[发明专利]传感器元件及其制备和使用方法

说明书

技术领域

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

由于环境和安全方面的担忧，对挥发性有机化合物(VOC)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VOC测)和磺化的含氟聚合物(用于湿度测量)。

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

在一个方面，本发明提供了一种传感器元件，其包括：

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；

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

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。

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：

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；

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

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。

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。

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：

提供传感器元件，其包括：

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；

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

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烷，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；

使传感器元件暴露于包含分析物蒸汽的气体样品；

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

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。

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。

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。

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。

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)。

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。