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(shí)，氣體先通過傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置擴(kuò)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(gè)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(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)時(shí)一般都希望將傳感器的響應(yīng)值設(shè)計(jì)在氣相極限擴(kuò)散電流區(qū)，這可通過提高催化活性、加大擴(kuò)散阻力來實(shí)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(kuò)散系數(shù))及傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置的機(jī)械形狀計(jì)尺寸或擴(kuò)散滲透特性決定，此時(shí)傳感器具有響應(yīng)線性較好、響應(yīng)值受電位控制波動(dòng)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(diǎn)。而實(shí)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(gè)過程的影響，此時(shí)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(duì)響應(yīng)值的影響變大，并且不可預(yù)知，而要在理論上對(duì)上述所有過程進(jìn)行定量數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)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(jìn)行標(biāo)定以減少上述干擾，而且標(biāo)定時(shí)間與測量時(shí)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(duì)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(yùn)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(shí)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(duì)氣體響應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)及測量過程進(jìn)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(kuò)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(gè)不同的氣體擴(kuò)散通道與待測氣體接觸，允許氣體通過不同的擴(kuò)散通道擴(kuò)散到敏感元件表面，所述擴(kuò)散通道包括氣體擴(kuò)散阻力件。所述氣體擴(kuò)散通道阻力件包括擴(kuò)散孔、毛細(xì)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(gè)不同的氣體擴(kuò)散阻力件分別與相對(duì)應(yīng)的限流氣室相通，氣體擴(kuò)散阻力件的阻力不同，限流氣室通過閥或毛細(xì)管門連接氣體管路，允許待測氣體分別進(jìn)入不同的限流氣室進(jìn)行測量。所述傳感器的測量氣室、至少兩個(gè)氣體擴(kuò)散阻力件、限流氣室可依此串聯(lián)相通，允許通過不同的擴(kuò)散通道到達(dá)敏感電極表面，限流氣室通過閥門或毛細(xì)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(kuò)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。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(dòng)狀態(tài)、氣體擴(kuò)散阻力件的機(jī)械形狀及尺寸決定，較為穩(wěn)定可控，而氣體溶解、液相擴(kuò)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(duì)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(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定而不需要已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

圖1: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(shí)施方式
:應(yīng)用實(shí)施例一
對(duì)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(diǎn)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(kuò)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(kuò)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(duì)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(shí)將第二類過程對(duì)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(jī)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1是根據(jù)上述理論思路設(shè)計(jì)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(kuò)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(gè)不同的氣體擴(kuò)散通道301、302(氣體擴(kuò)散阻力件)分別與兩獨(dú)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(kuò)散通道擴(kuò)散到敏感元件表面，但兩氣體擴(kuò)散通道的氣體擴(kuò)散阻力不同，兩限流氣室通過閥門或毛細(xì)管連接氣體管路(當(dāng)使用毛細(xì)管時(shí)，應(yīng)保證毛細(xì)管內(nèi)氣體的擴(kuò)散阻力遠(yuǎn)大于氣體限流裝置的擴(kuò)散阻力，氣體在其中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于其在氣體限流裝置內(nèi)的擴(kuò)散速度)，允許待測氣體分別進(jìn)入不同的限流氣室進(jìn)行測量。本實(shí)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(kuò)散阻力件301為直徑2.6mm,厚度Imm的擴(kuò)散孔，氣體擴(kuò)散阻力件302為直徑
3.2mm，厚度Imm的擴(kuò)散孔，氣室202、203的體積均為0.5ml。在應(yīng)用時(shí)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(kuò)散阻力，在氣體流速固定的條件下，主要由氣室202中氣體擴(kuò)散阻力件301的機(jī)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(kuò)散阻力，在氣體流速固定的條件下，主要由氣室203中氣體擴(kuò)散阻力件302的機(jī)械尺寸決定。3)由(4)- (3)得:nFC(l/S2-l/Sl) = Rm2-Rml =K(5)因?yàn)镽m2、Rml主要由氣室中的氣體擴(kuò)散阻力件301、302的機(jī)械形狀及尺寸決定，基本不隨時(shí)間而變化，因而可作為一個(gè)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(shí)重復(fù)上述過程，本實(shí)施例用50ppm的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，將50ppm H2S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(jì)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(dú)利用氣體擴(kuò)散裝置301及302進(jìn)行測量時(shí)傳感器的靈敏度也可計(jì)算得到。在實(shí)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(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行自標(biāo)定時(shí)使用，常規(guī)測試時(shí)只進(jìn)行一次測量。由上述實(shí)施例及原理表述可見，該傳感器對(duì)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(jìn)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(shí)施例用不同直徑的氣體限流孔獲得兩個(gè)不同氣體擴(kuò)散阻力，采用多個(gè)限流孔也能達(dá)到同樣的目的，達(dá)到同樣效果的方法還有但不限于用毛細(xì)管組件、多孔薄膜、氣體滲透膜來實(shí)現(xiàn)，但要求兩次測量氣體的擴(kuò)散阻力不同。由上述實(shí)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(jī)械尺寸決定，氣體溶解、液相擴(kuò)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(duì)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(shí)施例二:圖2是根據(jù)上述理論思路設(shè)計(jì)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(kuò)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(kuò)散阻力件301a、限流氣室202a、氣體擴(kuò)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(xì)管連接氣體管路(當(dāng)使用毛細(xì)管時(shí)，應(yīng)保證毛細(xì)管內(nèi)氣體的擴(kuò)散阻力遠(yuǎn)大于氣體限流裝置的擴(kuò)散阻力，氣體在其中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于其在氣體限流裝置內(nèi)的擴(kuò)散速度。)允許待測氣體分別進(jìn)入不同的限流氣室進(jìn)行測量。。本實(shí)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(kuò)散阻力件301a為直徑1.6mm,厚度Imm的擴(kuò)散孔,氣體擴(kuò)散阻力件302a為直徑4.4mm,厚度Imm的擴(kuò)散孔，氣室202a、203a的體積均為0.5ml。在應(yīng)用時(shí)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(shí)氣體擴(kuò)散途徑為:從限流氣室203a經(jīng)氣體擴(kuò)散阻力件302a、限流氣室202a、氣體擴(kuò)散阻力件301a及測量氣室201a到達(dá)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(kuò)散阻力，主要由氣室202a中氣體擴(kuò)散阻力件301a的機(jī)械形狀及尺寸決定。
)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(shí)氣體擴(kuò)散途徑為:從限流氣室202a、經(jīng)氣體擴(kuò)散阻力件301a及測量氣室201a到達(dá)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(kuò)散阻力，主要由氣室203a中氣體擴(kuò)散阻力件302a的機(jī)械形狀及尺寸決定。3)由(9)-(8)得:nFC(l/S2-l/Sl) = Rm2-Rml =K(10)因?yàn)镽dm2、Rdml主要由氣室中的氣體限流裝置301a、302a的機(jī)械形狀尺寸決定，基本不隨時(shí)間而變化，因而可作為一個(gè)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(shí)重復(fù)上述過程，本實(shí)施例用50ppm的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，將50ppm H2S通入氣室202a獲得的傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為50.1luA,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(jì)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(dú)將氣體通入202a或203a進(jìn)行測量時(shí)傳感器的靈敏度也可計(jì)算得到。在實(shí)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(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行自標(biāo)定時(shí)使用，常規(guī)測試時(shí)只進(jìn)行一次測量，將氣體通入202a或203a。以上兩實(shí)施例介紹的只是兩種實(shí)現(xiàn)本測量方法的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際上專業(yè)人士利用所述方法原理，能夠通過組合設(shè)計(jì)不同的傳感器結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)所述測量方法，他們都在本發(fā)明測量方法的保護(hù)之列。
權(quán)利要求1.一種氣體傳感器，由氣體敏感元件、測量氣室、限流氣室、氣體擴(kuò)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(gè)不同的氣體擴(kuò)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(kuò)散通道擴(kuò)散到敏感元件表面，所述擴(kuò)散通道包括氣體擴(kuò)散阻力件。
2.如權(quán)利要求1所述氣體傳感器，其特征在于所述測量氣室通過至少兩個(gè)擴(kuò)散阻力不同的氣體擴(kuò)散阻力件分別與相對(duì)應(yīng)的限流氣室相通，限流氣室通過閥或毛細(xì)管門連接氣體管路，允許待測氣體分別進(jìn)入不同的限流氣室進(jìn)行測量。
3.如權(quán)利要求1所述氣體傳感器，其特征在于所述測量氣室、至少兩個(gè)氣體擴(kuò)散阻力件、限流氣室依次串聯(lián)相通，允許氣體分別通過一個(gè)或多個(gè)的擴(kuò)散通道到達(dá)敏感電極表面，限流氣室通過閥門或毛細(xì)管連接氣體管路。
4.如權(quán)利要求1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(kuò)散速度的影響。
5.如權(quán)利要求1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1所述氣體傳感器，其特征在于其中所述氣體擴(kuò)散阻力件包括擴(kuò)散孔、毛細(xì)管組件、多孔薄膜、氣體滲透膜。
專利摘要一種氣體傳感器,由氣體敏感元件、氣室、氣體擴(kuò)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(gè)不同的氣體擴(kuò)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(kuò)散通道擴(kuò)散到敏感元件表面，所述擴(kuò)散通道包括氣體擴(kuò)散阻力件。
文檔編號(hào)G01N33/00GK202974931SQ20122060979
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)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(qǐng)人:無錫市尚沃醫(yī)療電子股份有限公司