传感器元件及其制备和使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明广义地涉及适用于对分析物蒸汽进行分析的电容传感器元件。
【背景技术】
[0002] 由于环境和安全方面的担忧，对挥发性有机化合物（V0C)和湿度的检测具有许多 商业、公共和住宅方面的应用。一种可用的传感器类型是电容传感器，其中吸附剂材料设置 在两个电极之间。通常，所述电极中的至少一个是多孔的，或者说是可被待测量的分析物 蒸汽渗透。这些类型的传感器中使用的吸附剂材料的例子包括所谓的固有微孔性聚合物 (PIM，用于V0C测）和磺化的含氟聚合物（用于湿度测量）。
[0003] 常规上，所述电极是通常被气相沉积的金属（例如，金），其需要控制良好的气相 沉积过程以制备具有一致孔隙度的电极。
【发明内容】
[0004] 在一个方面，本发明提供了一种传感器元件，其包括：
[0005] 具有内表面和外表面的第一导电电极，其中第一导电电极包含互连的碳纤维；
[0006] 具有内表面和外表面的第二导电电极，其中第二导电电极是多孔的并且包含互连 的碳纤维，并且其中第一导电电极或第二导电电极中的至少一者是多孔的；以及
[0007] 具有一定厚度并且设置在第一导电电极和第二导电电极之间的多孔电介质检测 层，其中该多孔电介质检测层包含吸附剂材料，这种吸附剂材料包含固有微孔的聚合物，所 述固有微孔的聚合物包含在刚性的、扭曲的、或刚性且扭曲的单体单元之间键合的二苯并 二烷，并且其中第一导电电极的内表面和第二导电电极的内表面分开至少多孔电介质 检测层的厚度。
[0008] 在另一个方面，本发明提供了一种制备传感器元件的方法，该方法包括：
[0009] 将多孔电介质检测层设置在第一导电电极上，其中多孔电介质检测层包含吸附 剂材料，其中第一导电电极具有内表面和外表面，并且其中第一导电电极包含互连的碳纤 维；
[0010] 将第二导电电极设置在多孔电介质检测层上，其中第二导电电极具有内表面和外 表面，其中第二导电电极包含互连的碳纤维，并且其中第一导电电极或第二导电电极中的 至少一者是多孔的；并且
[0011] 其中多孔电介质检测层具有一定厚度，其设置在第一导电电极和第二导电电极之 间并且与第一导电电极和第二导电电极接触，其中吸附剂材料包含固有微孔的聚合物，所 述固有微孔的聚合物包含在刚性的、扭曲的、或刚性且扭曲的单体单元之间键合的二苯并 二I藝:烷，并且其中第一导电电极的内表面和第二导电电极的内表面分开至少多孔电介质 检测层的厚度。
[0012] 根据本发明的传感器元件例如在连接至工作电路以及并入到电子传感器中的情 况下是有用的。
[0013] 因此，在另一个实施例中，本发明提供了一种对分析物蒸汽进行分析的方法，所述 方法包括：
[0014] 提供传感器元件，其包括：
[0015] 具有内表面和外表面的第一导电电极，其中第一导电电极包含互连的碳纤维；
[0016] 具有内表面和外表面的第二导电电极，其中第二导电电极包含互连的碳纤维，并 且其中第一导电电极或第二导电电极中的至少一者是多孔的；以及
[0017] 具有一定厚度并且设置在第一导电电极和第二导电电极之间的多孔电介质检测 层，其中该多孔电介质检测层包含吸附剂材料，该吸附剂材料包含固有微孔的聚合物，所述 固有微孔的聚合物包含在刚性的、扭曲的、或刚性且扭曲的单体单元之间键合的二苯并二 焼，并且其中第一导电电极和第二导电电极的内表面被至少多孔电介质检测层的厚度 分开；
[0018] 使传感器元件暴露于包含分析物蒸汽的气体样品；
[0019] 测量传感器元件的电容或另一种电气性质中的至少一者；以及
[0020] 根据传感器元件的电容或另一种电气性质中的所述至少一者，确定气体样品中分 析物蒸汽的量或分析物蒸汽的化学种类中的至少一者。
[0021] 有利的是，本发明通过将传感器（也称为电容传感器）中的金属电极替换为碳纤 维纸和/或布，而完全消除了对所述传感器中的金属电极的需要。碳纤维纸和布可从多个 制造商处以不同的形状和尺寸、从刚性易碎到薄且柔韧（例如，非织造材料）的广泛范围内 获得。这些材料的特征在于具有不同的孔隙度和透气性程度，并且应用范围从燃料电池到 空气和水的纯化。
[0022] 此外，能够在无需将所述导电电极中的一个安装在基板上的情况下制出本发明的 传感器元件，该基板通常阻碍或消除分析物蒸汽通过该导电电极流动到检测层。
[0023] 如本文所用，术语"吸收"意指要么通过吸附、要么通过吸收来摄取液体或气体。
[0024] 如本文所用，除了指化合物或化学式中的一个或多个碳原子的情况，术语"碳"是 指整体形式的碳（例如，炭黑、灯黑或石墨）。
[0025] 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。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的示例性传感器元件的示意性侧视图。
[0027] 图2是示出实例1中使用的工艺的示意性工艺流程图。
[0028] 图3是示出实例2中使用的工艺的示意性工艺流程图。
[0029] 应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它修改形式和实施例，这些修改 形式和实施例也落在本发明的原理的范围和实质内。各图可能未按比例绘制。
【具体实施方式】
[0030] 现在参见图1，示例性传感器元件100包括设置在任选的基板110上的第一导电电 极120、第二导电电极140、以及设置在第一导电电极120与第二导电电极140之间的检测 层130。第一导电电极120或第二导电电极140中的至少一个是多孔的，优选地两者均是 多孔的。检测层130包含吸附剂材料135以及防止第一导电电极120和第二导电电极140 之间发生电短路的任选的多孔电介质分隔层150。第一导电电极120具有内表面122和外 表面124,并且设置在任选的电介质基板110上。第二导电电极140具有内表面142和外表 面144。第一导电构件122和第二导电构件142分别电耦合至任选的第一导电电极120和 第二导电电极140。
[0031] 第一导电电极和第二导电电极的导电性达到足够的程度，使得它们能够用作传感 器元件的电容器极板。通常，第一导电电极和第二导电电极具有小于约1〇 7欧姆/平方（优 选地小于106或甚至小于10 5欧姆/平方）的薄层电阻。
[0032] 第一导电电极和/或第二导电电极是多孔的。在一些实施例中，第一导电电极和 /或第二导电电极可能具有基本上均匀分布的孔，这些孔的平均孔尺寸小于10微米。在 一些实施例中，第一导电电极和/或第二导电电极具有更大和/或更小的均匀分布的孔 尺寸。第一导电电极和第二导电电极的内表面具有光滑的内表面。如本文所用，术语"光 滑"意指不含尺寸足以致使电极之间发生电短路的结构不规则部分的表面。优选地，第一 电极和第二电极在尺寸上稳定；即，在不引发持久的结构损坏的情况下，所述电极在任何 维度上均不能被压缩超过10% (优选地不能被压缩超过5%，且更优选地不能被压缩超过 2%)。第一导电电极和第二导电电极包含互连的碳纤维。例如，第一导电电极和第二导 电电极可以包含碳纤维纸和/或含有碳纤维（或基本上由碳纤维组成，或甚至由碳纤维组 成）的其它非织造材料。碳纤维纸通常由以下方式制得：让碳纤维的液体浆液通过不断移 动的网片排出。对所得料片进行挤压和加热，制得20g/m 2的纸纱或纸巾至超过250g/m2的 厚毡。这些材料由短纤维的二维薄板组成，所述短纤维在适用于复合材料用途的薄板的平 面内具有完全无规的排布，并且这些材料通常以一定的形式获得，所述形式通过允许蒸汽 穿过所述材料通过的孔（例如，微孔或纳米孔）来表征。这种类型的材料已在燃料电池组 件的气体扩散膜中得到使用。可用于本发明的第一导电电极和第二导电电极中的多孔碳纤 维纸在例如美国专利No. 7, 297, 445 (Nakamura等人）、No. 7, 510, 626 (Hamada等人）以及 No. 8, 142, 883 (Chida等人）中有所描述。类似的多孔碳非织造布（除纸之外）可见于例 如美国专利 No. 5, 536, 486(Nagata 等人）和 No. 7, 632, 589(Kawashima 等人）。由于性能 要求类似，因此可用于气体扩散膜（诸如上文列出的那些）中或可用作气体扩散膜的碳纤 维基板通常可用于实施本发明。合适的碳纤维纸和非织造布能够从多个商业来源获得，包 括例如得自：美国德克萨斯州弗劳尔芒德的东丽碳纤维美国子公司（Toray Carbon Fibers America, Flower Mound, Texas);日本东京的三菱人造纤维股份有限公司（Mitsubishi Rayon Co. Ltd. Tokyo, Japan);以及德国魏因海姆的科德宝集团（Freudenberg and Co.，Weinheim, Germany)〇
[0033] 包含碳/玻璃、碳/芳族聚酰胺以及碳/纤维素的混合碳纤维纸由互穿的无规纤 维网构成，其也被制备出来并且可以使用。在其它实施例中，第一导电电极和第二导电电极 可包含由碳纤维形成的织造布材料或针织布材料。
[0034] 优选地，第一导电基板和第二导电基板基本上不含碳纳米管。例如，按总重量计， 它们可以包含不到5%、不到1 %、或甚至不到0. 1 %的碳纳米管。在一些实施例中，第一电 极和第二电极完全不含碳纳米管。
[0035] 第一导电电极和第二导电电极可以具有任何厚度。优选地，第一导电电极和/或 第二导电电极的厚度使得它们能够被处理，并且在一些情况下甚至可能允许传感器元件为 自支承式的（即，不需要支撑基板），但这不是必需的。第一导电电极和第二导电电极可以 是相同的或不同的。
[0036] 在一些实施例中，第一导电电极