用于检测有机液体的传感器的制作方法

专利名称：用于检测有机液体的传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于检测有机液体存在的传感器。
背景技术：
某些有机液体，诸如烃类燃料，当在它们相关的容器之外出现时， 可能存在人身或者环境危害。例如，由于地上和地下燃料储存罐中可能 包含的大量液体，储存罐中没有检测到的泄露会导致大量污染。检测这 种液体泄露到不期望的区域中对于控制和/或避免这种污染是重要的。


本发明的特征和优势通过描述符合本发明的各实施例而提出，该描 述应当结合附图考虑，附图中
图1是依照本发明的传感器的实施例的正视图2是图1所示传感器实施例的后视图3是图1所示传感器实施例的侧视图4示出依照本发明的传感器组件的实施例；
图5描绘依照本发明的传感器放置用于检测水坑中有机液体的存
在；
图6描绘存在水时图5的传感器布置；
图7描绘包含燃料的水坑中图5的传感器布置；
图8描绘包含水和燃料的水坑中图5的传感器布置；
图9描绘包含水和燃料的水坑中图5的传感器布置；
图10示出包括依照本发明的传感器的检测系统的一个实施例；
图11示出包括依照本发明的传感器的检测系统的第二实施例；图12示出包括多个依照本发明的传感器的检测系统的一个实施例。
具体实施例方式
根据本发明的传感器可以检测有机液体的存在。大致上，该传感器 在没有有机液体时会表现出第一状态，而在有机液体与传感器表面接触 时会表现出第二状态。传感器的第 一和第二状态可以 一般地与有机液体 与传感器表面接触时，第一和第二电极之间的电阻的变化相关。传感器 可以呈现大致伸长的传感器表面，并且可以检测沿伸长的传感器表面任 何点处有才几液体与传感器表面之间的接触。因而，在一个示例实施例中， 依照本发明的传感器可以适合用于检测水坑、人孔等中有机液体的存 在，其中有机液体可能在水坑或人孔中的中间高度处存在。
参考图1-3，传感器10的实施例可以大致包括笫一和第二传感器 表面12、 14,设置在不导电基板16的相对侧。传感器表面可以由可变 电阻材料形成。第一和第二电极18、 20可以分别耦接到基板16的相应 侧上相应的传感器表面12、 14。桥接电极22可电耦接到两个传感器表 面12、 14。电极18、 20、 22可以由任何适当的导电材料形成，例如铜、 金、柏、银等。在示出的示例实施例中，第一和第二电极18、 20相邻 于基板16的笫一端设置，而桥接电极22相邻于基板16的第二端设置。 然而，也可以采用各种其他配置。
基板16可以支持传感器表面12、 14和电极18、 20、 22，并且可以 将相应传感器表面12、 14和电极18、 20彼此电绝缘。从而，第一和第 二电极18、 20之间可以存在通过相应的传感器表面12、 14和电耦接第 一和第二传感器表面12、 14的桥接电极22的电通路。
传感器表面12、 14的可变电阻材料可以对与有机液体的接触有响 应。通过传感器表面12、 14和桥接电极22的导电通路可以在传感器表 面12、 14与有机液体接触时具有第一电阻，并且可以在没有有机液体 时具有第二电阻。因此有没有有机液体与传感器表面12、 14接触可以 基于第一和第二电极18、 20之间测量的电阻来确定。
可变电阻材料一般可包括可膨胀基质材料与导电填料的混合物，例 如在4受予Hauptly的美国专利No. 4855706中描述的，该专利的全部内 容结合在此作为参考。基质材料可以在存在有机液体时是可逆地可膨胀 的。即，当可膨胀基质材料与有机液体接触时，该基质材料会膨胀。导电填料的浓度可以被提供为，当基质材料处于未膨胀的状况即没有有机 液体时产生第一电阻。当存在有机液体时，基质材料会膨胀，从而增加 导电填料的粒子之间的平均距离。当可变电阻材料与有机液体接触时， 该导电填料粒子之间距离的增加会得到第二 、较高的电阻。
适当的可变电阻材料对于本领域技术人员是已知的。可变电阻材料 的一个实施例可以包括硅树脂和石墨的混合物。硅树脂在与有机液体4妻 触时可以是可膨胀的。硅树脂的膨胀可以是可逆的，使得当硅树脂被从 与有机液体的接触移开时它会回到不膨胀的状况。石墨填料可以提供通 过可变电阻材料的导电性。也可以采用各种其他可膨胀基质和导电填 料。例如，可膨胀基质可以被选择为提供对于特定的有机液体或者有机 液体的族增加的敏感度。除了提供导电性之外，导电填料例如可被选择 为抵抗基于特定应用的环境条件或化学侵蚀。也可以考虑多种其他因素 来为可变电阻材料选择基质和填料材料。
在一个实施例中，可以用已知的双面印刷电路板构造传感器10，该 双面印刷电路板例如在玻璃纤维基板的每个相对侧上包括导电镀层。传
感器基板16可以由玻璃纤维电路板基板提供。可以蚀刻印刷电路板的 铜镀层，以在电路板的两侧上提供棵露区域，用于传感器表面12、 14, 并在邻近电路板的一端处留下导电迹线，用于第一和第二电极18、 20。 类似地，可以通过在邻近电路板的第二端处在电路板的两侧留下导电迹 线来形成桥接电极22。邻近电路板第二端的导电迹线例如可以通过利用 电镀的通孔、跳线等来电耦接。
可以通过用可变电阻材料涂覆电路板在相应电极18、 20和桥接电 极22的一部分之间的棵露区域，来提供传感器表面12、 14。例如，可 以通过喷涂，例如空气喷涂或无空气喷涂，刷涂，蘸涂，丝网印刷等， 将石墨和硅树脂的可变电阻材料成分，施加到电路板的玻璃纤维基板 上。可以充分混合可变电阻材料的成份，使得石墨成份大致均匀的分散 在硅树脂基质中。例如可以通过至少部分覆盖或接触电极18、 20、和 22,将可变电阻材料电耦接到电极18、 20、和22。
如图所示，用于监测跨接第一和第二电极18、 20的电阻的电路24， 可以设置在基板16上。跨接第一和第二电极18、 20的电阻，可以指示 构成传感器区域12、 14的可变电阻材料的电阻，该可变电阻材料的电 阻又指示了是否与有机液体接触。在其中传感器10形成在印刷电路板
上的实施例中，可以从印刷电路板的导电层蚀刻出该电路的连线通路，
并且可以用印刷电路的传统方式，将该电路24的部件安装到电路板上。 例如可以通过以环氧树脂封装，或通过保护外壳等，保护电路24。
在一个实施例中，电路24可以将通过传感器表面12、 14等的导电 通路的检测的模拟电阻转换成二进制输出。即，当检测到对应于没有与 有机液体接触的第一电阻时，电路24可以提供第一输出。对应地，当 检测到对应于与有机液体接触的第二电阻时，电路24可以提供第二输 出。以这种方式，电路24的输出可以指示有机液体是否与传感器表面 12、 14接触。
在一个实施例中，电路24可以包括与市场有售监控器件和系统兼 容的比4支器电^各。例如，电3各24可以包4舌与Menlo Park, California 的Tyco Thermal Controls制造的TraceTek牌仪器传送的可用电压和 电流兼容的比较器电路，该仪器通常用于传感器电缆监控电路。
在一些实施例中，传感器可以与低功率泄露监控电路兼容，该低功 率泄露监控电路可以沿电路测量电阻，以确定传感器电路的物理位置。 TraceTek牌仪器中使用的低功率监控电路是熟知的，例如在4受予Masia 等的美国专利No. 5235286中有所描述，该专利的全部内容结合在此作 为参考。在包括多个传感器10的系统中，可以配置低功率泄露监控电 路来确定该多个传感器10中的哪个与有机液体接触。
还参照图4,依照本发明的传感器组件IOO可以包括传感器IO和保 护外壳102。传感器10可以经由引线104耦接到控制系统。保护外壳 102至少可以为传感器10提供某种程度的免受机械损坏的保护。例如， 传感器表面12、 14可能容易受到磨损损坏等。保护外壳可以包括安装 特征来将传感器定位在保护外壳中。在一些实施例中，该安装特征可以 将传感器维持在大致居中于该外壳中，然而也可以替代地采用其他配 置。
根据一个实施例，保护外壳102可以包括管子，并且可以包括至少 一个开口 106。保护外壳102周围的液体可以通过开口 106进入，并可 以接触传感器10，允许传感器确定有机液体的存在。可以选择开口的尺 寸和数量，以适应有机液体的粘度。例如，在检测相对粘的有机液体， 例如重油的存在的应用中，开口106可以相对大，以允许液体在保护外 壳102中的水平面迅速地响应于传感器组件102周围的液体的水平面的
变化而变化。在检测较低粘度液体的应用中，可以使用较小的开口 106, 而仍然实现保护外壳中液体高度的快速变化。在不同实施例中，开口范 围例如可以为4mm-7mm,不过也可以采用其他开口尺寸。
保护外壳102可以由多种材料和配置形成。例如， 一种成本有效的 外壳可以由包括一个或多个开口的聚氯乙烯(PVC)管子形成，开口例 如纵向或圓周的槽，允许液体在管子内部和外部之间连通。传感器10 可以设置在该PVC管子内。在与检测例如汽油，燃料油等的爆炸或可燃 液体相关的应用中，保护外壳可以被配置为减少可能点燃该液体或蒸气 的静电放电的风险。例如，保护外壳可以是包括抗静电添加剂的管子， 多种抗静电添加剂对于本领域技术人员是已知的。在一个实施例中，形 成保护外壳的管子可以包括含有抗静电添加剂的聚丙烯管子。各种其他 管子材料和配置也可以适当地与依照本发明的传感器组件相关的使用。
如图所示，可以提供具有大致伸长结构的传感器10,其可以包括伸 长的基板16并可以提供电极18、 20和桥接电极22之间伸长的传感器 表面12、 14。接触一个或两个传感器表面12、 14的有4几液体，会增加 构成传感器表面12、 14的可变电阻材料被该有机液体接触的那部分的 电阻。因为传感器表面12、 14与桥接电极22—起提供了第一和第二电 极18、 20之间连续的电通路，构成传感器表面12、 14的可变电阻材料 任何部分的电阻增加，会作为第一和第二电极18、 20之间电阻的增加 而邱皮检测到。因此，传感器IO例如可以通过第一和第二电极18、 20之 间电阻的增加，指示与有机液体的接触，不管有机液体在沿传感器表面 12、 14的长度的位置。
传感器IO指示在沿传感器表面12、 14的长度的任何位置上与有机 液体接触的能力，对于其中有机液体可能出现在中间位置的各种应用可 以是有利的。例如，4艮多有机液体，诸如烃类油或者燃料， 一般会浮在 水上。在有机液体浮于其上的水的水平面可能变化的应用中，有机液体 存在的位置或高度可能根据水的水平面变化。
还参考图5到8,在一个应用中传感器可以被放置在水坑107中来 监控有机液体的存在。为了清楚起见，仅示出了传感器IO。然而，将意 识到如图4所示的包括保护外壳的传感器组件可以被采用。在示出的实 施例中，水坑107可以包含不同深度的水。根据水平面相对于传感器的 高度，传感器表面12、 14可能与浮在水上的有机液体接触的部分可能
变化。当然，相同的概念同等地适用于烃类油或燃料之外的有机液体。 可以选择传感器10的长度来符合水坑中预期的液体水平面高度。
如图5所示，当水坑107没有水也没有任何有机液体，即干的状况 时，传感器IO会表现出对应于跨接电极18、 20的相对低电阻的第一状 态。在利用TraceTek控制系统的实施例中，第一状态可以是跨接 TraceTek电路的高电阻输出，表示不存在有机液体。3争接TraceTek电 路的高电阻输出，可以由传感器10的电路响应于传感器表面的低电阻 状态而提供。类似地，当水坑107包含接触传感器10的水108,如图6 所示，但不包含有机液体时，传感器IO也会表现出对应于跨接电极18、 20的相对低电阻的第一状态。传感器10的电路可以提供根据检测系统 的要求的传感器输出，来指示不存在有机液体。
转到图7,当诸如燃料的有机液体IIO存在于水坑107中，液体水
平面高度足够接触传感器表面的至少一部分时，传感器表面的可变电阻 材料被有机液体IIO接触的那部分会具有相对高的电阻。由于传感器10 的第 一和第二电极之间的电路径包括传感器表面的整个纵向宽阔区域，
传感器表面的可变电阻材料被有机液体接触的那部分电阻的增加，导致 第一和第二电极之间电阻的增加。响应于增加的电阻，传感器10可以
表现出指示存在有机液体的第二状态。导电通路的相对高电阻可以由传 感器电路作为条件，来提供根据检测系统的要求的笫二传感器输出或第 二传感器状态，以指示有机液体110的存在。
如图8和9所示，有机液体110可以浮在水108或者水坑107中存 在的其他液体上。尽管传感器表面被水108接触的区域的电阻大致不会 改变，有机液体110会膨胀传感器表面的可变电阻材料被有机液体110 接触的区域中的传感器表面的基质，增加该接触区域中的传感器表面的 可变电阻材料的电阻。被有机液体IIO接触的区域中增加的电阻，会增 加第 一和第二电极之间的电阻，并且会使传感器向检测系统表现出指示 存在有机液体的第二状态。
如上所述，有机液体110可能浮在水108上。因此，即使对于相同 量的有机液体110，有机液体IIO接触的沿传感器10的高度会随着水坑 中水108的水平面而变化，如图8和9所示。依照本发明，提供邻近伸 长的基板的第一端的第一和第二电极，并提供在第一和第二电极与邻近 基板第二端的桥接电极之间延伸的伸长的传感器表面，电通路可以包括
两个传感器表面的长度。第一和第二电极之间的电阻会由与有机液体的 接触增加，不管有机液体在沿传感器表面的长度的什么位置接触传感器 表面。因此，本发明的传感器可以允许即使传感器和有机液体之间的接 触发生在沿传感器长度的中间位置时，也能检测有机液体的存在。
参照图10,传感器10可以组合到监控系统200中。在一个实施例 中，监控系统200可以包括系统控制器202和系统传感器电路206。在 一个实施例中，控制器202可以包括Tyco Thermal Controls LLC制造 的几种TraceTek牌仪器中的任意一种，传感器电路可以是对应于所选 择的TraceTek牌仪器的传感器电路。系统200还可以包括各种其他传 感器电缆和互连部件。如图IO所示，传感器IO可以使用分支连接器204 或者区域连接器(zone Connector)耦接到系统200。替代的，如图11 所示，传感器10可以使用标准端电3各终端器(standard end circuit termination),大致由208指示，集成到系统200中。
图12示出依照包括监控系统200的一个实施例的系统，监控系统 200例如包括耦接到多个依照本发明的有机液体传感器10-1, 10-2, ...10-N的TraceTek牌控制器和关联的传感器电路。监控系统100 可以发送激励电流到每个传感器10-1, 10-2， ...10-N。例如，TraceTek 牌系统可以提供激励信号到传感器，该激励信号包括大约500微安或更 小的DC或脉沖DC电流，并且为约10V DC或更小。传感器的电路可以 利用提供的激励信号的至少一部分来监控TraceTek电路的完整性。当 传感器没有与有机液体接触时，传感器不会产生对于TraceTek电路的 显著负荷。当传感器与有机液体接触时，传感器的电路闭合跨接在 TraceTek电^各上的固态开关。TraceTek控制器会^巴开关的闭合解释为 是检测到有机液体的指示。控制器可以沿到传感器10-1, 10-2, ...IO-N 的电路测量电阻，以确定检测到有机液体的传感器的位置，并提供输出 指示该位置。从而，在包括多个有机液体传感器的系统中，有可能确定 哪个传感器检测到了有机液体存在。
尽管前述示例实施例包括使用TraceTek牌市场有售泄露才全测系统， 其他市场有售传感器控制系统以及为特定目的构造的系统，也可以与这 里的传感器关联使用。此外，这里的传感器可以被配置为用于单独使用。 例如，传感器可以包括集成的警报器或指示器来指示检测到有机液体。 本领域技术人员也将理解各种其他结构和实施例。
根据 一 个方面，本发明可以提供 一种用于检测有才几液体存在的系 统。该系统可以包括具有第一和第二相对表面的伸长的基板。第一传感 器表面可以提供在基板的第一表面的至少一部分上，第二传感器表面可 以提供在基板的第二表面的至少一部分上。桥接电极可以电耦接第 一和 第二传感器表面。第一电极可以设置在基板的第一表面上并且电耦接第 一传感器表面,第二电极可以设置在基板的第二表面上并且电耦接第二 传感器表面。第一和第二传感器表面和桥接电极提供第一和第二电极之 间的导电路径。该导电路径在至少一个传感器表面与有机液体接触时具 有第 一 电阻，并且在传感器表面没有与有机液体接触时具有第二电阻。 该系统还可以包括监测系统，配置为响应于第一电阻提供第一输出，响 应于第二电阻提供第二输出。
根据另一个方面，本发明可以提供一种片企测有机液体的方法。该方 法可以包括提供具有第一和第二相对表面的伸长的基板。该方法还可以 包括提供第一和第二伸长的传感器表面，每个传感器表面设置在基板的 相对侧中相应侧上。可以提供电耦接第一和第二传感器表面的桥接电 极。该方法可以进一步包括提供位于基板的第一表面上并且电耦接第一 传感器表面的第一电极，以及设置在基板的第二表面上并且电耦接第二 传感器表面的第二电极，第一和第二传感器表面和桥接电极提供第一和 第二电极之间的导电通路，该导电通路在至少一个传感器表面与有机液 体接触时具有第一电阻，并且在传感器表面没有与有机液体接触时具有 第二电阻。该方法还可以包括基于笫 一和第二电极之间的电阻提供输 出。
已经为了示例说明的目的呈现了这里描述的实施例，并且容易受到 在本质上不偏离其发明性方面的许多修改和变型。因此，本发明不应局 限于所描述的实施例，而是应该被给予所附权利要求的全部范围。
权利要求
1.一种系统，包括具有第一和第二相对表面的伸长的不导电基板；第一传感器表面，设置在所述基板的所述第一表面的至少一部分上，以及第二传感器表面，设置在所述基板的所述第二表面的至少一部分上；桥接电极，电耦接所述第一和第二传感器表面；以及第一电极，设置在所述基板的所述第一表面上并且电耦接所述第一传感器表面，以及第二电极，设置在所述基板的所述第二表面上并且电耦接所述第二传感器表面，所述第一和第二传感器表面和所述桥接电极提供所述第一和第二电极之间的导电路径，所述导电路径在至少一个所述传感器表面与有机液体接触时具有第一电阻，并且在所述传感器表面没有与有机液体接触时具有第二电阻。
2. 如权利要求l所述的系统，所述传感器还包括电路，配置为当 所述导电通路具有所述第一电阻时提供第一传感器状态，并且配置为当 所述导电通路具有所述第二电阻时提供第二传感器状态。
3. 如权利要求1所述的系统，所述电路至少部分地设置在所述基 板上。
4. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二传感器表面包 括可变电阻材料，该可变电阻材料包含可膨胀基质和导电填料。
5. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二传感器表面包 括可变电阻材料，该可变电阻材料包含硅树脂和石墨的混合物。
6. 如权利要求1所述的系统，还包括保护外壳，设置在所述第一 和第二传感器表面的至少一部分周围，所述保护外壳具有至少一个开 口，提供所述第一和第二传感器表面中的至少一个与所述外壳外部之间 的液体连通。
7. 如权利要求6所述的系统，其中所述保护外壳包括管子，所述 基板至少部分设置在所述管子中。
8. —种系统，包括 至少一个传感器，包括 具有第一和第二相对表面的伸长的不导电基板；第一传感器表面，设置在所述基板的所述第一表面的至少一部分 上，以及第二传感器表面，设置在所述基板的所述第二表面的至少一部分上；桥接电极，电耦接所述笫一和第二传感器表面；以及第一电极，设置在所述基板的所述第一表面上并且电耦接所述第一 传感器表面，以及第二电极，设置在所述基板的所述第二表面上并且电 耦接所述第二传感器表面，所述第一和第二传感器表面和所述桥接电极提供所述第一和第二 电极之间的导电路径，该导电路径在至少一个所述传感器表面与有机液 体接触时具有第 一 电阻，并且在所述传感器表面没有与有机液体接触时 具有第二电阻；以及监测系统，耦接到所述至少一个传感器，所述监测系统被配置为响 应于所述第 一电阻提供第 一输出，响应于所述第二电阻提供第二输出。
9. 如权利要求8所述的系统，所述系统包括耦接到所述监测系统 的多个所述传感器。
10. 如权利要求9所述的系统，所述监测系统被配置为提供输出来 指示所述多个传感器中与有机液体接触的一个传感器的位置。
11. 如权利要求8所述的系统，所述传感器还包括电路，配置为当 所述导电通路具有所述第一电阻时提供第一传感器状态，并且配置为当 所述导电通路具有所述第二电阻时提供第二传感器状态。
12. 如权利要求8所述的系统，所述电路至少部分设置在所述基板上。
13. 如权利要求8所述的系统，其中所述第一和第二传感器表面包 括可变电阻材料，该可变电阻材料包含可膨胀基质和导电填料。
14. 如权利要求8所述的系统，其中所述第一和第二传感器表面包 括可变电阻材料，该可变电阻材料包含硅树脂和石墨的混合物。
15. 如权利要求8所述的系统，所述系统包括保护外壳，设置在所 述第一和第二传感器表面的至少一部分周围，所述保护外壳具有至少一 个开口，提供所述第一和第二传感器表面中的至少一个与所迷外壳外部 之间的液体连通。
16. 如权利要求15所述的系统，其中所述保护外壳包括管子，所 述基板至少部分设置在所述管子中。
17. —种检测有机液体的方法，包括 提供具有第一和第二相对表面的伸长的基板； 提供第一和笫二伸长的传感器表面，每个传感器表面设置在所述基板的所述相对侧的相应侧上；提供电耦接所述第一和第二传感器表面的桥接电极； 提供位于所述基板的所述第一表面上并且电耦接所述第一传感器 表面的第一电极，以及设置在所述基板的所述第二表面上并且电耦接所 述第二传感器表面的第二电极，所述第一和第二传感器表面和所述桥接 电极提供所述第一和第二电极之间的导电通路，该导电通路在至少一个 所述传感器表面与有机液体接触时具有第一电阻，并且在所述传感器表 面没有与有机液体接触时具有第二电阻；允许有机液体接触所述笫一和第二传感器表面；以及 响应于所述笫一电阻提供输出指示存在所述有机液体。
18. 如权利要求17所述的方法，还包括将所述第一和第二传感器 表面放置在保护外壳中，并提供至少一个所述传感器表面与所述外壳外 部的液体连通。
19. 如权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二传感器表面 包括可变电阻材料，该可变电阻材料包含可膨胀基质和导电填料。
20. 如权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二传感器表面 包括可变电阻材料，该可变电阻材料包含硅树脂和石墨的混合物。
全文摘要
一种用于检测有机液体存在的传感器。该传感器包括具有第一和第二相对表面的伸长的基板；第一传感器表面，设置在基板的第一表面的至少一部分上，以及第二传感器表面，设置在基板的第二表面的至少一部分上。该传感器还包括桥接电极，电耦接第一和第二传感器表面；第一电极，设置在基板的所述第一表面上并且电耦接第一传感器表面，以及第二电极，设置在基板的第二表面上并且电耦接第二传感器表面。
文档编号H01L29/86GK101371364SQ200680052266
公开日2009年2月18日 申请日期2006年12月1日 优先权日2005年12月3日
发明者K·麦科伊, P·维杰拉特纳, P·豪普特利, R·沃斯利 申请人:泰科热控制有限公司