包括一體支撐結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器以及具有多個(gè)活性元件的可燃?xì)怏w傳感器的制造方法
【專利說明】包括一體支撐結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器以及具有多個(gè)活性元 件的可燃?xì)怏w傳感器
[0001] 本申請是申請日為2010年10月19日、申請?zhí)枮?01080049140. 8、發(fā)明名稱為"包 括一體支撐結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器以及具有多個(gè)活性元件的可燃?xì)怏w傳感器"的中國發(fā)明 專利申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003] 本申請要求美國臨時(shí)專利申請序列號61/256, 749的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過引用 并入本文。
【背景技術(shù)】
[0004] 除非在此文件中明確指出，否則本文中所使用的術(shù)語不旨在限制為任何特定的狹 窄釋義。本文中闡述的標(biāo)記可有助于理解裝置、系統(tǒng)和/或方法或【背景技術(shù)】。本文中所引 用的任何參考文獻(xiàn)的公開內(nèi)容通過引用并入。
[0005] 催化或可燃（易燃）氣體傳感器已使用多年，例如用于防止由于可燃或易燃?xì)怏w 的爆炸引起的事故。通常，可燃?xì)怏w傳感器通過可燃?xì)怏w的催化氧化來運(yùn)行。如圖1A和圖 1B所示，常規(guī)的可燃?xì)怏w傳感器10通常包括封裝在耐火（例如，氧化鋁）珠30內(nèi)的諸如鉬 元素線纜或線圈20等元件，耐火珠30中充滿催化劑（例如，鈀或鉬）以形成活性或感應(yīng)元 件，活性或感應(yīng)元件有時(shí)被稱為pelement40、pellistor、檢測儀或感應(yīng)元件。在Mosely， P.T.andTofield,B.C. ,ed. ,.SolidStateGasSensors,AdamsHilgerPress,Bristol, England(1987)可找到pelement和包括這種pelement的催化可燃?xì)怏w傳感器的詳細(xì)討 論。在Firth,J.G.etal. ,CombustionandFlame21，303 (1973)以及Cullis，C.F.，and Firth,J.G. ,Eds.,DetectionandMeasurementofHazardousGases,Heinemann,Exeter, 29 (1981)中也對可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)行了概括性討論。
[0006] 珠30將對能夠改變其輸出的除了催化氧化之外的現(xiàn)象（S卩，改變珠上的能量平衡 的任何現(xiàn)象）做出反應(yīng)，并且因此在可燃?xì)怏w濃度測量中產(chǎn)生誤差。這些現(xiàn)象包括環(huán)境溫 度變化、濕度變化和壓力變化。
[0007] 為了使次級效應(yīng)對傳感器輸出的影響最小化，可依照感應(yīng)元件或pelement40的 電阻相對于在非活性的補(bǔ)償元件或pelement50中包含的基準(zhǔn)電阻的變化來測量可燃?xì)怏w 的氧化率。兩個(gè)電阻通常為諸如圖1C中所示的惠斯通（Wheatstone)橋式電路等測量電路 的部分。當(dāng)可燃?xì)怏w存在時(shí)橫過橋式電路所顯現(xiàn)的輸出或電壓提供了可燃?xì)怏w濃度的測 量。補(bǔ)償pelement50的特性通常與活性或感應(yīng)pelement40盡可能緊密地匹配。然而，補(bǔ) 償pelement50通常不載有催化劑或者載有失活/中毒的催化劑。
[0008] 例如，活性或感應(yīng)元件40以及補(bǔ)償pelement50能夠配置在防爆殼體70的阱60a 和60b內(nèi)并且能夠通過例如多孔金屬熔塊80的回火保險(xiǎn)器與周圍環(huán)境分離。多孔金屬熔 塊80允許環(huán)境氣體進(jìn)入殼體70內(nèi)，但是防止炙熱元件點(diǎn)燃周圍環(huán)境中的易燃?xì)怏w。這種 催化氣體傳感器通常安裝在這樣的儀器中：在一些情況下，所述儀器必須便攜，因此，必須 自身載有它們自身的電源。因此，期望使得催化氣體傳感器的功耗最小化。
[0009] 如圖1A至圖1C中所示的催化氣體傳感器的電功率消耗通常在250mW至700mW的 級上。此外，催化元件或pelement以及補(bǔ)償元件或pelement的制造成本高。同樣，成對元 件通常占據(jù)制造催化氣體傳感器的成本的一半以上。此外，在尺寸和環(huán)境響應(yīng)方面必須與 感應(yīng)元件緊密匹配的補(bǔ)償元件占據(jù)傳感器功率的近一半以及感應(yīng)元件/補(bǔ)償元件對的成 本的一半。在開發(fā)低功率可燃?xì)怏w檢測儀以及降低補(bǔ)償元件的成本或免除補(bǔ)償元件方面 已經(jīng)投入了大量的研究運(yùn)行。例如，美國專利號6, 663, 834公開了這樣一種可燃?xì)怏w傳感 器：其中補(bǔ)償元件由熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電子替換以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化。然而，美國專利 6, 663, 834的傳感器的功率要求仍相對高。
[0010] 減小感應(yīng)元件的感應(yīng)元件線纜以及催化支撐珠的尺寸能夠降低可燃?xì)怏w傳感器 的功率要求。減小的線纜直徑通常與較高的電阻相關(guān)聯(lián)且因此與較低的電流/功率相關(guān) 聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了一定的運(yùn)行溫度。而且，減小感應(yīng)元件/pelement的尺寸/體積減弱了濕度 和壓力變化對于傳感器的影響。過去，傳感器包括由充裕尺寸和強(qiáng)度的線纜制成的元件以 支撐其自身。隨著近年來技術(shù)的進(jìn)步，在通過例如減小感應(yīng)元件的尺寸來降低傳感器運(yùn)行 所需的功率水平方面做出了努力。而早期的可燃?xì)怏w傳感器需要多于一瓦的功率來運(yùn)行， 近期可供使用的可燃?xì)怏w傳感器已經(jīng)能夠在200-300毫瓦的范圍內(nèi)運(yùn)行。
[0011] 然而，對于直徑較小且更脆弱的感應(yīng)元件和/或線纜，減小元件尺寸需要并入某 種形式的機(jī)械支撐。常見的機(jī)械支撐包括各種填塞方法或者使用第三支柱。
[0012] 不幸的是，這些機(jī)械支撐吸取或傳導(dǎo)熱使其遠(yuǎn)離感應(yīng)（和/或補(bǔ)償）元件并且因 此使得在特定溫度范圍內(nèi)元件運(yùn)行需要更高的功率。
[0013] 發(fā)明概述
[0014] 在一個(gè)方面中，可燃?xì)怏w傳感器包括至少第一感應(yīng)元件，所述第一感應(yīng)元件包括 與電子電路電連接的第一傳導(dǎo)元件，所述第一傳導(dǎo)元件具有小于20 的直徑?？扇?xì)怏w 傳感器進(jìn)一步包括第一支撐元件，第一支撐元件呈現(xiàn)出通過使以每平方英寸磅或psi為單 位的第一支撐元件的抗拉強(qiáng)度除以以瓦特/cm/°C為單位的第一支撐元件的熱導(dǎo)率而計(jì)算 出的至少為250, 000的商數(shù)。第一支撐元件與第一傳導(dǎo)元件操作性連接以便為其提供支 撐。第一支撐元件能夠例如接觸第一傳導(dǎo)元件以便為其提供支撐。
[0015] 在另一方面中，可燃?xì)怏w傳感器包括至少第一感應(yīng)元件，所述第一感應(yīng)元件包括 與電子電路電連接的第一傳導(dǎo)元件，所述第一傳導(dǎo)元件具有例如小于20pm的平均直徑。 可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)一步包括第一支撐元件，所述第一支撐元件具有第一錨固端、第二錨固 端以及在所述第一錨固端和所述第二錨固端之間的延伸中間部分，所述延伸中間部分為所 述第一傳導(dǎo)元件提供支撐。
[0016] 第一支撐元件能夠例如與第一傳導(dǎo)元件操作性連接以便為其提供支撐。第一支撐 元件能夠例如接觸所述第一傳導(dǎo)元件以便為其提供支撐。第一支撐元件能夠例如呈現(xiàn)出通 過使以每平方英寸磅或psi為單位的第一支撐元件的抗拉強(qiáng)度除以以瓦特/cm/°C為單位 的第一支撐元件的熱導(dǎo)率而計(jì)算出的至少為250, 000的商數(shù)。
[0017] 第一傳導(dǎo)元件能夠例如具有小于12. 5ilm的直徑。在多個(gè)實(shí)施方案中，第一傳導(dǎo) 元件線纜具有不大于約10Um的直徑。
[0018] 在多個(gè)實(shí)施方案中，可燃?xì)怏w傳感器包括第一支撐構(gòu)件和第二支撐構(gòu)件，第一支 撐元件的第一錨固端錨固或附接至所述第一支撐構(gòu)件，第一支撐元件的第二錨固端錨固或 附接至所述第二支撐構(gòu)件。
[0019] 可燃?xì)怏w傳感器還能夠包括與第一傳導(dǎo)元件操作性連接的第一催化劑負(fù)載構(gòu)件， 其中所述第一支撐元件的中間部分接觸所述第一催化劑負(fù)載構(gòu)件以便為第一傳導(dǎo)元件提 供支撐。在多個(gè)實(shí)施方案中，第一支撐元件穿過第一催化劑負(fù)載件的至少一部分。第一催 化劑負(fù)載構(gòu)件上負(fù)載有催化劑。在多個(gè)實(shí)施方案中，第一催化劑負(fù)載構(gòu)件具有小于具有 500i!m直徑的球體的體積（其中球體的體積是通過公式4/3XX(D/2)3計(jì)算得到的）。 第一催化劑負(fù)載構(gòu)件能夠具有不大于具有不大于440ym直徑或者具有不大于300ym直徑 的球體的體積。
[0020] 可燃?xì)怏w傳感器能夠進(jìn)一步包括至少兩個(gè)導(dǎo)電接觸構(gòu)件，第一傳導(dǎo)元件連接在所 述兩個(gè)導(dǎo)電接觸構(gòu)件之間。接觸構(gòu)件與電子電路電連接。
[0021] 第一支撐元件能夠例如包括鎢、鎳、鑰或鈦中的至少一種與鉬、鈀、銠、銥中的至少 一種的合金。在多個(gè)實(shí)施方案中，第一支撐元件包括鉬-鎢合金。
[0022] 第一支撐元件能夠例如具有在大約0. 0005英寸至大約0. 0025英寸范圍內(nèi)的平均 直徑。在多個(gè)實(shí)施方案中