双气体传感器结构及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电容式传感器结构，W及用于在气体环境下测量气体中的水溶性 化学品的含量的方法。
[0002] 特别地，本发明设及根据权利要求1的前序部分所述的电容式传感器结构。
【背景技术】
[0003] 在现有技术中，湿度之类物理量是通过电容式湿度传感器来进行测量的，其中该 湿度传感器中的电介质对湿度敏感。还可通过加热来对例如氨的其他物质进行测量。
[0004] 像&〇2(过氧化氨）、ET0(环氧乙烧）和〇3(臭氧）运样的物质的含量则通过电化 学单元或通过红外光学装置来测量。运些装置非常复杂或寿命短暂，因此也较为昂贵。
[0005] 因此，需要提供用于测量可催化降解物质的含量的改进的传感器和方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的方法基于运样的发现：即，氧化性气体的浓度会影响所观测到的水蒸汽 饱和局部压力。因此，我们可W假设，在相同的局部水压力下，我们会得到依赖于氧化性气 体浓度的不同的相对湿度值。实际上，化学势是导致运种现象的执行力。
[0007] 在本发明的一个实施例中，传感器结构包括第一传感器，其具有对环境湿度敏感 的感测元件，并且该传感器结构附加地包括第二传感器，其具有对湿度敏感的感测元件，所 述第二传感器包括可催化渗透层，其设置在第二传感器上W便介于第二传感器的感测元件 与环境之间。
[0008] 本发明的实际方案基于使用两个湿度传感器：一个传感器具有催化活性层，而另 一个传感器则不具有运种层。
[0009] 在本发明一个实施例中，所述两个传感器集成在同一基板上。
[0010] 在另一实施方案中，传感器元件是分立的单元。
[0011] 在一个优选实施例中，传感器中的一个是可加热的。在有利的实施例中，催化传感 器是可加热的。
[0012] 更具体地，本发明由独立权利要求进行限定。
[0013] 本发明提供了极大的优势。
[0014] 借助本发明，可W检测到例如&化（过氧化氨）、ET0(环氧乙烧）或〇3(臭氧）的 可分解化学品，并通过简单且廉价的传感器结构来对其含量进行测量，而不是通过例如电 化学单元或者红外光学装置那样复杂且昂贵的现有技术方案来测量。
[0015] 传感器能够采用基于氧化性气体活性的确定结果的新式算法。
[0016] 此外，仪器的成本非常低。
[0017] 根据一个实施例，可通过加热催化传感器元件来增加敏感度。
[0018] 根据一个实施例，通过在大规模生产中将两个传感器集成在同一基板上可W降低 传感器单元的成本。
[0019] 下面，参照附图，对本发明的实施例和优点进行更详细的描述。
【附图说明】
[0020] 图1W图表示出了根据本发明的测量图表。
[0021] 图2a示出了根据本发明的传感器结构的剖面图。
[0022] 图化示出了图2a的传感器结构的俯视图。
[0023] 图3a示出了根据本发明的传感器结构的照片。
[0024] 图3b示出了图3a的传感器结构的俯视细节。
[00巧]图4W示意侧视图示出了图3a和图3b的传感器结构的原理。
[0026] 图5W框图示出了测量方法的各步骤。
[0027] 图6W图表示出了根据本发明的可行的校准方法。
[0028] 图7W侧剖面图示出了根据本发明的传感器结构的一般性思想。
[0029] 图8示出了根据本发明的传感器结构的备选实施例。
[0030] 图9示出了根据本发明的传感器结构的备选实施例。
[0031] 图10示出了根据本发明的包括加热元件的传感器结构的一个备选实施例。
[0032] 图11示出了根据本发明的催化传感器结构的一个备选实施例。
[0033] 图12a和12b不出了根据本发明的备选测量系统。
【具体实施方式】
[0034]W下列表显示了本说明书的术语中使用的附图标记：
[0035]1第一电容式湿度传感器
[0036]2第二催化电容式湿度传感器
[0037]11基板
[0038]12底部电极、第一电极
[0039] 13聚合物电介质、敏感电介质
[0040] 14顶部电极、第二电极
[0041] 15保护性聚合物
[0042]16多孔催化金属层、分解层
[0043]17触垫
[0044] 18加热元件
[0045]23常规湿度敏感材料 [004引化待测物质
[0047] A催化器[004引B累 [004引C，D壳体
[0050]E阀，通常为磁阀
[0051] 本发明的原理：
[0052] 基本上，电容式湿度测量简单来说是对电容式湿度传感器的阻抗测量。其原理例 如描述在本申请申请人的英国专利2011093中。
[0053] 参照图2a和化，根据基本原理，我们可制定针对两种传感器测量（其中一种是普 通的电容式湿度传感器1，而另一种是具有多孔催化金属层（分解层）16的电容式湿度传感 器2)的公式：
[0054] 定义
[00巧]在所有溫度及压力下，相对湿度（RH)被定义为是在气体溫度下水蒸汽压力与（水 面上方的）饱和水蒸汽压力的比：
[0056]RH=PyPws? 100% (1)
[0057] 总压力并未列入定义中。在100°CW上，相同定义同样有效。
[005引但是，在不加压的系统中，随着饱和蒸汽压力Pws大于1013百帕（正常环境压力），RH无法达到100%。
[0059] 在0°CW下，该定义同样有效。运里，100%的RH也是不可能的，因为低于100%的 较低湿度下（当蒸汽在冰面上方饱和时）将发生凝结。
[0060] 与本发明有关的是：
[0061] 化巧催化降解的待测物质，例如&〇2 (过氧化氨）、ET0 (环氧乙烧）和〇3 (臭氧）。 [00的]R血ix:标准电容式湿度传感器的RH(=相对湿度）读数
[0063]RHcat:覆盖销的电容式湿度传感器的RH读数
[0064]RHcat=Pw+Pw的X)/Pws;PWS与氧化性气体浓度无关，PWS(Ox)是化的蒸汽压力。 [00巧]并且，RHmix=Pw/PwsHiix
[0066] 所谓化的活性就是化学势的量度，并且活性的良好近似式为：
[0067]a(Ox) = [Ox]/[Ox]sat;并且[Ox]sat=f(T)
[0068]RHcat/RHmix=f(a(Ox))，并且进一步a(Ox) =f(RHcat/RHmix)
[0069] 如果已知化cat,RHmix和T，则能够结合公式计算出过氧化氨浓度：
[0070] [Ox] =f(RHcat/RHmix)*[0x]sat
[0071] 测量可W通过分立的传感器元件或片上集成化元件来进行。可渗透催化层16可 W通过掠射角蒸发工艺来沉积到保护性聚合物层15上。合适的材料为销、锭、银、MnO2等。 例如&化（过氧化氨）、ET0(环氧乙烧）和〇3(臭氧）的氧化性分子即使在没有高溫的情况 下也可经由催化剂分解。但也可W通过将微型加热器（例如，销电阻器）集成到传感器忍 片上来强化分解。
[0072] 图1W图表示出了两个不同溫度下作为催化湿度测量（RHcat)与混合湿度测量的 关系的函数的电〇2的含量。上曲线是在40°C进行的，而下曲线是在24°C进行的。因此，可 W看出，溫度升高提高了灵敏度。换言之，该图表是通过测量普通湿度传感器1W及具有可 渗透催化剂层16的湿度传感器2的相对湿度来获得的。
[0073] 图2a和图化描绘了传感器的一个实施例，其中图2aW剖面侧视图示出了该传感 器结构，其中第一传感器1是普通的电容式湿度传感器1，而第二传感器2是催化湿度传感 器。该结构形成在基板11上，通常形成在娃基板上。在基板11上形成有电极12,其具有针 对两个传感器1和2的接触区。底部电极12W上形成有敏感的可渗透电介质层13,其通常 为合适的聚合物。层13的介电特性取决于湿度，也就是&0含量。电介质层13上方形成针 对两个传感器1和2的顶部电极14。电介质层中的水含量可随后通过测量电极12与电极 13之间的电容来确定。可渗透保护层15形成在顶部电极14上方，并且第二传感器另外还 覆盖有多孔催化金属层，也称为分解层16,其例如通过下文所述过程来形成。
[0074]第二传感器2上方的金属膜有利地通过本专利申请申请人于欧洲专利665303中 所描述的方法来形成。在该方法中，微孔金属膜是通过将待被金属化的表面与金属蒸发源 之间的夹角a调节为5-30度范围内的值来得到的。运里，待被金属化的表面为层15或者 它上面的粘合层（例如，化）。通过改变角度，可W修改金属膜的孔隙率和孔尺寸，W使得小 的角度值a能带来孔径大、极多孔的层，而较大的角度值a则导致具有孔较小的不易渗透 的层。
[007引通过首先将略带自氧化性的金属（例如化、Ni或Ti)的层真空蒸发至10-300皿 的厚度，来获得良好的粘附性。随后，通过W相同角度将（金、销或钮的）贵金属层真空蒸 发至10-300皿的厚度来防止经由氧化造成的孔堵塞。通常，运些层的总厚度在30-400皿 的范围内。
[0076] 有利的是，孔尺寸（孔的最小直径）小于30皿，由此实现对高分子量分子的过滤效 果。
[0077] 图3a和图3b显示了根据本发明的传感器结构的一个实施例，其中普通电容传感 器1和催化电容式湿度传感器2是独立的分离单元。
[0078] 运种配置更详细地示出于图4中，其中还更清楚地指示出传感器的化学机理。催 化过程将&〇2分解成0 2和H2〇,并因此改变了传感器2的读数。
[0079]图5示出了该过程的流程图，并且指示了能被催化分解的物质的浓度可如何被指 示的。
[0080] 图6示出了关于如何对根据本发明的传感器进行校准的方法的图表。
[0081] 图7显示了根据本发明的第二传感器的一般性结构。原则上，本发明的总体思想 是用覆盖有分解层16的任何类型的湿敏材料26来制造传感器，并且将该传感器结构的读 数与没有分解层26的对应传感器结构的读数进行比较。
[0082] 图8显示了一种传感器结构，其中传感器1和2位于相同基板上，并且该结构包括 位于基板下方的公共加热元件18,W便对对元件1和2同时加热。
[0083] 图9示出了用于传感器1和2的S个备选布局。
[0084] 图10示出了一种相对于传感器1和2来定位加热元件的布局。
[0085] 图11示出了催化传感器2的一个实施例，其中传感层形成在指状电极12和14上 方，并且分解层布置在感测层上方。在完整的传感器结构中，还设有不带分解层16的类似 的第二传感器1(未示出）。
[0086] 参照图12a和图12b，可W至少W两种方式来实现根据本发明的一个实施例的测 量系统：
[0087]根据图12曰，使用类似上述结构16的催化器（A)、累度）W及包括湿度传感器1的 测量壳体（C)，其中壳体（C)与周围气体浓度迅速达到平衡；
[0088]或者，根据图12b，通过使用两种类似上述结构16的催化器（A)、累度）、具有湿度 传感器1的封闭测量壳体值)，W及磁阀巧）。在运个系统中，壳体轮流接收经由催化器（A) 通向该壳体的气体或者直接从待测对象通向该壳体