(yīng)值的影響扣除，則傳感器的響應(yīng)值主要由傳感器限流阻力件的機械形狀及尺寸決定，受各種環(huán)境因素及傳感器催化活性因素的影響可大大降低，因而可大幅度提高其穩(wěn)定性。圖I 是根據(jù)上述理論思路設(shè)計的一種氣體傳感器10的結(jié)構(gòu)示意圖，該傳感器10由氣體敏感元件、氣室、氣體擴散阻力件限流裝置組成，所述氣體敏感元件100處在測量氣室201中，所述敏感元件吸附或消耗待測氣體，元件響應(yīng)大小受氣體傳質(zhì)速度影響控制；所述測量氣室201通過兩個不同的氣體擴散通道301、302(氣體擴散阻力件)分別與兩獨立的限流氣室202、203相通，允許限流氣室中的氣體通過氣體擴散通道擴散到敏感元件表面，但兩氣體擴散通道的氣體擴散阻力不同，兩限流氣室通過閥門或毛細管連接氣體管路(當(dāng)使用毛細管時，應(yīng)保證毛細管內(nèi)氣體的擴散阻力遠大于氣體限流裝置的擴散阻力，氣體在其中的擴散速度遠小于其在氣體限流裝置內(nèi)的擴散速度)，允許待測氣體分別進入不同的限流氣室進行測量。本實施例揭示的是一種電化學(xué)硫化氫氣體傳感器，氣敏元件為電化學(xué)硫化氫電極，氣體擴散阻力件301為直徑2. 6mm,厚度Imm的擴散孔，氣體擴散阻力件302為直徑
3.2mm，厚度Imm的擴散孔，氣室202、203的體積均為O. 5ml。在應(yīng)用時先用25ppm的標(biāo)準(zhǔn)硫化氫氣體測量傳感器常數(shù)P，其過程如下
O通過閥門控制，將25ppm硫化氫氣以固定流速經(jīng)氣室202通過傳感器，記錄傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值SI為24. 63uA，該響應(yīng)滿足關(guān)系
nFC/Sl = Rml +Rcat(3)
其中Rml為氣室I的擴散阻力，在氣體流速固定的條件下，主要由氣室202中氣體擴散阻力件301的機械形狀及尺寸決定。2)通過閥門控制，將25ppm硫化氫氣以固定流速經(jīng)氣室203通過傳感器，記錄傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值S2為37. 65uA，該響應(yīng)滿足關(guān)系
nFC/S2 = Rm2 +Rcat(4)
其中Rm2為氣室203的擴散阻力，在氣體流速固定的條件下，主要由氣室203中氣體擴散阻力件302的機械尺寸決定。3)由(4)- (3)得 nFC(l/S2-l/Sl) = Rm2-Rml =K(5)
因為Rm2、Rml主要由氣室中的氣體擴散阻力件301、302的機械形狀及尺寸決定，基本不隨時間而變化，因而可作為一個常數(shù)K處理，如定義傳感器常數(shù)P=nFK，則有P=(1/S2-1/S1)C=35. 10(6)
測量時重復(fù)上述過程，本實施例用50ppm的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣驗證方法的準(zhǔn)確性，將50ppmH2S通入氣室202獲得的傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為49. 06uA,將傳感器通入氣室203獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為75. 37uA，則由(6)得
C = P/(1/S2-1/S1)=49. 3 (ppm)(7)
由公式(7)計算得到的氣體濃度值與標(biāo)準(zhǔn)氣濃度基本吻合，誤差小于1%。得到氣體濃度后，單獨利用氣體擴散裝置301及302進行測量時傳感器的靈敏度也可計算得到。在實際應(yīng)用過程中，如果傳感器靈敏度的漂移不大，上述兩次測量的方法可以只在對傳感器靈敏度進行自標(biāo)定時使用，常規(guī)測試時只進行一次測量。由上述實施例及原理表述可見，該傳感器對敏感元件的選擇并不限于電化學(xué)傳感器，只要是傳感器的響應(yīng)受氣體傳質(zhì)速度控制，該結(jié)構(gòu)都是適用的，只要其響應(yīng)滿足關(guān)系(O的氣體敏感都能應(yīng)用該傳感器結(jié)構(gòu)與方法進行測量，該類型的氣體敏感元件包括但不限于電化學(xué)傳感器、催化燃燒傳感器、半導(dǎo)體傳感器。本實施例用不同直徑的氣體限流孔獲得兩個不同氣體擴散阻力，采用多個限流孔也能達到同樣的目的，達到同樣效果的方法還有但不限于用毛細管組件、多孔薄膜、氣體滲透膜來實現(xiàn)，但要求兩次測量氣體的擴散阻力不同。由上述實施例的分析可知，該傳感器的響應(yīng)值主要由傳感器氣室內(nèi)的氣相限流裝置的機械尺寸決定，氣體溶解、液相擴散、氣體吸附、氧化還原反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物脫附等受環(huán)境影響較大的過程及傳感器催化活性變化對傳感器響應(yīng)的影響通過兩次測量被扣除，因而可大幅度提高了傳感器測量的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，降低傳感器需要標(biāo)定的頻率。
應(yīng)用實施例二
圖2是根據(jù)上述理論思路設(shè)計的另一種自標(biāo)定氣體傳感器20的結(jié)構(gòu)示意圖，該傳感器20由氣體敏感元件、氣室、氣體擴散阻力件組成，所述氣體敏感元件IOOa直接處在測量氣室201a中，所述敏感元件吸附或消耗待測氣體，元件響應(yīng)大小受氣體傳質(zhì)速度影響；所述測量氣室201a、氣體擴散阻力件301a、限流氣室202a、氣體擴散阻力件302a與限流氣室203a串聯(lián)相通，兩限流氣室通過閥門或毛細管連接氣體管路(當(dāng)使用毛細管時，應(yīng)保證毛細管內(nèi)氣體的擴散阻力遠大于氣體限流裝置的擴散阻力，氣體在其中的擴散速度遠小于其在氣體限流裝置內(nèi)的擴散速度。)允許待測氣體分別進入不同的限流氣室進行測量。本實施例揭不的是一種自標(biāo)定電化學(xué)硫化氫氣體傳感器，氣敏兀件為電化學(xué)硫化氫電極，氣體擴散阻力件301a為直徑I. 6mm,厚度Imm的擴散孔,氣體擴散阻力件302a為直徑4. 4mm,厚度Imm的擴散孔，氣室202a、203a的體積均為O. 5ml。在應(yīng)用時先用25ppm的標(biāo)準(zhǔn)硫化氫氣體測量傳感器常數(shù)P，其過程如下
I)通過閥門控制，將25ppm硫化氫氣以固定流速經(jīng)氣室203a流出，此時氣體擴散途徑為從限流氣室203a經(jīng)氣體擴散阻力件302a、限流氣室202a、氣體擴散阻力件301a及測量氣室201a到達敏感元件表面，記錄傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值SI為25. 12uA，該響應(yīng)滿足關(guān)系nFC/Sl = Rml +Rcat(8)
其中Rml為氣室I的擴散阻力，主要由氣室202a中氣體擴散阻力件301a的機械形狀及尺寸決定。2)通過閥門控制，將25ppm硫化氫氣以固定流速經(jīng)氣室202a流出，此時氣體擴散途徑為從限流氣室202a、經(jīng)氣體擴散阻力件301a及測量氣室201a到達敏感元件表面，記錄傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值S2為38. 76uA，該響應(yīng)滿足關(guān)系
nFC/S2 = Rm2 +Rcat(9)
其中Rm2為氣室203a的擴散阻力，主要由氣室203a中氣體擴散阻力件302a的機械形狀及尺寸決定。3)由(9)-(8)得: nFC(l/S2-l/Sl) = Rm2-Rml =K(10)
因為Rdm2、Rdml主要由氣室中的氣體限流裝置301a、302a的機械形狀尺寸決定，基本不隨時間而變化，因而可作為一個常數(shù)K處理，如定義傳感器常數(shù)P=nFK，則有
P =(1/S2-1/S1)C=35. 02(11)
測量時重復(fù)上述過程，本實施例用50ppm的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣驗證方法的準(zhǔn)確性，將50ppmH2S通入氣室202a獲得的傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為50. I luA，將傳感器通入氣室203a獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為77. 55uA，則由(11)得
C = P/(1/S2-1/S1)=49. 6 (ppm)(12)
由公式(12)計算得到的氣體濃度值與標(biāo)準(zhǔn)氣濃度基本吻合，誤差小于1%。得到氣體濃度后，單獨將氣體通入202a或203a進行測量時傳感器的靈敏度也可計算得到。在實際應(yīng)用過程中，如果傳感器靈敏度的漂移不大，上述兩次測量的方法可以只在對傳感器靈敏度進行自標(biāo)定時使用，常規(guī)測試時只進行一次測量，將氣體通入202a或 203a。以上兩實施例介紹的只是兩種實現(xiàn)本測量方法的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，實際上專業(yè)人士利用所述方法原理，能夠通過組合設(shè)計不同的傳感器結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)所述測量方法，他們都在本發(fā)明測量方法的保護之列。
權(quán)利要求
1.氣體傳感器，由氣體敏感元件、氣室、氣體擴散通道組成，其特征在于 所述氣體敏感元件處在一測量氣室中，所述測量氣室通過至少兩個不同的氣體擴散通道與限流氣室連通，允許限流氣室內(nèi)的氣體通過不同的擴散通道擴散到敏感元件表面，所述擴散通道包括氣體擴散阻力件。
2.如權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于所述測量氣室通過至少兩個擴散阻力不同的氣體擴散阻力件分別與相對應(yīng)的限流氣室相通，限流氣室通過閥或毛細管門連接氣體管路，允許待測氣體分別進入不同的限流氣室進行測量。
3.如權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于所述測量氣室、至少兩個氣體擴散阻力件、限流氣室依此串聯(lián)相通，允許氣體分別通過一個或多個的擴散通道到達敏感電極表面，限流氣室通過閥門或毛細管連接氣體管路。
4.如權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于其中所述敏感元件吸附或消耗待測氣體，與待測氣體濃度間的響應(yīng)關(guān)系是線性的，且響應(yīng)大小受氣體擴散速度的影響。
5.如權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于其中所述氣體敏感元件包括電化學(xué)傳感器、催化燃燒傳感器、半導(dǎo)體傳感器。
6.如權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于其中所述氣體擴散通道阻力件包括擴散孔、毛細管組件、多孔薄膜、氣體滲透膜。
7.一種氣體濃度測量方法，利用權(quán)利要求I所述氣體傳感器，其特征在于所述測量過程通過以下兩次測量完成 一次測量將氣體流經(jīng)傳感器，氣體通過其中一個擴散通道到達測量氣室中的敏感元件表面，記錄氣體敏感元件的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值； 二次測量將氣體流經(jīng)傳感器，氣體通過另外一個擴散通道到達測量氣室中的敏感元件表面，記錄氣體敏感元件的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值； 由二次測量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值及傳感器參數(shù)計算氣體濃度。
8.如權(quán)利要求7所述一種氣體濃度測量方法，其特征在于其中所述傳感器參數(shù)通過將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體通入傳感器進行權(quán)權(quán)利要求7所述二次測量過程得到。
全文摘要
氣體傳感器，由氣體敏感元件、氣室、氣體擴散通道組成，所述氣體敏感元件處在一測量氣室中，所述測量氣室通過至少兩個不同的氣體擴散通道與限流氣室連通，允許限流氣室內(nèi)的氣體通過不同的擴散通道擴散到敏感元件表面，所述擴散通道包括氣體擴散阻力件。
文檔編號G01N27/26GK102914575SQ20121046521
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者謝雷, 韓杰 申請人:尚沃醫(yī)療電子無錫有限公司