包括具有集成加热的传感器元件的蒸气传感器的制造方法

包括具有集成加热的传感器元件的蒸气传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种蒸气传感器，所述蒸气传感器包括电容相关特性型传感器元件(110)、加热器电路元件(170)、电容相关特性型测量电路元件(180)、和至少一个开关构件(190)。所述电容相关特性型传感器元件包括介电基底(120)、第一导电电极(130)、第二导电电极(140)、以及设置在所述第一导电电极和所述第二导电电极之间并且与它们接触的介电微孔材料层(150)。所述至少一个开关构件能够中断所述第一导电电极与所述加热器电路元件之间的电导通、以及所述电容相关特性型测量电路元件与所述第一导电电极之间的电导通。
【专利说明】包括具有集成加热的传感器元件的蒸气传感器
【技术领域】
[0001]本发明广义地涉及蒸气传感器。
【背景技术】
[0002]在多个研究领域中，需要监测蒸气的存在及其在空气中的浓度。已经开发出多种用于检测蒸气(如，挥发性有机化合物(VOC))的方法，所述方法包括(例如)光离子化法、气相色谱法、重量分析技术、光谱技术(如质谱法、红外光谱法、或荧光光谱法)、和吸收感测技术。
[0003]在电容传感器中，两个导电电极的电容(通常平行或交叉)随着两个电极之间的材料的介电常数的改变(归因于所存在的环境被分析物蒸气)而变化。希望从导电电极之间周期性地移除被分析物(例如，交换被分析物蒸气)。在此类情况下，可在应用电容传感器之前利用加热来蒸发被分析物。

【发明内容】

[0004]在一个方面，本发明提供了蒸气传感器，所述蒸气传感器包括:
[0005]电容相关特性型传感器元件，所述电容相关特性型传感器元件包括:
[0006]介电基底；
[0007]设置在介电基底上的第一导电电极，所述第一导电电极具有第一和第二末端；
[0008]第二导电电极；和
[0009]包括微孔材料的介电层，所述介电层设置在第一导电电极和第二导电电极之间并且与它们接触；
[0010]加热器电路元件，所述加热器电路元件具有第一和第二导电构件，其中所述第一和第二导电构件分别与所述第一导电电极的第一和第二末端可拨转中断地电导通；
[0011]电容相关特性型测量电路元件，所述电容相关特性型测量电路元件具有第一和第二导电构件，其中所述电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与所述第一导电电极可拨转中断地电导通，并且其中所述电容相关特性型测量电路元件的第二导电构件与所述第二导电电极电导通；
[0012]至少一个开关构件，其中所述至少一个开关构件能够可拨转地中断所述加热器电路元件的第一和第二导电构件与所述第一导电电极的第一和第二末端之间的电导通，其中所述至少一个开关构件能够可拨转地中断所述电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与所述第一导电电极之间的电导通。
[0013]在一些实施例中，第一和第二导电电极以及检测层各自接触基底。在一些实施例中，第一和第二导电电极为平行的。
[0014]在一些实施例中，所述至少一个开关构件能够同时可拨转地中断:
[0015]加热器电路元件的第一和第二导电构件与第一导电电极的相应第一和第二末端之间的可拨转中断地电导通；和[0016]电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与第二导电电极之间的可拨转中断的电导通。
[0017]在一些实施例中，蒸气传感器还包括靠近第一导电电极设置在介电基底上的温度传感器。
[0018]在一些实施例中，蒸气传感器还包括开关控制器，其中所述开关控制器与开关构件电导通并且控制开关的操作。在这些实例中，开关控制器与温度传感器电导通。
[0019]根据本发明的蒸气传感器可用于(例如)测量被分析物(如，挥发性有机化合物和/或湿气)的浓度。
[0020]有利地，在根据本发明的蒸气传感器中，第一导电电极具有电容相关特性感测和作为加热元件的双重作用，从而消除对于额外的加热元件的需要并且简化蒸气传感器的设计和制造。
[0021]用于本发明的实施过程中的传感器元件通常被构造为使得吸收性介电层足够靠近第一导电电极和第二导电电极，以至于在该层中含有的吸收性介电材料将能够与由电极建立的电场发生相互作用。在传感器元件的操作中，吸收性介电层在吸收一种或多种被分析物(例如，一种或多种有机蒸汽)时表现出电气特性的变化。电气特性可为如下所述的电容相关特性。通过在第一导电电极和第二导电电极之间赋予电荷差(例如，向该电极赋予电压差)并监测传感器元件响应于被分析物的存在的特性，可测量这种与电容相关特性的变化。
[0022]术语“电容相关特性”涵盖任何电气特性及其测定过程，这种测定过程通常与施加电荷(无论是静电荷还是时变电荷)和在施加电荷期间和/或之后监测电气特性相关。例如，这种特性不仅包括电容，还包括阻抗、电感、导纳、电流、电阻、电导系数等，并且可根据本领域熟知的多种方法测量到。
[0023]如本文所用，术语“吸收”是指材料变为设置在介电微孔材料内，无论其仅吸附到孔壁还是溶解到整体介电微孔材料中。
[0024]如本文所用，关于材料层(如，导电电极)的术语“可渗透的”是指在存在该层的区域内，该层为足够多孔的，以使得至少一种有机化合物能够非反应性地渗透穿过其厚度(如，在25°C下)。
[0025]如本文所用，术语“导电构件”是指诸如(例如)导线、金属迹线、电子组件、或它们的组合之类的导电构件。
[0026]在考虑【具体实施方式】以及所附权利要求书之后，将进一步理解本发明的特征和优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1为根据本发明的示例性蒸气传感器100的示意性平面图；
[0028]图2为图1所示的传感器元件110的示意性分解透视图；
[0029]图3为根据本发明的示例性蒸气传感器300的示意性平面图；并且
[0030]图4为图3所示的传感器元件310的示意性平面图。
[0031]尽管上述各图示出了本发明的若干实施例，但如论述中所述，也可以构想出其他实施例。应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其他修改形式和实施例，这些修改形式和实施例也在本发明的原理的范围和精神内。附图可能并未按比例绘制。在所有附图中，相同参考标号可以用来表示相同部件。
【具体实施方式】
[0032]适用于本发明的蒸气传感器可包括多种传感器元件构型。
[0033]在图1所不的一个实施例中，蒸气传感器包括具有分层电极构型的传感器兀件。现在参见图1，根据本发明的示例性蒸气传感器100包括电容相关特性型传感器元件110。如图2所示，电容相关特性型传感器元件110包括:介电基底120 ;设置在介电基底120上的第一导电电极130 ;第二导电电极140 ;以及设置在第一导电电极130和第二导电电极140之间并且与它们接触的介电微孔材料层150。
[0034]介电基底120可包括(例如)介电材料的连续块、层、或膜。将其设置为足够靠近第一导电电极130，以使其可用于为传感器元件提供物理强度和完整性。可使用任何合适的介电材料，所述介电材料包括(例如)玻璃、陶瓷、和/或塑料。在大规模生产中，可使用聚合物膜(例如，聚酯或聚酰亚胺)。
[0035]第一导电电极130可包括任何合适的导电材料。可使用作为不同层或作为混合物的不同材料(导电和/或不导电)的组合，前提条件是提供足够的整体导电性。通常，第一导电电极130具有小于约IO7欧姆/平方米的表面电阻。可用于制备第一导电电极130和/或第二导电电极140的材料的实例包括(但不限于)有机材料、无机材料、金属、合金以及包含任何或全部这些材料的各种混合物和复合物。在某些实施例中，可使用涂布(例如，热蒸镀或溅镀)金属或金属氧化物、或者它们的组合。合适的导电材料包括(例如)铝、镍、钛、锡、铟锡氧化物、金、银、钼、钯、铜、铬、碳纳米管、以及它们的组合。在某些实施例中，也可通过印刷金属墨(如，银墨或金墨)、然后干燥该墨来形成第一导电电极130。第一导电电极130具有相应的第一和第二末端134、136。
[0036]第二导电电极140可包括任何材料，前提条件是其对于至少一种有机被分析物而言保持可渗透性。可用于制备第二导电电极140的材料的实例包括有机材料、无机材料、金属、合金、以及包含任何或全部这些材料的各种混合物和复合物。在某些实施例中，可使用涂布(例如热蒸镀、溅镀等)金属或金属氧化物、或者它们的组合。合适的导电材料包括(例如)铝、镍、钛、锡、铟锡氧化物、金、银、钼、钯、铜、铬、碳纳米管、以及它们的组合。有关气相沉积的蒸气可透过的导电电极的详细信息还可见于美国临时专利申请N0.61/388，146(Palazzotto等人)中，该临时专利申请的公开内容以引用方式并入本文。
[0037]在某些实施例中，也可通过印刷金属墨(如，银墨或金墨)、然后干燥该墨来形成第二导电电极140。可使用作为不同层或作为混合物的不同材料(导电和/或不导电)的组合，前提条件是提供足够的整体导电性和渗透性。通常，第二导电电极140具有小于约IO7欧姆/平方米的表面电阻。如图2所示，第二导电电极140被构造为延伸超过第一导电电极130的周边的矩形电极；也可使用其他构型。例如，第二导电电极140的形状可与第一导电电极130类似或基本上相同。
[0038]导电构件137、139将第一导电电极130的相应第二末端136和第一末端134电连接至开关构件190，以使得在一个开关构型中形成包括第一导电电极130和电容相关特性型测量电路元件180的闭合电路。[0039]在图3所示的第二实施例中，蒸气传感器包括具有并列电极构型的传感器元件。现在参见图3，根据本发明的示例性蒸气传感器300包括电容相关特性型传感器元件310。
[0040]如图4所示，电容相关特性型传感器元件310包括:介电基底120 ;设置在介电基底120上的第一导电电极330 ;第二导电电极340 ;以及设置在第一导电电极330和第二导电电极340之间并且与它们接触的介电微孔材料层150。第一导电电极330具有相应的第一和第二末端334、336。导电构件337将第二末端336电连接至开关构件190，以使得在一个开关构型中形成包括第一导电电极330和电容相关特性型测量电路元件180的闭合电路。
[0041]第一导电电极330可包括任何合适的导电材料。可使用作为不同层或作为混合物的不同材料(导电和/或不导电)的组合，前提条件是提供足够的整体导电性。通常，第一导电电极330具有小于约IO7欧姆/平方米的表面电阻。可用于制备第一导电电极330和/或第二导电电极340的材料的实例包括(但不限于)有机材料、无机材料、金属、合金以及包含任何或全部这些材料的各种混合物和复合物。在某些实施例中，可使用涂布(例如热蒸镀或溅镀)金属或金属氧化物、或者它们的组合。合适的导电材料包括(例如)铝、镍、钛、锡、铟锡氧化物、金、银、钼、钯、铜、铬、碳纳米管、以及它们的组合。在某些实施例中，也可通过印刷金属墨(如，银墨或金墨)、然后干燥该墨来形成第一导电电极330。
[0042]在图4所示的构型中，第二导电电极340对于有机被分析物无需为可渗透的，但如果需要其可为可渗透的。可用于制备第二导电电极340的材料的实例包括有机材料、无机材料、金属、合金、以及包含任何或全部这些材料的各种混合物和复合物。在某些实施例中，可使用涂布(例如热蒸镀、溅镀等)金属或金属氧化物、或者它们的组合。合适的导电材料包括(例如)铝、镍、钛、锡、铟锡氧化物、金、银、钼、钯、铜、铬、碳纳米管、以及它们的组合。在某些实施例中，也可通过印刷金属墨(如，银墨或金墨)、然后干燥该墨来形成第二导电电极340。可使用作为不同层或作为混合物的不同材料(导电和/或不导电)的组合，前提条件是提供足够的整体导电性和渗透性。通常，第二导电电极340具有小于约IO7欧姆/平方米的表面电阻。
[0043]第一导电电极可具有使得其能够导电的任何厚度；例如，在至少4纳米(nm)至400nm、或者IOnm至200nm范围内的厚度。
[0044]第一导电电极可遵循曲折路径；例如，如图2和图4所示；然而，这并非为必要条件，并且还可以想到其他构型。曲折路径通常用于增加可进行加热的区域和/或提高加热速率。通常，第一导电电极的设计应允许与加热器电路元件电导通时的温和电阻加热。这种设计考虑因素在本领域的普通技术人员的技术水平之内。
[0045]第二导电电极通常具有介于Inm至100 μ m范围内的厚度，但可使用其他厚度。
[0046]例如，在图2所示的实施例中，第二导电电极可具有介于Inm至IOOnm范围内、或者甚至介于4nm至IOnm范围内的厚度。较大厚度可导致不期望的低渗透性水平，而较小厚度可变的不充分导电和/或难以电连接至第二导电构件。
[0047]在图4所示的实施例中，第一和第二电极可并列地设置在介电基底的表面上(如，在单个平面内)，并且由吸收性本质多孔材料隔开。在此实施例中，第二导电电极对于被分析物蒸气而言无需为可渗透的。在这种情况下，第二导电电极可利用适用于第一导电电极的材料来制备。[0048]介电微孔材料150可为任何微孔性材料，并且能够吸收位于其内部的至少一种被分析物。在此上下文中，术语“微孔的”和“微孔性”是指材料具有大量内部互连的孔体积，并且平均孔尺寸(如(例如)通过吸附等温线方法来表征)小于约lOOnm，通常小于约10nm。这种微孔性使得有机被分析物的分子(如果存在)能够渗透材料的内部孔隙体积，并且留在内部孔隙中。内部孔中的这种被分析物的存在可以改变材料的介电性质，使得介电常数(或任何其它合适的电气特性)的变化可被观测。
[0049]在一些实施例中，介电微孔材料包括所谓的本质微孔聚合物(PM)。PM为因聚合物链的无效填充产生的具有纳米级孔的聚合物材料。例如，在Budd等人的《化学通讯》(Chemical Communications) (2004 年,(2),第 230-231 页)中，报告了一系列本鹿微孔材
料，所述本质微孔材料含有位于刚性和/或扭曲的单体构造嵌段之间的双苯并二曝烷键。
这一组聚合物中的典型成员包括如根据方案I的表1所示的由组分A (如A1、A2、或A3)与组分B (如B1、B2、或B3)缩合所生成的那些。
[0050]方案I
[0051]
【权利要求】
1.一种蒸气传感器，包括: 电容相关特性型传感器元件，所述电容相关特性型传感器元件包括: 介电基底； 设置在所述介电基底上的第一导电电极，所述第一导电电极具有第一和第二末端； 第二导电电极；和 包括微孔材料的介电层，所述介电层设置在所述第一导电电极和所述第二导电电极之间并且与它们接触； 加热器电路元件，所述加热器电路元件具有第一和第二导电构件，其中所述第一和第二导电构件分别与所述第一导电电极的第一和第二末端可拨转中断地电导通； 电容相关特性型测量电路元件，所述电容相关特性型测量电路元件具有第一和第二导电构件，其中所述电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与所述第一导电电极可拨转中断地电导通，并且其中所述电容相关特性型测量电路元件的第二导电构件与所述第二导电电极电导通； 至少一个开关构件，其中所述至少一个开关构件能够可拨转地中断所述加热器电路元件的第一和第二导电构件与所述第一导电电极的相应第一和第二末端之间的电导通，其中所述至少一个开关构件能够可拨转地中断所述电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与所述第一导电电极之间 的电导通。
2.根据权利要求1所述的蒸气传感器，其中所述至少一个开关构件能够同时可拨转地中断: 所述加热器电路兀件的第一和第二导电构件与所述第一导电电极的相应第一和第二末端之间的可拨转中断的电导通；和 所述电容相关特性型测量电路元件的第一导电构件与所述第二导电电极之间的可拨转中断的电导通。
3.根据权利要求1或2所述的蒸气传感器，其中所述第二导电电极对于至少一种有机蒸气而言为可渗透的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸气传感器，其中所述第二导电电极包括干银m
O
5.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸气传感器，其中所述第二导电电极包括蒸气沉积的金属。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的蒸气传感器，其中所述微孔材料包括固有微孔聚合物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的蒸气传感器，还包括开关控制器，其中所述开关控制器与所述开关构件电导通并且控制所述开关的操作。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的蒸气传感器，还包括靠近所述第一导电电极设置在所述介电基底上的温度传感器。
9.根据权利要求8所述的蒸气传感器，其中所述开关控制器与温度传感器电导通。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的蒸气传感器，其中所述第一和第二导电电极以及所述检测层各自接触所述基底。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的蒸气传感器，其中所述第一和第二导电电极为平行的。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的蒸气传感器，其中所述电容相关特性包括电容 。
【文档编号】G01N27/22GK103477216SQ201280018031
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年4月4日 优先权日:2011年4月13日
【发明者】M·C·帕拉佐托, J·藤格琼雅萨姆, S·H·格里斯卡, M·S·文德兰德 申请人:3M创新有限公司