[发明专利]非织造化学电容式或化学电阻式气体传感器

说明书

技术领域

本发明通常涉及化学传感设备。特别地，本发明公开了一种柔性、非织造材料气体传感器，其能够以化学电容形式或化学电阻形式构造。

背景技术

人们生活或工作的环境会包含有害的气相化合物。近年来，气体传感器技术发展显著。具有多种设计的许多类型的气体传感器在市场上可获得，其用于从工业或制造业使用到消费者家庭使用的各种应用。然而，这些传感器是耐久品或半耐久品。存在对能够适于与某些工业应用一起使用和用于保护装置中的一次性且柔性的基底的需求。

发明内容

通常，本发明涉及化学气体传感器。所述气体传感器具有柔性、透气、非织造纤网材料基底，所述基底具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及根据需要多种由能够吸收挥发性有机物（VOC）的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维。所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物相互作用导致的气敏纤维的物理形态的变化引起干扰相邻导电纤维网络的物理性质或介电性质的变化。可以针对相对电阻或电容的变化监测所述柔性非织造基质。

取决于设计和期望使用或检测方法，所述柔性非织造基质可以是电阻式传感器中的独立层或独立片，或位于两层传导层之间以形成电容器。例如，在化学电阻式传感器中，所述非织造材料可以是单层或单片，其对约1000欧姆至约10,000,000欧姆的相对电阻变化敏感。可以针对至少约1000欧姆的相对电阻变化监测所述非织造材料。

可替代地，在化学电容式传感器中，所述传感器包括：化学电容体，其具有第一非织造电极、介电层以及第二非织造电极；至少一个所述非织造电极是多孔的以使得气体或蒸汽能够扩散通过所述非织造材料并与所述介电层相互作用。所述非织造材料可以具有例如对约10-100pF变化敏感的较宽电容区间。

导电层可以是导电纸片。所述气敏纤维可以由选择以与特定VOC反应的各种聚合物中的一种或多种形成。存在于非织造基底中的气敏纤维的量的范围可以是整个非织造基质重量的约5%至约90%。导电纤维量的范围可以取决于整个非织造基质中除了气敏纤维外余下的总重量百分比而为约5%或10%或12%至约75%或80%。可形成一般非织造基质的其他纤维可以选自天然或合成的聚合物、纤维素或浆料材料。在某些实施例中，惰性热塑性纤维或纤维素纤网纤维可以是非常少的，表现为总非织造材料基质的约10%、5%或更少（例如，～1-2%）的量；而在其他实施例中，这些纤维可以表现为很大量，例如，达到约50%或60%。

化学阵列或系统可以包括电阻式传感器或电容式传感器，或这两种类型的组合，以及各种检测设备或读出器输出装备。所述电子输出设备或装备可以与所述传感器有线或无线地连接。

非织造材料的优势在于该材料是柔性的，且能够容易地适于适应各种构造或遵照各种空间限制。以这种非织造材料构造的气体传感器能够例如用于气体面罩、气体传感器标志物、或湿气传感器标志物中的“寿命末期”指示器，或可替代地结合为某些吸收性或保护性服装或制品中的部件以用于各种工业应用或安全应用。

本发明的其他特征和优势将在下面的详细描述、实例和附图中进一步描述。

附图说明

图1示出了连接至处理器或读出器12的传感器主体10的示意图概述。

图2A是根据本发明的非织造基底的侧视图，其具有遍布于非织造基底的纤网的各活性或气体聚合物纤维；

图2B是非织造物上各气敏、活性纤维102和导电细丝104的布置的放大细节，以及它们彼此的接近关系和相互作用的示意。

图3是根据本发明的化学电阻式气体传感器20的示意图，其通过电路24连结至检测器或处理器26。

图4是根据本发明的化学电容式气体传感器的示意图，其中化学敏感聚合物32位于两层导电非织造材料基底30之间，所述传感器通过电路34与检测器或处理器36通信。

图5是示出根据本发明实施例的具有用于测量电容的充电时间测量单元（CTMU）的电路布置的结构图。

图6是可替代的用于测量电容的LC谐振电路构造的结构图。

图7是示出根据本发明实施例的具有用于测量电阻的分压器的电路布置的结构图。

图8是可替代的用于测量电阻的惠斯登电桥电路构造的结构图。

图9是示出本发明的非织造化学气体传感器在异丙醇蒸汽的电阻检测中的效能的曲线图。