基于膜的二氧化碳传感器的制作方法

背景技术：

本文的实施方案大体上涉及气体含量传感器，且更特定来说涉及基于膜的二氧化碳传感器。

周围空气中的气体浓度的检测可提供关于环境中的产品或其它物品的各种信息。此外，可能希望维持环境的周围空气中的特定气体浓度，以便实现对环境内的产品的有益或非有害环境影响。

举例来说，经常使用增加的二氧化碳气氛来帮助维持水果、蔬菜、观赏植物和肉类的新鲜。如果co2浓度过低，那么可能达不到所需的益处。同样，如果co2浓度过高，那么可能损坏产品。因此，监测环境中的co2的水平是需要的。可以有意地增加或减小co2的浓度，且在一些情况下，可能需要或希望不超过正常气氛的co2的增加，即将co2水平维持于正常气氛水平。然而，在从呼吸作用产生co2的产品的情况下，co2水平可能无意中增加，即，浓度可能仅仅由于产品的自然co2产生而累积达到会损坏例如水果、蔬菜、观赏植物和肉类等产品的水平。

因此，检测二氧化碳的浓度可以有益于监测运输容器中或储存装置中的农产品、水果、蔬菜、观赏植物、肉类和其它易腐产品(″产品)的状态和质量。如所述，来自这些产品的co2的排放会影响产品的状态。举例来说，在例如香蕉等产品的成熟状况期间，来自产品的co2的排放可能使环境中的co2浓度增加到不合意的水平。类似地，在发酵或腐烂期间产品中的微生物作用也可能产生co2，且可能使环境中的周围浓度升高到不合意的水平。因此，测量环境中存在的co2浓度是需要的，且允许以非侵入方式且实时地监测过程，使得可以避免不合意的水平。

在冷链应用中可使用气体浓度传感器来有效地测量环境中在产品周围的co2含量。冷链应用涉及在运输和储存期间对食品、易腐物品和其它产品的冷藏。举例来说，冷链应用可以包含产品在冷藏储存设施、冷藏运输交通工具(尤其是冷藏海运集装箱)、密封货盘、密封箱和密封包装中的储存和/或运输。

当前市场上的感测装置使用通常基于非色散红外技术的复杂且昂贵的co2传感器。此技术是在机电方面复杂且昂贵的。所述装置具有长装置寿命且提供气体浓度的极准确读数和检测。然而，尤其是鉴于所述感测装置的高成本，在冷链应用中并不需要这些感测装置的精度和装置寿命持续时间。

技术实现要素：

根据一个实施方案，提供一种气体浓度监测系统。所述系统包含：辐射源，其具有被配置成发出辐射的一个或多个发射元件；以及辐射传感器，其具有一个或多个感测元件，所述感测元件被配置成检测在所述辐射传感器处从所述辐射源接收到的辐射。反应性材料位于所述辐射源与所述辐射传感器之间且被配置成对气体的存在作出反应，其中所述反应性材料的所述反应影响在所述辐射传感器处检测到的辐射量。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含具有一个或多个通风口的封壳，所述通风口被配置成准许周围空气进入所述封壳，所述封壳被配置成容纳所述辐射源、所述辐射传感器和所述反应性材料。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述反应性材料是二氧化碳颜色敏感膜。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述辐射源包括一个或多个led。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含对在所述辐射传感器处检测到的所述辐射量的所述影响是以下各项中的一者：(i)减少在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量；以及(ii)增加在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含控制电路，所述控制电路被配置成进行以下各项中的至少一者：(i)控制所述辐射源；以及(ii)从所述辐射传感器接收信息。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含数据记录器，所述数据记录器被配置成进行以下各项中的至少一者：(i)记录与在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量相关联的数据；以及(ii)确定在所述辐射传感器处接收到的辐射量是否高于或低于阈值。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述气体是二氧化碳。

根据另一实施方案，提供一种气体浓度监测系统。所述系统包含：数据记录器；辐射源，其具有被配置成发出辐射的一个或多个发射元件；以及辐射传感器，其具有一个或多个感测元件，所述感测元件被配置成检测在所述辐射传感器处从所述辐射源接收到的辐射。反应性材料位于所述辐射源与所述辐射传感器之间且被配置成对气体的存在作出反应，其中所述反应性材料的所述反应影响在所述辐射传感器处从所述辐射源检测到的辐射量。在所述系统中，所述辐射传感器与所述数据记录器通信，且所述数据记录器被配置成进行以下各项中的至少一者：(i)记录与在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量相关联的数据；以及(ii)确定在所述辐射传感器处接收到的辐射量是否高于或低于阈值。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含具有一个或多个通风口的封壳，所述通风口被配置成准许周围空气进入所述封壳，所述封壳被配置成容纳所述辐射源、所述辐射传感器和所述反应性材料。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述反应性材料是二氧化碳颜色敏感膜。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述辐射源包括一个或多个led。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含对在所述辐射传感器处检测到的所述辐射量的所述影响是以下各项中的一者：(i)减少在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量；以及(ii)增加在所述辐射传感器处接收到的所述辐射量。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含控制电路，所述控制电路被配置成进行以下各项中的至少一者：(i)控制所述辐射源；以及(ii)从所述辐射传感器接收信息。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述监测系统的进一步实施方案可以包含所述气体是二氧化碳。

根据另一实施方案，提供一种监测封壳内的气体浓度的方法。所述方法包含：使辐射穿过反应性材料；检测穿过所述反应性材料的辐射量；以及基于检测到的所述辐射量确定气体的浓度。所述辐射穿过的所述反应性材料被配置成对所述气体的存在作出反应，其中所述反应性材料的所述反应影响穿过所述反应性材料的所述辐射量。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述方法的进一步实施方案可以包含使周围空气在所述反应性材料上方经过。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述方法的进一步实施方案可以包含其中所述气体是二氧化碳。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述方法的进一步实施方案可以包含所述辐射是可见光、紫外线辐射和红外线辐射中的至少一者。

除了上文描述的特征中的一个或多个之外或者作为替代方案，所述方法的进一步实施方案可以包含用数据记录器记录所述确定的气体浓度。

本发明的实施方案的技术作用包含提供低成本的简单系统和传感器以检测环境中的二氧化碳的存在和含量水平。

附图简要说明

在说明书的结论处的权利要求书中具体指出且清楚地要求视为本发明的主题。本发明的前述和其它特征及优点从以下结合附图做出的详细描述中显而易见，附图中：

图1是根据本发明的示例性实施方案的二氧化碳传感器系统的示意性图示；以及

图2是根据本发明的示例性实施方案的过程的流程图。

具体实施方式

如上所述，在冷链应用中二氧化碳浓度的监测和检测有助于冷链应用内对产品的质量的监测。冷链应用包含例如农产品和肉类等冷藏的易腐产品的运输和储存。相对于水果和蔬菜，例如船运集装箱内的co2的适当环境浓度取决于特定产品而可以在1％与30％之间的范围内。因此，重要的是监测co2的水平以确保不超过这些适当水平，超过这些水平则指示食品正在接近过期或已经过期。

参见图1，示出了根据本发明的示例性实施方案的气体浓度监测系统100。监测系统100可以位于用于易腐产品的运输或储存的集装箱内。举例来说，所述集装箱可以是冷藏船运集装箱、储存室或运输交通工具。此外，在一些实施方案中，监测系统100可以位于产品的包装内或用于运输产品的货盘内。

监测系统100包含传感器封壳102，其被配置成容纳监测系统100的各种组件部分且通过通风口103暴露于周围空气(封壳102外部的空气)。通风口103允许周围空气流动且进入和通过封壳102，使得流动的周围空气与监测系统100的感测组件相互作用。

监测系统100的感测组件包含辐射源104、辐射传感器106，以及位于辐射源104与辐射传感器106之间的反应性材料108。辐射源104和辐射传感器106电连接到控制电路110。控制电路110被配置成控制和发送命令给辐射源104，且接收和/或处理从辐射传感器106接收到的信息。

辐射源104例如被配置成脉冲调制信号或者在一个或多个光谱中发出辐射的多色led。辐射源104被配置成朝向辐射传感器106发出辐射。本领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的范围的情况下可以使用各种电磁辐射源。举例来说，辐射源可以包含可见光辐射、紫外线辐射、红外线辐射和/或这些或其它辐射光谱的组合的源。由此，在不脱离本发明的范围的情况下，辐射源104可以是已知或将变为已知的任何类型的辐射源。

基于辐射源104的类型(和相关联发出的辐射)，辐射传感器106被配置成检测由辐射源104产生的类型的辐射。举例来说，辐射传感器106可以是单个辐射传感器元件或者被并联配置以检测由辐射源104发出的辐射的波长和能量的辐射传感器的阵列。在此实施方案中，辐射传感器106被配置成基于在传感器元件处接收到的能量而检测或测量在辐射传感器106的元件处接收到的辐射量。传感器106将随后输出模拟或数字信号，所述信号被发送到控制电路110以用于进一步处理。在一些实施方案中，辐射传感器106由并联配置的对特定不同波长个别敏感的多个感测元件组成，或者在其它实施方案中，辐射传感器106可以由对相同波长敏感的多个元件组成。此外，在一些实施方案中，辐射传感器106可以包含仅一个感测元件。因此，本领域的技术人员将了解，感测元件的数目是可变的。

位于辐射源104与辐射传感器106之间的反应性材料108被配置成影响穿过其中且到达传感器106的辐射(和能量)的量。举例来说，反应性材料108被配置成对周围空气中的气体(例如co2)的存在作出反应，且改变或更改以使得穿过反应性材料108的辐射量相对于无co2或基线浓度的co2存在时发生改变(增加或减少)。在辐射传感器106处接收到的辐射的变化可以与封壳102中存在的co2的量或浓度的变化成正比。因此，例如co2等气体的浓度可以被有效且高效地监测，且指示监测系统100所位于的环境内的co2浓度。

反应性材料108可以是塑料、复合物、玻璃或对例如co2等某些气体的存在固有地为反应性的其它材料，或者可以由与染料、墨水、颜料或其它化合物和/或材料组合以制成对例如co2等某些气体的存在为反应性的所得材料的材料形成。在一些实施方案中，反应性材料108可以被配置成当不存在co2时、当在co2的气氛浓度的存在中时或者当某种预定浓度、阈值浓度、已知浓度或基线浓度的co2存在时为透明的。随后，随着co2浓度在周围空气中增加，反应性材料108将例如变为不透明的或改变颜色，且随着周围空气中的co2浓度增加而进一步转变到更高的不透明度水平。因此，穿过反应性材料108的辐射量将由于不透明反应性材料108对辐射的吸收而减少。因此，到达且在辐射传感器106处检测到的辐射量将减少，且可用以指示co2浓度的变化。

随着反应性材料108的颜色或不透明度改变，反应性材料108将吸收由辐射源104发射的更多辐射，因此减少由辐射传感器106接收和检测到的辐射或能量的量。在其它示例性实施方案中，反应性材料108在其对co2的存在作出反应时可以改为反射入射到反应性材料108的辐射的较大部分，或者可以对从辐射源104发射的辐射进行分散或提供其它影响，因此减少由辐射传感器106接收或检测到的能量的量。在这些示例性配置中，co2的存在的增加将减少由辐射传感器106接收到的能量的量。

在一些此类实施方案中，反应性材料108可以被配置成改变颜色的膜。在此实施方案中，在co2的存在下，所述改变颜色的膜(反应性材料108)将改变颜色或改变颜色的不透明度。反应性材料108的颜色或不透明度变化可以是与co2的直接接触或相互作用的结果，或者可能是由于间接的相互作用，例如流过封壳102的周围空气中的水分含量的ph水平。改变颜色的膜的颜色被配置成匹配于辐射源104，使得改变颜色的膜的变化影响到达辐射传感器106的辐射量。

在替代实施方案中，反应性材料108可以相反方式起作用。举例来说，反应性材料108可以是当co2的浓度为低时的不透明颜色，且可以随着co2浓度增加而变得较透明。在此配置中，由辐射传感器106检测到的能量或辐射的量将随着co2浓度增加而增加。

根据本发明的实施方案，由辐射传感器106检测到的辐射或能量的变化指示存在于传感器封壳102内的co2的浓度或指示co2的浓度的变化(差量)，且因此表示监测系统100所位于的环境中的co2含量。作为实施例，检测co2的浓度的灵敏度可以达到周围空气中co2的1％到30％浓度的范围内的±0.5％浓度的准确度。因此，监测系统100可在充分的程度上监测co2的浓度和/或浓度的变化。此准确度足以用于冷链应用的目的。

在监测系统100中，在传感器106处检测到的辐射或能量可以从模拟信号转换为数字信号。或者，在阵列或多个传感器的情况下，可以将检测到的信号求和且随后转换为数字信号。在任一情况下，模/数转换器提供于系统内且可以作为辐射传感器106的部分、控制电路110的部分，或某种其它所连接和/或相关联系统或装置的部分。随后可以处理、记录和/或分析所述数字信号。

如上所述，控制电路110与辐射源104和辐射传感器106电连通。控制电路110被配置成在得到命令后控制辐射源104以发出辐射，这在一些实施方案中可以允许辐射源104的接通和断开状态。接通/断开状态可以用于节省电力和/或仅在需要时实现数据收集，而不需要连续的辐射源。此外，如上所述，控制电路110可以包含a/d转换器以将从辐射传感器106接收的模拟信号转换为数字信号以进行处理。如图示，控制电路110定位和/或容纳于封壳102内。然而，这仅是为了示例性目的而呈现，且本领域的技术人员将了解，控制电路可以被配置于封壳102之外和/或可以被配置为更大或更复杂计算装置的部分(例如，下文论述的数据记录器116)。此外，在一些实施方案中，所述数字信号可以是具有频率、电压变化、脉冲宽度输出或者已知或将变为已知的其它输出的数字时序信号。

如图1中所示，控制电路110进一步连接到数据接口112和电力源114。电力源114可以是电池或本领域中已知的其它电力源，且可以被配置成对监测系统100提供电力，且还可以对数据记录器116和/或其它电设备提供电力。

数据接口112被配置成实现控制电路110与例如数据记录器116等其它组件之间的通信。数据记录器116可以包含中央处理单元以及易失性和非易失性存储器以用于数据处理、数据记录、警报和通知系统的控制、输入/输出功能等。在一些实施方案中，数据记录器116被配置成数据记录系统，其并入了监测系统100以及其它类型的传感器和监测装置，例如湿度传感器、温度传感器等。

数据记录器116或其它处理组件可处理和记录在辐射传感器106处收集的信息，以便监测围绕监测系统100的周围空气中的co2水平。数据记录器116可以被配置成监测co2浓度的特定百分比水平和/或监测周围空气中超过阈值水平。举例来说，如果超过阈值水平，那么可以指示所监测的正在产生co2的产品已经达到开始指示例如腐烂的水平。在此情况下，食品可能尚未腐烂，但特定阈值可以指示腐烂可能变成问题的水平。因此，数据记录器116可以监测自从已经超过阈值时起过去的时间。所监测的时间随后可以用于指示产品是否已经达到或超过对于特定产品来说不可接受的水平或标准。

现在转到图2，示出了示例性过程200的流程图。作为第一步骤202，在环境中从例如led等辐射源提供辐射。所述辐射被配置成在步骤204穿过反应性材料，且在步骤206中在辐射传感器处被接收或检测。在步骤204采用的反应性材料是例如上文关于反应性材料108描述的改变颜色的材料，且传感器被配置成检测由辐射源发射的辐射的类型。传感器将基于穿过反应性材料的辐射量而检测或接收能量的量。随后将在步骤208将表示在传感器处检测到的能量的量的模拟信号转换为数字信号，随后将在步骤210处理所述数字信号。在步骤210对数字信号的处理可以包含将数字信号记录为一种形式的数据和/或确定检测到的能量水平是否超过或低于预定阈值。如果取决于配置而达到高于或低于阈值，那么时钟可启动和/或可以发出警报或警示以指示已经超过阈值。

有利地，本发明的实施方案提供了低成本co2传感器，其可以经济地且有效地用于冷链应用中。如本文公开的co2传感器装置或系统对于冷链应用以足够的分辨率起作用，且因此对过于准确且昂贵的装置提供低成本替代方案。此外，本文公开的传感器装置提供了单用途传感器，其可以用于在数周的过程中监测co2水平，且随后丢弃。然而，此配置是有利的，因为成本显著较低，尤其是与高成本、精密且耐久(大约数年)的传感器相比时。

虽然已经结合仅有限数目的实施方案详细描述了本发明，但应容易了解，本发明不限于这些公开的实施方案。而是，可以修改本发明以并入前文未描述但与本发明的精神和范围一致的任何数目的变化、更改、替换、组合、子组合或等效布置。另外，虽然已经描述本发明的各种实施方案，但应了解，本发明的方面可以包含所描述实施方案中的仅一些实施方案。

举例来说，虽然本文描述为位于辐射源与辐射传感器之间且因此为透明的反应性材料，但在替代实施方案中，相同概念可以应用于反射性材料，其中反应性材料的反射性质基于co2的浓度而改变。在这些实施方案中，传感器可以适当地定位和/或配置于系统的封壳内。而且，在一些实施方案中，反应性材料可以直接涂覆到辐射传感器的表面上，使得(参考图1)元件106和108包括单个元件。替代地，反应性材料可以涂覆到辐射源的表面或外部上，使得元件104和108组合而形成单个元件。因此，图1的配置仅是为了示例性和阐释性目的而呈现，且不限制本发明的范围。

此外，虽然相对于二氧化碳的检测和监测进行描述，但本领域的技术人员将了解，本文描述的反应性材料可以被配置成检测和/或反应于其它气体、化合物和/或流体的存在，且因此本发明并不仅限于检测和监测二氧化碳。此外，与此一致，虽然相对于冷链应用内的应用进行描述，但本领域的技术人员将了解，所要求的监测系统和方法可以在用于环境中的气体或其它流体的检测和监测的其它应用中使用。

此外例如，上文公开的控制电路和/或数据记录器已经描述为与传感器组件物理上连接。然而，本领域的技术人员将了解，可以使用无线通信来提供装置的各种组件之间的通信。而且，虽然描述为单独的元件，但传感器、控制电路和数据记录器全部或其某种子组合可以被形成为单个单元。

因此，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。