包括具有集成加熱的傳感器元件的蒸氣傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種蒸氣傳感器，所述蒸氣傳感器包括電容相關(guān)特性型傳感器元件(110)、加熱器電路元件(170)、電容相關(guān)特性型測量電路元件(180)、和至少一個開關(guān)構(gòu)件(190)。所述電容相關(guān)特性型傳感器元件包括介電基底(120)、第一導(dǎo)電電極(130)、第二導(dǎo)電電極(140)、以及設(shè)置在所述第一導(dǎo)電電極和所述第二導(dǎo)電電極之間并且與它們接觸的介電微孔材料層(150)。所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠中斷所述第一導(dǎo)電電極與所述加熱器電路元件之間的電導(dǎo)通、以及所述電容相關(guān)特性型測量電路元件與所述第一導(dǎo)電電極之間的電導(dǎo)通。
【專利說明】包括具有集成加熱的傳感器元件的蒸氣傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明廣義地涉及蒸氣傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在多個研究領(lǐng)域中，需要監(jiān)測蒸氣的存在及其在空氣中的濃度。已經(jīng)開發(fā)出多種用于檢測蒸氣(如，揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC))的方法，所述方法包括(例如)光離子化法、氣相色譜法、重量分析技術(shù)、光譜技術(shù)(如質(zhì)譜法、紅外光譜法、或熒光光譜法)、和吸收感測技術(shù)。
[0003]在電容傳感器中，兩個導(dǎo)電電極的電容(通常平行或交叉)隨著兩個電極之間的材料的介電常數(shù)的改變(歸因于所存在的環(huán)境被分析物蒸氣)而變化。希望從導(dǎo)電電極之間周期性地移除被分析物(例如，交換被分析物蒸氣)。在此類情況下，可在應(yīng)用電容傳感器之前利用加熱來蒸發(fā)被分析物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個方面，本發(fā)明提供了蒸氣傳感器，所述蒸氣傳感器包括:
[0005]電容相關(guān)特性型傳感器元件，所述電容相關(guān)特性型傳感器元件包括:
[0006]介電基底；
[0007]設(shè)置在介電基底上的第一導(dǎo)電電極，所述第一導(dǎo)電電極具有第一和第二末端；
[0008]第二導(dǎo)電電極；和
[0009]包括微孔材料的介電層，所述介電層設(shè)置在第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極之間并且與它們接觸；
[0010]加熱器電路元件，所述加熱器電路元件具有第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件，其中所述第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件分別與所述第一導(dǎo)電電極的第一和第二末端可撥轉(zhuǎn)中斷地電導(dǎo)通；
[0011]電容相關(guān)特性型測量電路元件，所述電容相關(guān)特性型測量電路元件具有第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件，其中所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極可撥轉(zhuǎn)中斷地電導(dǎo)通，并且其中所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第二導(dǎo)電構(gòu)件與所述第二導(dǎo)電電極電導(dǎo)通；
[0012]至少一個開關(guān)構(gòu)件，其中所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠可撥轉(zhuǎn)地中斷所述加熱器電路元件的第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極的第一和第二末端之間的電導(dǎo)通，其中所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠可撥轉(zhuǎn)地中斷所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極之間的電導(dǎo)通。
[0013]在一些實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)電電極以及檢測層各自接觸基底。在一些實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)電電極為平行的。
[0014]在一些實(shí)施例中，所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠同時(shí)可撥轉(zhuǎn)地中斷:
[0015]加熱器電路元件的第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件與第一導(dǎo)電電極的相應(yīng)第一和第二末端之間的可撥轉(zhuǎn)中斷地電導(dǎo)通；和[0016]電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與第二導(dǎo)電電極之間的可撥轉(zhuǎn)中斷的電導(dǎo)通。
[0017]在一些實(shí)施例中，蒸氣傳感器還包括靠近第一導(dǎo)電電極設(shè)置在介電基底上的溫度傳感器。
[0018]在一些實(shí)施例中，蒸氣傳感器還包括開關(guān)控制器，其中所述開關(guān)控制器與開關(guān)構(gòu)件電導(dǎo)通并且控制開關(guān)的操作。在這些實(shí)例中，開關(guān)控制器與溫度傳感器電導(dǎo)通。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的蒸氣傳感器可用于(例如)測量被分析物(如，揮發(fā)性有機(jī)化合物和/或濕氣)的濃度。
[0020]有利地，在根據(jù)本發(fā)明的蒸氣傳感器中，第一導(dǎo)電電極具有電容相關(guān)特性感測和作為加熱元件的雙重作用，從而消除對于額外的加熱元件的需要并且簡化蒸氣傳感器的設(shè)計(jì)和制造。
[0021]用于本發(fā)明的實(shí)施過程中的傳感器元件通常被構(gòu)造為使得吸收性介電層足夠靠近第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極，以至于在該層中含有的吸收性介電材料將能夠與由電極建立的電場發(fā)生相互作用。在傳感器元件的操作中，吸收性介電層在吸收一種或多種被分析物(例如，一種或多種有機(jī)蒸汽)時(shí)表現(xiàn)出電氣特性的變化。電氣特性可為如下所述的電容相關(guān)特性。通過在第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極之間賦予電荷差(例如，向該電極賦予電壓差)并監(jiān)測傳感器元件響應(yīng)于被分析物的存在的特性，可測量這種與電容相關(guān)特性的變化。
[0022]術(shù)語“電容相關(guān)特性”涵蓋任何電氣特性及其測定過程，這種測定過程通常與施加電荷(無論是靜電荷還是時(shí)變電荷)和在施加電荷期間和/或之后監(jiān)測電氣特性相關(guān)。例如，這種特性不僅包括電容，還包括阻抗、電感、導(dǎo)納、電流、電阻、電導(dǎo)系數(shù)等，并且可根據(jù)本領(lǐng)域熟知的多種方法測量到。
[0023]如本文所用，術(shù)語“吸收”是指材料變?yōu)樵O(shè)置在介電微孔材料內(nèi)，無論其僅吸附到孔壁還是溶解到整體介電微孔材料中。
[0024]如本文所用，關(guān)于材料層(如，導(dǎo)電電極)的術(shù)語“可滲透的”是指在存在該層的區(qū)域內(nèi)，該層為足夠多孔的，以使得至少一種有機(jī)化合物能夠非反應(yīng)性地滲透穿過其厚度(如，在25°C下)。
[0025]如本文所用，術(shù)語“導(dǎo)電構(gòu)件”是指諸如(例如)導(dǎo)線、金屬跡線、電子組件、或它們的組合之類的導(dǎo)電構(gòu)件。
[0026]在考慮【具體實(shí)施方式】以及所附權(quán)利要求書之后，將進(jìn)一步理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為根據(jù)本發(fā)明的示例性蒸氣傳感器100的示意性平面圖；
[0028]圖2為圖1所示的傳感器元件110的示意性分解透視圖；
[0029]圖3為根據(jù)本發(fā)明的示例性蒸氣傳感器300的示意性平面圖；并且
[0030]圖4為圖3所示的傳感器元件310的示意性平面圖。
[0031]盡管上述各圖示出了本發(fā)明的若干實(shí)施例，但如論述中所述，也可以構(gòu)想出其他實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出大量其他修改形式和實(shí)施例，這些修改形式和實(shí)施例也在本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)。附圖可能并未按比例繪制。在所有附圖中，相同參考標(biāo)號可以用來表示相同部件。
【具體實(shí)施方式】
[0032]適用于本發(fā)明的蒸氣傳感器可包括多種傳感器元件構(gòu)型。
[0033]在圖1所不的一個實(shí)施例中，蒸氣傳感器包括具有分層電極構(gòu)型的傳感器兀件?，F(xiàn)在參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的示例性蒸氣傳感器100包括電容相關(guān)特性型傳感器元件110。如圖2所示，電容相關(guān)特性型傳感器元件110包括:介電基底120 ;設(shè)置在介電基底120上的第一導(dǎo)電電極130 ;第二導(dǎo)電電極140 ;以及設(shè)置在第一導(dǎo)電電極130和第二導(dǎo)電電極140之間并且與它們接觸的介電微孔材料層150。
[0034]介電基底120可包括(例如)介電材料的連續(xù)塊、層、或膜。將其設(shè)置為足夠靠近第一導(dǎo)電電極130，以使其可用于為傳感器元件提供物理強(qiáng)度和完整性?？墒褂萌魏魏线m的介電材料，所述介電材料包括(例如)玻璃、陶瓷、和/或塑料。在大規(guī)模生產(chǎn)中，可使用聚合物膜(例如，聚酯或聚酰亞胺)。
[0035]第一導(dǎo)電電極130可包括任何合適的導(dǎo)電材料。可使用作為不同層或作為混合物的不同材料(導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電)的組合，前提條件是提供足夠的整體導(dǎo)電性。通常，第一導(dǎo)電電極130具有小于約IO7歐姆/平方米的表面電阻。可用于制備第一導(dǎo)電電極130和/或第二導(dǎo)電電極140的材料的實(shí)例包括(但不限于)有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬、合金以及包含任何或全部這些材料的各種混合物和復(fù)合物。在某些實(shí)施例中，可使用涂布(例如，熱蒸鍍或?yàn)R鍍)金屬或金屬氧化物、或者它們的組合。合適的導(dǎo)電材料包括(例如)鋁、鎳、鈦、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅、鉻、碳納米管、以及它們的組合。在某些實(shí)施例中，也可通過印刷金屬墨(如，銀墨或金墨)、然后干燥該墨來形成第一導(dǎo)電電極130。第一導(dǎo)電電極130具有相應(yīng)的第一和第二末端134、136。
[0036]第二導(dǎo)電電極140可包括任何材料，前提條件是其對于至少一種有機(jī)被分析物而言保持可滲透性?？捎糜谥苽涞诙?dǎo)電電極140的材料的實(shí)例包括有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬、合金、以及包含任何或全部這些材料的各種混合物和復(fù)合物。在某些實(shí)施例中，可使用涂布(例如熱蒸鍍、濺鍍等)金屬或金屬氧化物、或者它們的組合。合適的導(dǎo)電材料包括(例如)鋁、鎳、鈦、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅、鉻、碳納米管、以及它們的組合。有關(guān)氣相沉積的蒸氣可透過的導(dǎo)電電極的詳細(xì)信息還可見于美國臨時(shí)專利申請N0.61/388，146(Palazzotto等人)中，該臨時(shí)專利申請的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。
[0037]在某些實(shí)施例中，也可通過印刷金屬墨(如，銀墨或金墨)、然后干燥該墨來形成第二導(dǎo)電電極140。可使用作為不同層或作為混合物的不同材料(導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電)的組合，前提條件是提供足夠的整體導(dǎo)電性和滲透性。通常，第二導(dǎo)電電極140具有小于約IO7歐姆/平方米的表面電阻。如圖2所示，第二導(dǎo)電電極140被構(gòu)造為延伸超過第一導(dǎo)電電極130的周邊的矩形電極；也可使用其他構(gòu)型。例如，第二導(dǎo)電電極140的形狀可與第一導(dǎo)電電極130類似或基本上相同。
[0038]導(dǎo)電構(gòu)件137、139將第一導(dǎo)電電極130的相應(yīng)第二末端136和第一末端134電連接至開關(guān)構(gòu)件190，以使得在一個開關(guān)構(gòu)型中形成包括第一導(dǎo)電電極130和電容相關(guān)特性型測量電路元件180的閉合電路。[0039]在圖3所示的第二實(shí)施例中，蒸氣傳感器包括具有并列電極構(gòu)型的傳感器元件?，F(xiàn)在參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的示例性蒸氣傳感器300包括電容相關(guān)特性型傳感器元件310。
[0040]如圖4所示，電容相關(guān)特性型傳感器元件310包括:介電基底120 ;設(shè)置在介電基底120上的第一導(dǎo)電電極330 ;第二導(dǎo)電電極340 ;以及設(shè)置在第一導(dǎo)電電極330和第二導(dǎo)電電極340之間并且與它們接觸的介電微孔材料層150。第一導(dǎo)電電極330具有相應(yīng)的第一和第二末端334、336。導(dǎo)電構(gòu)件337將第二末端336電連接至開關(guān)構(gòu)件190，以使得在一個開關(guān)構(gòu)型中形成包括第一導(dǎo)電電極330和電容相關(guān)特性型測量電路元件180的閉合電路。
[0041]第一導(dǎo)電電極330可包括任何合適的導(dǎo)電材料?？墒褂米鳛椴煌瑢踊蜃鳛榛旌衔锏牟煌牧?導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電)的組合，前提條件是提供足夠的整體導(dǎo)電性。通常，第一導(dǎo)電電極330具有小于約IO7歐姆/平方米的表面電阻?？捎糜谥苽涞谝粚?dǎo)電電極330和/或第二導(dǎo)電電極340的材料的實(shí)例包括(但不限于)有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬、合金以及包含任何或全部這些材料的各種混合物和復(fù)合物。在某些實(shí)施例中，可使用涂布(例如熱蒸鍍或?yàn)R鍍)金屬或金屬氧化物、或者它們的組合。合適的導(dǎo)電材料包括(例如)鋁、鎳、鈦、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅、鉻、碳納米管、以及它們的組合。在某些實(shí)施例中，也可通過印刷金屬墨(如，銀墨或金墨)、然后干燥該墨來形成第一導(dǎo)電電極330。
[0042]在圖4所示的構(gòu)型中，第二導(dǎo)電電極340對于有機(jī)被分析物無需為可滲透的，但如果需要其可為可滲透的?？捎糜谥苽涞诙?dǎo)電電極340的材料的實(shí)例包括有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬、合金、以及包含任何或全部這些材料的各種混合物和復(fù)合物。在某些實(shí)施例中，可使用涂布(例如熱蒸鍍、濺鍍等)金屬或金屬氧化物、或者它們的組合。合適的導(dǎo)電材料包括(例如)鋁、鎳、鈦、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅、鉻、碳納米管、以及它們的組合。在某些實(shí)施例中，也可通過印刷金屬墨(如，銀墨或金墨)、然后干燥該墨來形成第二導(dǎo)電電極340?？墒褂米鳛椴煌瑢踊蜃鳛榛旌衔锏牟煌牧?導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電)的組合，前提條件是提供足夠的整體導(dǎo)電性和滲透性。通常，第二導(dǎo)電電極340具有小于約IO7歐姆/平方米的表面電阻。
[0043]第一導(dǎo)電電極可具有使得其能夠?qū)щ姷娜魏魏穸?；例如，在至?納米(nm)至400nm、或者IOnm至200nm范圍內(nèi)的厚度。
[0044]第一導(dǎo)電電極可遵循曲折路徑；例如，如圖2和圖4所示；然而，這并非為必要條件，并且還可以想到其他構(gòu)型。曲折路徑通常用于增加可進(jìn)行加熱的區(qū)域和/或提高加熱速率。通常，第一導(dǎo)電電極的設(shè)計(jì)應(yīng)允許與加熱器電路元件電導(dǎo)通時(shí)的溫和電阻加熱。這種設(shè)計(jì)考慮因素在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的技術(shù)水平之內(nèi)。
[0045]第二導(dǎo)電電極通常具有介于Inm至100 μ m范圍內(nèi)的厚度，但可使用其他厚度。
[0046]例如，在圖2所示的實(shí)施例中，第二導(dǎo)電電極可具有介于Inm至IOOnm范圍內(nèi)、或者甚至介于4nm至IOnm范圍內(nèi)的厚度。較大厚度可導(dǎo)致不期望的低滲透性水平，而較小厚度可變的不充分導(dǎo)電和/或難以電連接至第二導(dǎo)電構(gòu)件。
[0047]在圖4所示的實(shí)施例中，第一和第二電極可并列地設(shè)置在介電基底的表面上(如，在單個平面內(nèi))，并且由吸收性本質(zhì)多孔材料隔開。在此實(shí)施例中，第二導(dǎo)電電極對于被分析物蒸氣而言無需為可滲透的。在這種情況下，第二導(dǎo)電電極可利用適用于第一導(dǎo)電電極的材料來制備。[0048]介電微孔材料150可為任何微孔性材料，并且能夠吸收位于其內(nèi)部的至少一種被分析物。在此上下文中，術(shù)語“微孔的”和“微孔性”是指材料具有大量內(nèi)部互連的孔體積，并且平均孔尺寸(如(例如)通過吸附等溫線方法來表征)小于約lOOnm，通常小于約10nm。這種微孔性使得有機(jī)被分析物的分子(如果存在)能夠滲透材料的內(nèi)部孔隙體積，并且留在內(nèi)部孔隙中。內(nèi)部孔中的這種被分析物的存在可以改變材料的介電性質(zhì)，使得介電常數(shù)(或任何其它合適的電氣特性)的變化可被觀測。
[0049]在一些實(shí)施例中，介電微孔材料包括所謂的本質(zhì)微孔聚合物(PM)。PM為因聚合物鏈的無效填充產(chǎn)生的具有納米級孔的聚合物材料。例如，在Budd等人的《化學(xué)通訊》(Chemical Communications) (2004 年,(2),第 230-231 頁)中，報(bào)告了一系列本鹿微孔材
料，所述本質(zhì)微孔材料含有位于剛性和/或扭曲的單體構(gòu)造嵌段之間的雙苯并二曝烷鍵。
這一組聚合物中的典型成員包括如根據(jù)方案I的表1所示的由組分A (如A1、A2、或A3)與組分B (如B1、B2、或B3)縮合所生成的那些。
[0050]方案I
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種蒸氣傳感器，包括: 電容相關(guān)特性型傳感器元件，所述電容相關(guān)特性型傳感器元件包括: 介電基底； 設(shè)置在所述介電基底上的第一導(dǎo)電電極，所述第一導(dǎo)電電極具有第一和第二末端； 第二導(dǎo)電電極；和 包括微孔材料的介電層，所述介電層設(shè)置在所述第一導(dǎo)電電極和所述第二導(dǎo)電電極之間并且與它們接觸； 加熱器電路元件，所述加熱器電路元件具有第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件，其中所述第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件分別與所述第一導(dǎo)電電極的第一和第二末端可撥轉(zhuǎn)中斷地電導(dǎo)通； 電容相關(guān)特性型測量電路元件，所述電容相關(guān)特性型測量電路元件具有第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件，其中所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極可撥轉(zhuǎn)中斷地電導(dǎo)通，并且其中所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第二導(dǎo)電構(gòu)件與所述第二導(dǎo)電電極電導(dǎo)通； 至少一個開關(guān)構(gòu)件，其中所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠可撥轉(zhuǎn)地中斷所述加熱器電路元件的第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極的相應(yīng)第一和第二末端之間的電導(dǎo)通，其中所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠可撥轉(zhuǎn)地中斷所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極之間 的電導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸氣傳感器，其中所述至少一個開關(guān)構(gòu)件能夠同時(shí)可撥轉(zhuǎn)地中斷: 所述加熱器電路兀件的第一和第二導(dǎo)電構(gòu)件與所述第一導(dǎo)電電極的相應(yīng)第一和第二末端之間的可撥轉(zhuǎn)中斷的電導(dǎo)通；和 所述電容相關(guān)特性型測量電路元件的第一導(dǎo)電構(gòu)件與所述第二導(dǎo)電電極之間的可撥轉(zhuǎn)中斷的電導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蒸氣傳感器，其中所述第二導(dǎo)電電極對于至少一種有機(jī)蒸氣而言為可滲透的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述第二導(dǎo)電電極包括干銀m
O
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述第二導(dǎo)電電極包括蒸氣沉積的金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述微孔材料包括固有微孔聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，還包括開關(guān)控制器，其中所述開關(guān)控制器與所述開關(guān)構(gòu)件電導(dǎo)通并且控制所述開關(guān)的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，還包括靠近所述第一導(dǎo)電電極設(shè)置在所述介電基底上的溫度傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蒸氣傳感器，其中所述開關(guān)控制器與溫度傳感器電導(dǎo)通。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述第一和第二導(dǎo)電電極以及所述檢測層各自接觸所述基底。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述第一和第二導(dǎo)電電極為平行的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的蒸氣傳感器，其中所述電容相關(guān)特性包括電容 。
【文檔編號】G01N27/22GK103477216SQ201280018031
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月13日
【發(fā)明者】M·C·帕拉佐托, J·藤格瓊雅薩姆, S·H·格里斯卡, M·S·文德蘭德 申請人:3M創(chuàng)新有限公司