專利名稱：氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)氣態(tài)物質(zhì)的傳感器，特別是用于檢測(cè)氣態(tài)相 或氣流中物質(zhì)存在的傳感器。該傳感器特別適用于，但不限于，二氧 化碳的檢測(cè)。該傳感器特別用作用于檢測(cè)和測(cè)量人或動(dòng)物所呼出氣息
中例如二氧化碳的氣體的濃度的二氧化碳濃度傳感器(capnographic sensor)。該傳感器還可以用于確定例如所呼出氣息流的氣流的含水 量或濕度。
背景技術(shù)：
對(duì)人或動(dòng)物所呼出氣息的二氧化碳含量的分析是評(píng)估主體健康 狀況的有價(jià)值的工具。特別地，二氧化碳濃度的測(cè)量使得能夠估計(jì)各 種肺部和/或呼吸系統(tǒng)疾病的程度和/或發(fā)展，特別是哮喘和慢性阻塞 性肺病(COPD)。
二氧化碳可以利用各種分析技術(shù)和儀器來檢測(cè)。最實(shí)際和廣泛使 用的分析器使用光譜紅外線吸收作為檢測(cè)方法，但氣體也可以利用質(zhì) 鐠分析、氣相色譜分析、熱傳導(dǎo)性及其它來檢測(cè)。盡管用于二氧化碳 測(cè)量的大多數(shù)分析儀器、技術(shù)和傳感器基于氣體的物理化學(xué)屬性，但 正在開發(fā)利用電化學(xué)的新技術(shù)，并且已經(jīng)提出了多種電化學(xué)方法。但 是，還不可能直接利用電化學(xué)技術(shù)測(cè)量二氧化碳(co2)氣體。已經(jīng) 設(shè)計(jì)出了基于將氣體溶解到電解質(zhì)(electrolyte)中的間接方法，其中 電解質(zhì)的pH值有相應(yīng)變化。其它電化學(xué)方法使用二氧化碳的高溫催 化還原。但是，這些方法通常是非常昂貴的、很難采用而且常常表現(xiàn) 出非常低的靈敏度和緩慢的響應(yīng)時(shí)間。這些缺陷都使它們不適于分析 氣息樣本，尤其是在濕氣呼吸(tidal breathing )的分析中。
近來采用的一種技術(shù)是監(jiān)視包含適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)金屬配合基的電解
6質(zhì)中特定化學(xué)反應(yīng)，所述有機(jī)金屬配合基在二氧化碳?xì)怏w溶解所導(dǎo)致
的pH變化之后發(fā)生化學(xué)相互作用。pH變化于是打亂了一系.列反應(yīng)， 且大氣中二氧化碳的濃度是根據(jù)酸堿化學(xué)性質(zhì)中的變化來間接估計(jì) 的。
二氧化碳是酸性氣體，并與水和其它(質(zhì)子)溶劑相互作用。例 如，二氧化碳根據(jù)以下反應(yīng)溶解在水溶液中 C02+H20<^H2C03 (1)
H2CO30 HC03 +H+ ( 2 )
HC03 0 C032 + H+ ( 3 )
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，隨著更多的二氧化碳溶解，氫離子(H+)的濃度將
增力口。
使用這種用于感測(cè)二氧化碳的技術(shù)的缺陷在于當(dāng)用于氣態(tài)相的 氣體分析時(shí)，液體電解質(zhì)必須被半透膜限制起來。這種膜是不透水的， 但可透過各種氣體，包括二氧化碳。這種膜必須在不嚴(yán)重地阻礙二氧 化碳?xì)怏w的透過的情況下減少內(nèi)部電解質(zhì)的蒸發(fā)。這種構(gòu)造的結(jié)果是 電極在短時(shí)間內(nèi)工作良好，但該電極響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，而且其中電解質(zhì)需 要頻繁地更新。
WO 04/001407公開了一種包括被可滲透膜保留的液體電解質(zhì)的 傳感器，它克服了這些缺陷中的一些。但是，非常期望能提供不依賴 于液體電解質(zhì)的存在和維持的傳感器。
US 4，772，863公開了 一種具有多層的用于氧和二氧化碳?xì)怏w的傳 感器，其中所述多層包括氧化鋁基底、陰離子參考電極源、耦合到陰 離子參考電極源的鉑的下參考電極、包含鴒且耦合到下參考電極的固 體電解質(zhì)、用于防止鉑離子流到固體電解質(zhì)中的緩沖層和催化粕的上 電極。
GB 2,287,543 A公開了 一種具有在基底中形成的第一腔的固體 電解質(zhì)一氧化碳傳感器，該第一腔與第二腔通信，其中一氧化碳吸附 劑位于第二腔中。電極檢測(cè)一氧化碳吸附劑中氧的部分壓力。GB 2,287,543的傳感器對(duì)于主要溫度是非常靈敏的，而且只能夠在低溫下以任意的靈敏度測(cè)量低濃度的 一氧化碳。在要避免傳感器的完全飽和
(saturation)的情況下，為了測(cè)量更高的一氧化碳濃度，高溫是必要 的。這使得傳感器測(cè)量寬濃度范圍上的氣體成分是不可行的。
GB2，316，178 A公開了一種固體電解質(zhì)氣體傳感器，其中參考電 極安裝在電解質(zhì)中的腔內(nèi)。氣敏電極在固體電解質(zhì)的外面提供。據(jù)說， 這種傳感器在檢測(cè)二氧化碳和二氧化硫時(shí)是有用的。但是，傳感器的 工作需要加熱到至少20(TC的溫度，更優(yōu)選地是從300到40(TC。這代 表了在該傳感器的實(shí)際應(yīng)用中的主要缺陷。
用于在熱處理過程中監(jiān)視氣體成分的傳感器在GB 2,184,549 A 中公開。但是，就象關(guān)于GB 2,316,178那樣，公開了高溫工作(高達(dá) 600°C),而且看起來其還是需要的。
因此，需要一種不依賴于液體相或高溫催化方法的電解質(zhì)存在的 傳感器，即具有簡(jiǎn)單構(gòu)造并可以容易地用于監(jiān)視周圍環(huán)境中氣體成分 的傳感器。
EP 0 293 230 >5^開了 一種用于檢測(cè)例如二氧化碳的酸性氣體的傳 感器。該傳感器包括電解質(zhì)主體內(nèi)的感測(cè)電極和對(duì)電極。電解質(zhì)是具 有可以被酸性氣體置換的配合基的固體合成物。類似的傳感器布置在 US 6,454,923中公開。
一種特別有效的傳感器在未決國(guó)際申請(qǐng) No. PCT/GB2005/003196中公開。該傳感器包括布置成對(duì)氣流暴露的感測(cè) 元件，該感測(cè)元件包括工作電極；對(duì)電極；及在工作電極與對(duì)電極 之間延伸并與工作電極與對(duì)電極接觸的固體電解質(zhì)前體；由此可以使 氣流撞擊到固體電解質(zhì)前體上，使得氣流中的水蒸汽至少部分地與該 前體水合，形成與工作電極和對(duì)電極電接觸的電解質(zhì)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管PCT/GB2005/003196的傳感器是有效的傳感器， 但其性能可以通過適當(dāng)選擇用于提供在電極之間延伸的涂層的材料來 改進(jìn)。特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳感器改進(jìn)的性能和響應(yīng)可以通過設(shè)置一 個(gè)在電極之間延伸的離子交換材料層來獲得，使得當(dāng)傳感器對(duì)包含水 蒸汽的氣流暴露時(shí)，電接觸通過電極之間的離子交換材料建立。這種傳感器可以提供病人或主體肺部功能的改進(jìn)指示，并有助于對(duì)病人的 簡(jiǎn)便檢查以及肺部與呼吸系統(tǒng)工作與性能的異常診斷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于感測(cè)氣流中目標(biāo)物質(zhì)的傳感器，該傳
感器包括
布置成對(duì)氣流暴露的感測(cè)元件，該感測(cè)元件包括
工作電極；
對(duì)電極；及
在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交換材料層；由此離子交換 層與氣流的接觸形成了工作與對(duì)電極之間的電接觸。
在本說明書中，離子交換材料是指具有離子交換屬性，從而使得 與氣流成分的接觸導(dǎo)致電極之間的層的傳導(dǎo)性的變化的材料。離子交 換材料充當(dāng)用于要發(fā)生的電傳導(dǎo)的載體介質(zhì)。特別地，在離子交換材 料中存在水的情況下，它使得水合離子層形成在電極之間。離子交換 材料層提供了高度可控并一致水合的介質(zhì)，從而提供用于要發(fā)生的傳 導(dǎo)的合適介質(zhì)。
用于本發(fā)明的傳感器中的合適的離子交換材料是那些具有高質(zhì) 子傳導(dǎo)性、良好化學(xué)穩(wěn)定性并保持足夠機(jī)械完整性的材料。離子交換 材料應(yīng)當(dāng)對(duì)所分析氣流中存在的物質(zhì)，特別是對(duì)存在于主體或病人所 呼出氣息中的各種成分，具有高親和力。
合適的離子交換材料在本領(lǐng)域中是已知的而且是可商業(yè)獲得的 產(chǎn)品。
特別優(yōu)選的離子交換材料是離聚物，即具有離子屬性的一類合成 聚合物。特別優(yōu)選的離聚物組是磺化四氟乙烯共聚物。這一類中尤其 優(yōu)選的離聚物是可以從Du Pont商業(yè)獲得的Nafion⑧。由于磺化四氟 乙烯共聚物的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，使得磺化四氟乙烯共聚物具有超級(jí)傳導(dǎo) 屬性。磺化四氟乙烯共聚物可以制造成具有各種陽離子傳導(dǎo)性。它們 還呈現(xiàn)出極好的熱與機(jī)械穩(wěn)定性，而且是生物相容的，由此使它們成為用在受控電極涂層中的合適材料。
其它合適的離子交換材料包括聚醚醚酮(PEEK)、聚(芳醚酮 砜)(PSU )、聚偏氟乙稀-接枝苯乙烯(PVDF - graft styrenes )、 酸摻雜的聚苯并咪唑(PBI)和聚磷腈。
離子交換材料可以干態(tài)存在于傳感器中，在這種情況下材料將需 要添加水，例如像存在于氣流中的水蒸汽。這是當(dāng)傳感器用于分析人 或動(dòng)物所呼出氣息時(shí)的情況，其中存在量改變的水蒸汽?？蛇x地，離 子交換材料可以以飽和(saturated)或部分飽和的狀態(tài)與水存在，在 這種情況下可以分析干燥氣流。在這種情況下，由于離子溶解在水中， 傳感器的輸出將響應(yīng)離子交換材料傳導(dǎo)性的變化而變化。
離子交換材料的厚度將決定傳感器對(duì)于與離子交換層接觸的氣 流成分的變化的響應(yīng)。為了最小化傳感器中的內(nèi)部阻力，使用超薄離 子交換層是優(yōu)選的。
依賴于傳感器的特定應(yīng)用，離子交換層可以包括單種離子交換材 料或者兩種或多種這類材料的混合。
離子交換層可以由其中材料對(duì)于傳感器的工作壽命呈現(xiàn)出所需 水平的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性及完整性的離子交換材料構(gòu)成?？蛇x地，離 子交換層可以包括離子交換材料的惰性載體。合適的載體包括氧化物， 特別是金屬氧化物，包括氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯及其混合物。其它 合適的栽體包括硅的氧化物及各種天然與合成粘土。
在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，除了離子交換材料和惰性填充 物，如果有的話，離子交換層還包括介孔(mesoporous)材料。在本 說明書中，介孔材料是指具有從1到75nm范圍，尤其是從2到50nm 范圍的孔的材料。介孔材料提供了以下的介質(zhì)，即高度可控并一致水 合，從而為要發(fā)生的傳導(dǎo)提供合適的介質(zhì)。
用在本發(fā)明傳感器中的合適的介孔材料在本領(lǐng)域中是已知的并 且是可商業(yè)獲得的，包括沸石。沸石是用于包括在本發(fā)明的傳感器的 離子交換層中的特別優(yōu)選的成分。 一種優(yōu)選的沸石是沸石13X?？蛇x 的可用介孔材料是沸石4A或沸石P。離子交換層可以包含一種沸石
10材料或者是其組合。
介孔材料的粒度和厚度將決定傳感器對(duì)于與離子交換層接觸的 氣流成分中的變化的響應(yīng)。為了最小化傳感器中的內(nèi)部阻力，使用包 含介孔材料的超薄層是優(yōu)選的。
介孔材料優(yōu)選地分散在離子交換層中，最優(yōu)選地是以精細(xì)分散的
方式分散。介孔材料優(yōu)選地分散為粒子大小在0.5到2(Him范圍，更 優(yōu)選地是1到lOjim范圍的粒子。在一種實(shí)施方式中，介孔材料以合 適的溶劑中的粒子懸浮物的方式施加到電極，使得該溶劑能夠蒸發(fā)， 從而在電極上留下精細(xì)分散的粒子。然后，離子交換材料被施加到介 孔分散上。作為均勻的懸浮物，介孔材料優(yōu)選地以10ml溶劑0.01到 l.Og的濃度施加，其中電極組件浸到該溶劑中一次或多次。更優(yōu)選地， 介孔材料以每10ml溶劑0.05到0.5g的濃度施加，尤其是每10ml溶 劑大約O.lg。適用于介孔材料施加的溶劑在本領(lǐng)域中是已知的并且包 括醇，特別是甲醇、乙醇及更高的脂肪醇。適用于施加介孔材料的其 它技術(shù)包括干氣浮沉積、噴霧熱解、絲網(wǎng)印刷、原位晶體生長(zhǎng)、水熱 生長(zhǎng)、噴涂及壓熱(autoclaving)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)(連續(xù))離子交換膜中介孔粒子的稀疏分布對(duì)檢測(cè)氣流 中的目標(biāo)物質(zhì)(特別是水蒸汽)提供了最高辨別力。在優(yōu)選布置的掃 描電子顯微鏡(SEM)下的檢查顯示了介孔粒子的密度，使得每個(gè)粒 子平均離開最近的相鄰粒子幾個(gè)體直徑(body diameter)，尤其是從 1到5個(gè)體直徑，更優(yōu)選地是從1到3個(gè)體直徑。
當(dāng)實(shí)現(xiàn)介孔材料的厚連續(xù)涂層時(shí)，還發(fā)現(xiàn)厚的離子交換材料膜降 低了傳感器的性能。換句話說，薄離子交換層與介孔粒子稀疏分布的 組合表現(xiàn)得最好。
該傳感器特別適用于二氧化碳的檢測(cè)，特別是存在于人或動(dòng)物所 呼出氣息中的二氧化碳。該傳感器還特別適用于氣流中水蒸汽的檢測(cè)。 在呼出的氣流的情況下，測(cè)量由主體呼出的水蒸汽的濃度使得能夠精 確確定待確定的所呼出氣息中的二氧化碳含量。這個(gè)特征使該傳感器 在分析人和動(dòng)物所呼出氣流時(shí)特別有利。此外，該傳感器提供了對(duì)所分析氣流成分變化的快速精確響應(yīng)。這些特征使本發(fā)明的傳感器特別 適于用作分析主體所呼出氣息時(shí)的二氧化碳濃度傳感器。
本發(fā)明提供了特別緊湊并具有非常簡(jiǎn)單構(gòu)造的傳感器。此外，該 傳感器可以用在環(huán)境溫度條件下，而不需要任何加熱或冷卻，同時(shí)產(chǎn) 生對(duì)所分析氣體中目標(biāo)物質(zhì)濃度的精確測(cè)量。
該傳感器優(yōu)選地包括包圍并保護(hù)電極的外罩或其它保護(hù)性主體。 該傳感器可以包括通道或?qū)Ч?，以便將氣流直接引?dǎo)到電極上。在非 常簡(jiǎn)單的布置中，該傳感器包括兩個(gè)電極延伸到其中的導(dǎo)管或管子， 從而直接與通過該導(dǎo)管或管子的氣流接觸。當(dāng)傳感器要用于病人氣息 分析時(shí)，導(dǎo)管可以包括吹嘴，病人可以呼氣到該吹嘴中?？蛇x地，傳 感器可以形成為具有在外罩上或在外罩中暴露位置的電極，以進(jìn)行大 量氣流的直接測(cè)量。外罩、通道或?qū)Ч艿木_形式對(duì)于傳感器的工作 或性能不是關(guān)鍵的，而且可以釆取任何期望的形式。傳感器的主體或 外罩由非傳導(dǎo)性材料(例如合適的塑料)制備是優(yōu)選的。
如上面所指出的，在一種實(shí)施方式中，傳感器依賴于所分析氣流 中水蒸汽的存在來水合離子交換層。如果氣流中沒有足夠的水蒸汽， 則可以為傳感器提供用于增加氣流的水蒸汽含量的裝置。這種裝置可 以包括水儲(chǔ)存器和分配器，例如噴霧器、噴灑器或氣霧劑。
電極可以有任何合適的形狀和配置。電極的合適形式包括點(diǎn)、線、 環(huán)和平面表面。傳感器的有效性可以依賴于電極的特定布置，而且在 特定實(shí)施方式中可以通過在相鄰電極之間設(shè)置非常小的路徑長(zhǎng)度來增 強(qiáng)。例如，這可以通過使工作電極與對(duì)電極中的每一個(gè)都包括多個(gè)以 交替、互鎖模式布置的電極部分，即以相互交叉電極部分陣列的形式， 特別是以同心模式布置來實(shí)現(xiàn)。
電極優(yōu)選地設(shè)置為彼此盡可能接近，直到制造技術(shù)的分辨率。工
作電極和對(duì)電極的寬度可以在10到1000微米之間，優(yōu)選地是從50 到500微米。工作電極與對(duì)電極之間的間隙可以在20到1000微米之 間，更優(yōu)選地是從50到500孩支米。最佳軌跡間隙(track-gap)距離 是針對(duì)所考慮的特定電極材料、幾何形狀、結(jié)構(gòu)和基底通過例行試驗(yàn)
12來確定的。在優(yōu)選實(shí)施方式中，最佳工作電極軌跡(track)寬度是從50到250微米，優(yōu)選地是大約100微米，而對(duì)電極軌跡寬度是從50到750微米，優(yōu)選地是大約500微米。工作電極與對(duì)電極之間的間隙優(yōu)選地是大約100微米。
對(duì)電極與工作電極可以大小相等。但是，在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，對(duì)電極的表面積大于工作電極的表面積，以避免約束電流轉(zhuǎn)移。優(yōu)選地，對(duì)電極具有至少是工作電極兩倍大的表面積。更高的對(duì)電極與工作電極表面積的比率也可以采用，例如至少3:1，優(yōu)選地是至少5:1，直到10:1。電極的厚度是由制造技術(shù)決定的，但對(duì)電化學(xué)性沒有直接影響。所產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)的幅值主要是由暴露的表面積決定的，即是由直接對(duì)氣流暴露并與之接觸的電極的表面積決定的?？偟膩碚f，電極表面積的增加將導(dǎo)致更高的信號(hào)，但也可以導(dǎo)致更容易受噪聲和電干擾影響。但是，來自更小電極的信號(hào)可能更難檢測(cè)。
電極可以支持在基底上。適用于支持基底的材料是任何惰性、非傳導(dǎo)材料，例如陶瓷、塑料或玻璃?；诪殡姌O提供支持并用于將它們保持在正確的方位。因此，基底可以是任何合適的支持介質(zhì)?；撞粋鲗?dǎo)，即電絕緣或者有足夠高的介電系數(shù)，是很重要的。
電極可以布置到基底的表面上，離子交換材料層在電極和基底表面上延伸?？蛇x地，離子交換材料可以直接施加到基底上，電極布置到離子交換層的表面上。這樣的好處是提供了給出更大路徑長(zhǎng)度控制的薄基層以及機(jī)械強(qiáng)度。
通過來自合適的溶劑中的懸浮物或溶液的蒸發(fā)，離子交換材料方便地施加到基底表面上。例如，在磺化四氟乙烯共聚物的情況下，合適的溶劑是甲醇。離子交換材料的懸浮物或溶液還可以包括惰性載體或者其前體，如果它要出現(xiàn)在離子交換層中的話。
為了改進(jìn)電極的電絕緣，不布置成與氣流接觸的電極部分(即，電極的非工作部分)可以利用介電材料覆蓋，并以使電極活動(dòng)部分暴
露的方式圖案化。
盡管如上文所述，具有兩個(gè)電極的傳感器工作得很好，但具有多
13于兩個(gè)電極的布置，例如包括第三或參考電極，在本領(lǐng)域中也是眾所
周知的。當(dāng)對(duì)電極和工作電極之間的"iR壓降(iRdrop)"很大時(shí)，參考電極的使用提供了對(duì)所施加電壓的更好恒電勢(shì)控制或者對(duì)電流的恒電流控制。雙2-電極和3-電極單元也可以采用。
位于對(duì)電極和工作電極之間的另一電極也可以采用。氣流的溫度可以通過測(cè)量電極的端到端電阻來計(jì)算。這種技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的。
電極可以包括任何合適的金屬或金屬合金，附帶條件是該電極不與電解質(zhì)或者氣流中所存在的任何物質(zhì)反應(yīng)。優(yōu)先選擇元素周期表(如在Handbook of Chemistry and Physics中所提供的，1981至1982,第62版，Chemical Rubber Company )第VIII族中的金屬。優(yōu)選的第VIH族金屬是錸、鈀和鉑。其它合適的金屬包括銀和金。優(yōu)選地，每個(gè)電極是由金或鉑制備的。碳或含碳的材料也可以用于形成電極。
本發(fā)明的傳感器的電極可以通過以厚膜絲網(wǎng)印刷墨水(screenprinting ink)的形式將電極材料打印到基底上來形成。墨水包括四種成分，即功能性成分，結(jié)合劑、承載體及一種或多種變性劑。在本發(fā)明的情況下，功能性成分形成電極的傳導(dǎo)性成分并包括以上提到的用于形成電極的一種或多種金屬的粉末。
在高溫焙燒過程中，結(jié)合劑將墨水保持到基底上并與基底融合。承栽體充當(dāng)粉末的載體并且既包括例如溶液的揮發(fā)性成分，又包括例如聚合物的不揮發(fā)性成分。這些材料分別在干燥與焙燒的早期蒸發(fā)。變性劑包括少量的添加劑，該添加劑在處理前后對(duì)控制墨水的行為起作用。
絲網(wǎng)印刷需要將墨水粘性控制在由流變性質(zhì)(例如墨水中承栽體成分和粉末的量)及環(huán)境的各方面(例如環(huán)境溫度)確定的限制之內(nèi)。
印刷網(wǎng)屏(printing screen)可以通過跨網(wǎng)屏框架拉長(zhǎng)不銹鋼絲網(wǎng)織物，同時(shí)維持高張力來制備。然后，將乳劑涂到整個(gè)網(wǎng)上，填充網(wǎng)的所有開口區(qū)域。常用的慣例是給網(wǎng)添加過量的乳劑。然后，利用期望的電極設(shè)計(jì)才莫板將要被絲網(wǎng)印刷的區(qū)域圖案化到網(wǎng)屏上。橡膠滾軸用于將墨水在網(wǎng)屏上涂開。橡膠滾軸的剪切作用導(dǎo)致墨水粘性的減小，從而使得墨水能夠通過要圖案化的區(qū)域而到達(dá)基底上。當(dāng)橡膠滾軸通過時(shí)，網(wǎng)屏剝離。墨水粘性恢復(fù)到其原始狀態(tài)并導(dǎo)致良好限定的印刷。當(dāng)確定期望的厚膜印刷厚度并由此確定所完成電極的
厚度時(shí)，網(wǎng)眼(screen mesh)是關(guān)鍵的。
橡膠滾軸向下行進(jìn)的機(jī)械限制(下止點(diǎn))應(yīng)當(dāng)設(shè)置成允許對(duì)印刷行程的限制為在基底表面下75 125fim。這將允許跨基底實(shí)現(xiàn)一致的印刷厚度，同時(shí)保護(hù)網(wǎng)眼不會(huì)變形而且不會(huì)受由于過度壓力造成的可能的塑料變形。
為了確定印刷厚度，可以使用以下等式
Tw=(TmxAo)+Te
其中Tw-濕的厚度(nm );
Tm-網(wǎng)織物(mesh weave)厚度(pm );
Ao-。/。開口區(qū)域；
Te-乳劑厚度(nm)。
在印刷處理之后，在焙燒之前，傳感器元件需要拉平。拉平使得網(wǎng)眼標(biāo)記(mesh mark)被填充且一些更具揮發(fā)性的溶劑在室溫下慢慢蒸發(fā)。如果在這個(gè)干燥處理中沒有把所有的溶劑都除去，則剩余的量可能會(huì)在焙燒處理中由于污染圍繞傳感器元件的氣氛而造成問題。當(dāng)在15(TC的爐子中保持10分鐘時(shí)，厚膜技術(shù)中所使用的大部分溶劑可以完全除去。
焙燒一般是在帶狀熔爐中實(shí)現(xiàn)的。焙燒溫度根據(jù)墨水的化學(xué)性質(zhì)改變。大多數(shù)可商業(yè)獲得的系統(tǒng)在85(TC的峰值焙燒10分鐘。整個(gè)熔爐時(shí)間是30到45分鐘，包括加熱熔爐和冷卻至室溫所花的時(shí)間。焙燒氣氛的純度是成功處理的關(guān)鍵?？諝鈶?yīng)當(dāng)清除了粒子、碳?xì)浠衔?、含卣素的蒸汽和水蒸汽?br> 如果存在的話，則用于制備電極并將它們施加到基底上的可選技術(shù)包括旋轉(zhuǎn)/噴射涂覆和可見/紫外線/激光光刻法。為了避免在電極中存在雜質(zhì)，該雜質(zhì)可能改變傳感器的電化學(xué)性能，電極可以通過電化學(xué)電鍍來制備。特別地，每個(gè)電極可以包括多個(gè)由不同技術(shù)施加的層，下面的層利用以上提到的一種技術(shù)(例如印刷)制備，而最上面或外面的層利用如純金屬的純電極材料通過電化學(xué)電鍍施加。
在使用中，傳感器能夠在大溫度范圍內(nèi)工作。但是，對(duì)所分析氣流中要存在水蒸汽的需求需要傳感器處于水凝固點(diǎn)之上和露點(diǎn)之上的溫度。如果需要，傳感器可以設(shè)置有加熱裝置，以便升高氣流的溫度。
在另一方面，本發(fā)明提供了感測(cè)在包括水蒸汽的氣流中目標(biāo)物質(zhì)
的方法，該方法包括
使氣流撞擊到在工作電極和對(duì)電極之間延伸的離子交換材料層
上；
跨工作電極和對(duì)電極施加電勢(shì)；
測(cè)量作為所施加電勢(shì)結(jié)果在工作電極和對(duì)電極之間流動(dòng)的電流;
及
從所測(cè)量的電流流動(dòng)確定對(duì)氣流中目標(biāo)物質(zhì)濃度的指示。
氣流中的目標(biāo)物質(zhì)可以是除水蒸汽之外所存在的例如酸性成分的成分?？蛇x地，目標(biāo)物質(zhì)可以是水蒸汽本身，在這種情況下傳感器用于確定氣流的水含量或濕度。
如以上所指出的，本發(fā)明的方法特別適用于檢測(cè)氣流中的二氧化碳，特別是適用于檢測(cè)人或動(dòng)物主體所呼出氣息中二氧化碳。
在工作過程中，對(duì)電極和工作電極之間的阻抗指示相對(duì)濕度，而且如果測(cè)量的話，還指示氣流的目標(biāo)物質(zhì)含量，這可以通過多種技術(shù)電觀J量。
本發(fā)明的方法可以利用上文所述的傳感器執(zhí)行。如果氣流包含太少水蒸汽，不足以工作，則另外的水可以在氣體與電極的接觸發(fā)生之前添加到氣體中。
該方法需要跨電極施加電勢(shì)。在一種簡(jiǎn)單的配置中，電壓施加到對(duì)電極，而工作電極連接到地(接地)。在其最簡(jiǎn)單的形式中，該方法跨工作電極和對(duì)電極施加單個(gè)恒定的電勢(shì)差?？蛇x地，該電勢(shì)差可以相對(duì)時(shí)間而改變，例如在一系列電勢(shì)之間脈動(dòng)或掃動(dòng)。在一種實(shí)施
16方式中，電勢(shì)在所謂的"靜"電勢(shì)和反應(yīng)電勢(shì)之間脈動(dòng)，其中在靜電勢(shì) 不發(fā)生反應(yīng)。
在工作過程中，線性電勢(shì)掃描、多個(gè)電壓等級(jí)(step)或者一個(gè) 離散電勢(shì)脈沖施加到工作電極，且所產(chǎn)生的法拉第還原電流作為橋接 電極的水中溶解的目標(biāo)分子的直接函數(shù)而被監(jiān)視。
傳感器元件中所測(cè)量的電流通常是小的。該電流利用電阻器R轉(zhuǎn) 換成電壓。作為小電流流動(dòng)的結(jié)果，仔細(xì)注意電子設(shè)計(jì)與細(xì)節(jié)可能是 必需的。特別地，可以采用特定的"防護(hù)"技術(shù)。在系統(tǒng)中需要避免接 地環(huán)路。這可以利用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
在對(duì)電極和工作電極之間通過的電流被轉(zhuǎn)換成電壓并作為氣流 中二氧化碳濃度的函數(shù)記錄。通過脈動(dòng)在兩個(gè)電壓之間的電勢(shì)，傳感 器更快地響應(yīng)，這是本領(lǐng)域中一種已知的技術(shù)"方波伏安法"。在一個(gè) 脈動(dòng)過程中測(cè)量若千次響應(yīng)可以用于估計(jì)傳感器的阻抗。
就簡(jiǎn)單的電阻和電容元件而言，瞬態(tài)響應(yīng)的形狀可以僅僅涉及傳 感器的電特征(阻抗)。通過對(duì)形狀的仔細(xì)分析，電阻和電容的單獨(dú) 貢獻(xiàn)可以計(jì)算出來。這種數(shù)學(xué)技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。電容是 由于例如充電等人為電子現(xiàn)象導(dǎo)致的不想要的噪聲成分。電容性信號(hào) 可以通過對(duì)傳感器中電極設(shè)計(jì)與布局的選擇來減小。增加電極的表面 積和增加電極之間的距離是影響所產(chǎn)生電容的兩個(gè)主要參數(shù)。通過試 驗(yàn)，由于電極之間反應(yīng)造成的電流通過所產(chǎn)生的期望的法拉第信號(hào)可 以最優(yōu)化。例如，對(duì)脈動(dòng)中上升周期(increasing period )的響應(yīng)的測(cè) 量是可以在電容性與法拉第成分之間優(yōu)先選擇的一種技術(shù)。這種實(shí)踐 技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
如以上所指出的，施加到傳感器元件電極的電勢(shì)差可以交替地或 者周期性地在靜電勢(shì)和反應(yīng)電勢(shì)之間脈動(dòng)。圖l示出了可以施加的電 壓波形的例子。圖la是脈動(dòng)電壓信號(hào)的表示，該信號(hào)在靜電勢(shì)V。和 反應(yīng)電勢(shì)VR之間交替。電壓可以在一個(gè)頻率范圍內(nèi)脈動(dòng)， 一般是從 次赫茲頻率，即從0.1Hz,直到10kHz。優(yōu)選的脈沖頻率是在l到500Hz 的范圍內(nèi)?？蛇x地，施加到對(duì)電極的電勢(shì)波形可以包括頻率的"掃動(dòng)，，系列，這在圖lb中表示。圖lc中所示的另一種可選波形是所謂的"白 噪聲，，頻率集合。從這種波形所獲得的復(fù)雜頻率響應(yīng)將必須在獲得信號(hào)
之后利用如傅立葉變換分析的技術(shù)去巻積。同樣，這種技術(shù)也是本領(lǐng) 域中已知的。
一種優(yōu)選的電壓狀態(tài)是OV ("靜"電勢(shì))、250mV ("反應(yīng)"電勢(shì)) 和20Hz的脈沖頻率。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電化學(xué)反應(yīng)電勢(shì)是大約+0.2伏，如果不是全 部的話，這也避免了許多會(huì)干擾測(cè)量的可能的竟?fàn)幮苑磻?yīng)，例如金屬 離子的減少和氧氣的溶解。
本發(fā)明的方法特別適用于對(duì)人或動(dòng)物所呼出氣息的分析。從這種 分析的結(jié)果，可以獲得對(duì)病人呼吸系統(tǒng)狀態(tài)的指示。
因此，在另一方面，本發(fā)明提供了測(cè)量例如人或動(dòng)物的主體所呼 出氣息中目標(biāo)物質(zhì)濃度的方法，該方法包括
使所呼出的氣息撞擊到在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交 換材料層上；
跨工作電極與對(duì)電極施加電勢(shì)；
測(cè)量作為所施加電勢(shì)的結(jié)果在工作電極與對(duì)電極之間流動(dòng)的電 流；及
從所測(cè)量的電流確定對(duì)所呼出氣息流中目標(biāo)物質(zhì)濃度的指示。 作為在主體肺部發(fā)生的氣體交換機(jī)理的動(dòng)作的結(jié)果，人或動(dòng)物所 呼出的氣體常常充滿了水蒸汽。傳感器可以用于測(cè)量并監(jiān)視主體人或 動(dòng)物所呼出氣息的水含量。
本發(fā)明的傳感器與方法用于監(jiān)視并確定病人或主體的肺部功能。 該方法與傳感器特別適用于分析人或動(dòng)物所呼出氣息中例如二氧化碳 的物質(zhì)的濕氣濃度，以診斷或監(jiān)視各種呼吸狀態(tài)。該傳感器特別適用 于需要快速響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用，例如人的濕氣呼吸的呼吸系統(tǒng)監(jiān)視(二 氧化碳濃度監(jiān)測(cè)儀(capnography))?？偟膩碚f，二氧化碳濃度 (capnographic)測(cè)量可以應(yīng)用到呼吸醫(yī)學(xué)、氣道疾病、限制性和阻 礙性氣道疾病管理和氣道發(fā)炎領(lǐng)域。本發(fā)明在二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)儀和
18哞喘診斷、監(jiān)視與管理領(lǐng)域找到了特別的應(yīng)用，其中二氧化碳描記圖
(capnogram)的形狀作為疾病程度的函數(shù)而變化。特別地，由于可 以利用本發(fā)明傳感器與方法實(shí)現(xiàn)的高響應(yīng)速率，其結(jié)果可以用于對(duì)哮 喘病人的哮喘發(fā)病開始提供早期警告。
測(cè)量主體或動(dòng)物所呼出氣息中水蒸汽的百分比飽和度 (percentage saturation)與變化還可以用于成人呼吸窘迫綜合征 (ARDS)的診斷，這是末期威脅生命的肺部疾病。ARDS的特征是 間質(zhì)性肺水肺。在健康狀況良好的主體中，肺部血液與組織之間的水 通常有穩(wěn)定狀態(tài)的分布。水向外過濾(由于經(jīng)毛細(xì)血管的正流體靜壓 力)是通過從組織間質(zhì)(通過淋巴排出)再吸收平衡的。ARDS打破 了這種平衡。對(duì)這種疾病有多個(gè)階段，但增加的毛細(xì)血管滲透性通常 造成水在肺部的聚積。因此，監(jiān)視病人所呼出水的量與變化對(duì)于ARDS 的診斷與管理可能是有用的。


現(xiàn)在將參考附圖僅僅作為例子描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中 圖la、 lb和lc是如上文所討論的在本發(fā)明方法中可以施加到電 極上的可能的電壓波形的電壓對(duì)時(shí)間表示；
圖2是本發(fā)明傳感器的一種實(shí)施方式的橫截面表示；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件一種實(shí)施方式的一面的等軸示意
圖4是本發(fā)明傳感器的傳感器元件的可選實(shí)施方式的等軸示意
圖5是可以用于激勵(lì)傳感器元件電極的恒電勢(shì)電路的示意圖； 圖6是可以用于激勵(lì)電極的恒電流電路的示意圖； 圖7是用在本發(fā)明傳感器中的呼吸管適配器的示意表示； 圖8是提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的傳感器元件的內(nèi)部連接及其連接 到適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)x器的縱覽的流圖9是跨本發(fā)明傳感器電極分散的沸石粒子的SEM照片；圖10是顯示由利用本發(fā)明傳感器對(duì)病人所吸入和呼出氣流的分
析獲得的水蒸汽濃度相對(duì)于時(shí)間變化的二氧化碳描記圖
('capnogram); 及
圖11是施加到本發(fā)明傳感器的一種形式的電壓信號(hào)及所測(cè)量電 流響應(yīng)的圖形表示。
具體實(shí)施例方式
參考圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器。該傳感器用于分析所 呼出氣息中的二氧化碳含量和濕度。總體上示為2的傳感器包括導(dǎo)管 4，所呼出的氣息流可以通過該導(dǎo)管。導(dǎo)管4包括吹嘴6，病人可以呼 氣到該吹嘴中。
總體上示為8的感測(cè)元件位于導(dǎo)管4中，使得從吹嘴6通過導(dǎo)管 的氣流撞擊到感測(cè)元件8上。感測(cè)元件8包括惰性材料的支持基底10， 在基底上安裝了工作電極12和參考電極14。工作電極12和參考電極 14分別包括多個(gè)以同心圓形式布置的電極部分12a和14a，以便提供 最小化工作電極12和參考電極14的相鄰部分之間距離的交織模式。 以這種方式，兩個(gè)電極之間的電流路徑保持最小。
絕緣或介電材料層16在工作電極和對(duì)電極12和14的一部分上 延伸，留出每個(gè)電極的暴露部分12a和14a，與通過導(dǎo)管4的氣流直 接接觸。支持、電極12和14及固體電解質(zhì)前體的布置更詳細(xì)地在圖 3和4中示出。
參考圖3，示出了總體上示為40的包括基底層42的傳感器元件 的分解圖。工作電極44安裝在基底層42上，從基底層上延伸出一系 列伸長(zhǎng)的電極部分44a。類似地，參考電極46安裝在基底層42上， 從基底層上延伸出一系列電極部分46a。如在圖3中看到的，工作電 極部分44a和參考電極部分46a在緊密的相互交叉的陣列中一個(gè)在另 一個(gè)中延伸，從而提供了工作電極與參考電極相鄰部分之間具有最小 間隔的大的暴露電極表面積。離子交換材料層48位于工作電極和參考 電極44、 46上面。離子交換材料包括Nafion ， 一種可商業(yè)獲得的磺化四氟乙烯共
^ 離子交換材料48通過重復(fù)浸到合適溶劑(特別是甲醇)中的 Nafion⑧懸浮物或稀漿中來施加。pH將決定Nafion⑧的離子交換物特 征。有可能主要利用H+、 K+、 Na+和"2+作為陽離子交換物來制造 Nafion⑧涂層。在每次浸入之后和下次浸入之前，干燥傳感器元件以 蒸發(fā)溶劑。其它材料可以通過后續(xù)浸入到附加溶液或懸浮物中結(jié)合到 離子交換層中。浸入的次數(shù)是由所需的離子交換層厚度決定的，且化 學(xué)成分是由傳感器浸入的附加溶液的數(shù)量與種類決定的。
很顯然，有多種其它方式可以類似地實(shí)現(xiàn)涂層的厚度與成分，例 如村墊、噴霧、網(wǎng)屏及其它機(jī)械印刷方法。這些技術(shù)在本領(lǐng)域中是 眾所周知的。
可選的電極布置在圖4中示出，其中與圖3傳感器元件相同的部 件以相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)。應(yīng)當(dāng)指出，工作電極部分44a和參考電極部分 46a布置在緊密的環(huán)形陣列中。如以上關(guān)于圖3所描述的，電極與基 底被覆蓋在離子交換材料層中。
參考圖5，示出了恒電勢(shì)電路，其可以用來提供跨本發(fā)明的傳感 器的工作電極與參考電極施加的電壓?？傮w上示為100的該電路包括 標(biāo)識(shí)為"OpAmpl"的放大器102,該放大器充當(dāng)接收從外部施加的電 壓信號(hào)Vh的控制放大器。OpAmpl的輸出施加到控制(反)電極104。 標(biāo)識(shí)為"OpAmp2"的第二放大器106將從對(duì)電極104通到工作電極108 的電流轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓(V。ut)。電阻器R1、 R2和R3是根據(jù)輸 入電壓和測(cè)量的電流選擇的。
用于激勵(lì)傳感器電極的可選恒電流電路在圖6中示出?？刂齐姌O 與工作電極104和108連接在示為"OpAmpl"的單個(gè)放大器112的輸 入和輸出之間。同樣，電阻器R1是根據(jù)期望的電流選擇的。
轉(zhuǎn)向圖7，示出了用于監(jiān)視病人氣息的適配器。以類似于圖2所 示和上文所述的方式，傳感器元件安裝在該適配器中并直接設(shè)置到流 過該適配器的氣流中。圖7中所說明的優(yōu)選實(shí)施方式包括總體上示為200的具有圓柱形外罩202的適配器，該外軍在一端具有凸出(推入 契合)錐形耦合204而在另一端具有凹進(jìn)(推入契合)錐形耦合206。 側(cè)入口 208在圓柱形外罩202中以小孔的形式提供，從而使得適配器 能夠用于監(jiān)視病人的濕氣呼吸，如在以下例子2中更具體描述的。在 病人通過該設(shè)備吸入的過程中，側(cè)入口 208將氣體引向傳感器元件。 對(duì)濕氣呼吸的監(jiān)視可以通過在外罩202出口上提供單向閥門來改進(jìn)。
參考圖8，其以示意圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的 總體布局?？傮w上示為400的系統(tǒng)包括具有對(duì)電極402和工作電極404 的傳感器元件。對(duì)電極402例如以圖5所示和上文所述的形式由控制 恒電勢(shì)406提供電壓?？刂坪汶妱?shì)406的輸入信號(hào)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 408提供，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器408本身被提供有來自微控制器410的數(shù) 字輸入信號(hào)。由感測(cè)元件產(chǎn)生的輸出信號(hào)的形式為工作電極404的電 流，該電流饋送到電流-電壓轉(zhuǎn)換器412，電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出又饋 送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D ) 414。微控制器410接收A/D轉(zhuǎn)換器414的輸 出，它使用該輸出來生成指示所監(jiān)視氣流中目標(biāo)物質(zhì)濃度的顯示。該 顯示(為了清晰，在圖8中沒有示出)可以具有任何合適的顯示形式， 例如音頻顯示或可見顯示。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，微控制器410生 成目標(biāo)物質(zhì)濃度的連續(xù)顯示，這種布置在監(jiān)視病人的濕氣呼吸中是特 別有用的。
本發(fā)明的傳感器可以單獨(dú)采用，或者作為順序串聯(lián)連接在一起的 一系列傳感器元件來測(cè)量來自單一氣流的一系列氣體。例如，可以采 用一系列傳感器來分析病人所呼出的氣息。此外，兩個(gè)或多個(gè)傳感器 可以用于比較病人所吸入和呼出氣息的成分。
本發(fā)明將通過以下例子進(jìn)一步地說明。
例子
制備具有圖2和3中所示總體配置的傳感器。電極涂覆有包括可 以商業(yè)獲得的磺化四氟乙烯共聚物(Nafion ,出自DuPont)和沸石 4A的離子交換層。涂層如下制備沸石材料的懸浮物懸浮在10ml的曱醇中。沸石具有統(tǒng)一的粒子 大小范圍，大約l微米的粒子直徑。
對(duì)懸浮物進(jìn)行聲波處理10分鐘，以確保沸石在溶液中的均勻分 散。也可以使用超聲波清洗(ultrasonic bath)或探針。然后，將要涂 覆的電極浸入到溶液中并在取出之前保持2秒鐘。將電極放平并允許 溶劑自然蒸發(fā)。如果需要，強(qiáng)制的空氣對(duì)流也可以使用，以加速溶劑 的蒸發(fā)。
利用SEM來檢查電極，以確定沸石粒子跨電極的分布。結(jié)果在 圖9中示出。如可以看到的，沸石粒子跨電極表面精細(xì)分散，粒子之 間的間距通常至少是一 個(gè)粒子的直徑。
保持傳感器仍然處于水平位置，隨后利用注射器將很少量的 Nafion聚合物分布到傳感器表面上，并利用用于分布流體的注射器針 頭的邊緣分散到傳感器的整個(gè)表面上。同樣，讓溶劑自然蒸發(fā)。該容 量使得可以確保完全覆蓋傳感器的表面區(qū)域，并確保所產(chǎn)生的薄膜厚 度盡可能小。典型的容量范圍是l到10ul來覆蓋1 112的面積，優(yōu)選 地是2ul。(在溶劑蒸發(fā)以后)所產(chǎn)生的殘留層厚度應(yīng)當(dāng)合理地薄， 與預(yù)期的應(yīng)用一致。在實(shí)踐中，10到1000nm的層厚度可以利用這種 方法實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地是100nm。
通過讓病人通過圖1的組件吸氣和呼氣，該傳感器用于分析病人 所呼出氣息的成分，特別是所呼出氣息的水蒸汽含量。所產(chǎn)生的二氧 化碳描記圖在圖10中示出，從該圖可以看到傳感器對(duì)于所呼出氣息中 水濃度隨時(shí)間的變化產(chǎn)生非常精確的跟蹤。
參考圖11,在圖lla中示出了跨傳感器電極所施加電壓的圖形表 示。如圖所示，階躍電壓(1)施加到對(duì)電極。階躍變化優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)盡 可能即時(shí)和快速。圖llb示出了從工作電極接收到的電流瞬變響應(yīng)的 兩個(gè)圖示(在電流-電壓變換之后)。兩個(gè)響應(yīng)的特征都在于立即的電 流瞬變("尖峰")，該瞬變隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。圖llb中上面的曲線 示出了對(duì)高濃度水蒸汽反應(yīng)的傳感器，而下面的曲線示出了相同傳感 器對(duì)低濃度水蒸汽的反應(yīng)。所測(cè)量的電流(在階躍變化后)可以用于
23估計(jì)濃度。例如，點(diǎn)(3)或(4)處的斜率的值，或者點(diǎn)(5)或(6) 處電流的絕對(duì)值，可以用于估計(jì)濃度?？珉姌O表面所施加涂層的反應(yīng) 機(jī)理可以考慮為圖llc中所示簡(jiǎn)單電阻和電容的組合(電子學(xué)等效)。 對(duì)圖lib中所看到"尖峰，，和指數(shù)衰減起主要貢獻(xiàn)的是電容器，而且當(dāng) 傳感器對(duì)水蒸汽暴露時(shí)其變化最大。
權(quán)利要求
1、一種用于感測(cè)氣流中目標(biāo)物質(zhì)的傳感器，該傳感器包括布置成對(duì)氣流暴露的感測(cè)元件，該感測(cè)元件包括工作電極；對(duì)電極；及在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交換材料層；由此離子交換層與氣流的接觸形成工作電極與對(duì)電極之間的電接觸。
2、 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中離子交換材料是離聚物， 特別是磺化四氟乙烯共聚物。
3、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中離子交換層包 括介孔材料。
4、 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中介孔材料是沸石，特別是 沸石13、沸石4A或者其混合物。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的傳感器，其中介孔材料以精細(xì)分散 的方式分布。
6、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中離子交換材料 包括水或者濃縮的水蒸汽。
7、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中目標(biāo)物質(zhì)是酸 性物質(zhì)，特別是二氧化碳；或者水。
8、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，還包括導(dǎo)管，氣流 通過該導(dǎo)管被引導(dǎo)為撞擊到感測(cè)元件上。
9、 如權(quán)利要求8所述的傳感器，其中所述導(dǎo)管包括吹嘴，病人 可以呼氣到該吹嘴中。
10、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中工作電極和對(duì) 電極的形式選自點(diǎn)、線、環(huán)和平面表面。
11、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中工作電極和對(duì) 電極中的一個(gè)或者兩者包括多個(gè)電極部分。
12、 如權(quán)利要求11所述的傳感器，其中工作電極和對(duì)電極都包括以互鎖模式布置的多個(gè)電極部分。
13、 如權(quán)利要求11所述的傳感器，其中電極部分以同心模式布置。
14、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中對(duì)電極的表面 積大于工作電極的表面積。
15、 如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中對(duì)電極與工作電極的表 面積之比至少是2:1，更優(yōu)選地是至少5:1。
16、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中電極支持在惰 性基底上。
17、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中每個(gè)電極包括 選自元素周期表第VIII族的金屬，銅、銀和金，優(yōu)選地是金或鈿。
18、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，還包括設(shè)置在每個(gè) 電極的 一部分之上的絕緣材料層，該絕緣層的形狀使得暴露出每個(gè)電 極的一部分，以便直接與氣流接觸。
19、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，還包括參考電極。
20、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中電極安裝在基 底上，該電極通過厚膜絲網(wǎng)印刷、旋轉(zhuǎn)/噴射涂層或可見/紫外線/激光 光刻法施加到基底。
21、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中一個(gè)或多個(gè)電 極包括多個(gè)層，其中外層是由電化學(xué)電鍍施加的純金屬層。
22、 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，還包括加熱器，來 加熱直接撞擊到電極上的氣流。
23、 一種感測(cè)氣流中目標(biāo)物質(zhì)的方法，其中氣流包括水蒸汽，該 方法包括使氣流撞擊到在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交換材料層上；跨工作電極與對(duì)電極施加電勢(shì)；測(cè)量作為所施加電勢(shì)的結(jié)果而在工作電極與對(duì)電極之間流動(dòng)的 電流；及從所測(cè)量的電流流動(dòng)確定對(duì)氣流中目標(biāo)物質(zhì)的濃度的指示。
24、 如權(quán)利要求23所述的方法，其中目標(biāo)物質(zhì)是酸性物質(zhì)，例 如二氧化碳；水蒸汽或者其組合。
25、 如權(quán)利要求23或24所述的方法，其中恒定的電壓跨工作電 極與對(duì)電極施加。
26、 如權(quán)利要求23或24所述的方法，其中可變電壓跨工作電極 與對(duì)電極施加。
27、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中可變電壓在靜電勢(shì)與反應(yīng) 閾值電勢(shì)之上的電勢(shì)之間交替。
28、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中電壓以從0.1Hz到20kHz 的頻率脈動(dòng)。
29、 一種測(cè)量病人所呼出氣息中目標(biāo)物質(zhì)的濃度的方法，該方法包括使所呼出的氣息撞擊到在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交 換材料層上；跨工作電極與對(duì)電極施加電勢(shì)；測(cè)量作為所施加電勢(shì)的結(jié)果而在工作電極與對(duì)電極之間流動(dòng)的 電流；及從所測(cè)量的電流流動(dòng)確定對(duì)所呼出氣息流中目標(biāo)物質(zhì)的濃度的指示。
30、 如權(quán)利要求29所述的方法，其中目標(biāo)物質(zhì)是水和/或二氧化碳。
31、 如^又利要求29或30所述的方法，其中該方法用于確定病人 的肺部功能，特別是用于確定患有哮喘、COPD或ARDS的病人的肺 部功能。
32、 如權(quán)利要求29至31中任何一項(xiàng)所述的方法，其中監(jiān)視病人 的濕氣呼吸。
33、 一種用于監(jiān)視氣流成分的系統(tǒng)，包括 如權(quán)利要求1至22任何一項(xiàng)所述的傳感器；用于接收傳感器的輸出的微控制器；及 顯示器；其中微控制器編程為在顯示器上生成所分析氣流中目標(biāo)物質(zhì)的濃度 的連續(xù)圖像。
34、 如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中傳感器適于暴露于病人的 氣息中。
35、 如權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)，其中目標(biāo)物質(zhì)是水和/或 二氧化碳。
全文摘要
提供了一種用于感測(cè)氣流中目標(biāo)物質(zhì)的傳感器，該傳感器包括布置成對(duì)氣流暴露的感測(cè)元件，該感測(cè)元件包括工作電極；對(duì)電極；及在工作電極與對(duì)電極之間延伸的離子交換材料層；由此離子交換層與氣流的接觸形成工作電極與對(duì)電極之間的電接觸。
文檔編號(hào)G01N33/497GK101511266SQ200780032827
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者M·加勒特, M·弗尼 申請(qǐng)人:安納克斯系統(tǒng)技術(shù)有限公司