低于环境温度的蒸汽传感器和使用方法技术

本发明专利技术公开了一种蒸汽传感器，该蒸汽传感器包括传感器元件(110)、冷却构件(140)和操作电路(160)。传感器元件包括：第一导电电极；第二导电电极；以及介电微孔材料，该介电微孔材料至少部分地设置在第一导电电极和第二导电电极之间并且接触第一导电电极和第二导电电极。冷却构件与传感器元件接触并且被构造成用于冷却传感器元件。操作电路与第一导电电极和第二导电电极电连通，并且能够在第一导电电极和第二导电电极之间产生电压差，使得传感器元件具有电容相关特性，并且监测传感器元件的电容相关特性。还公开使用蒸汽传感器检测分析物蒸汽的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开广义地涉及蒸汽传感器和其使用方法。
技术介绍
在许多研究领域中，监测蒸汽的存在及其在空气中的浓度。已经开发出多种用于检测蒸汽(例如，挥发性有机化合物(VOC))的方法，该方法包括(例如)光离子化法、气相色谱法、重量分析技术、光谱技术(例如，质谱法、红外光谱法、或荧光光谱法)、以及吸收感测技术。在电容传感器中，两个导电电极的电容(通常平行或交叉)随着两个电极之间的材料的介电常数的改变(归因于所存在的环境分析物蒸汽)而变化。常规电容传感器可以是制造便宜的，但可能缺乏其它更昂贵技术的灵敏度。因此需要具有改善的灵敏度的用于分析蒸汽的电容传感器。
技术实现思路
本专利技术人已经发现通过将电容式蒸汽传感器冷却到低于环境温度，可改善传感器的灵敏度。因此，本公开提供具有冷却能力的电容蒸汽传感器，该电容蒸汽传感器在操作中展示与无冷却能力的等效传感器相比明显增强的灵敏度(>7倍多灵敏并且能够在小于百万分之一的数量级上检测分析物蒸汽)。在一个方面中，本专利技术提供了一种蒸汽传感器，包括：传感器元件，该传感器元件包括：第一导电电极；第二导电电极；以及介电微孔材料，该介电微孔材料至少部分地设置在第一导电电极和第二导电电极之间，并且接触第一导电电极和第二导电电极；冷却构件，该冷却构件与传感器元件接触，其中冷却构件被构造成用于冷却传感器元件；操作电路，该操作电路与传感器元件的第一导电电极和第二导电电极电连通，该操作电路在第一导电电极和第二导电电极之间形成电压差，使得传感器元件具有电容相关特性，并且其中操作电路能够监测传感器元件的电容相关特性。在另一个方面中，本公开提供一种在环境温度下检测分析物蒸汽的方法，该方法包括：提供根据本公开的蒸汽传感器；将传感器元件冷却到比环境温度低的低于环境的温度；将微孔材料暴露于分析物蒸汽；以及测量传感器元件的电容相关的电特性。如本文所用，术语“电容相关特性”涵盖任何电特性及其测定过程，该测定过程通常与赋予电荷(无论是静电荷还是时变电荷)以及在赋予电荷期间和/或之后监测电特性相关。例如，此类特性不仅包括电容，还包括阻抗、电感、导纳、电流、电阻、电导系数，并且可根据本领域熟知的各种方法测量。在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优点。附图说明图1为根据本公开的示例性蒸汽传感器100的示意性透视图。图2为具有叉指型电极配置的示例性传感器元件210的示意性切开透视图。图3为具有平行电极配置的示例性传感器元件310的示意性透视图。图4为具有叉指型电极配置的示例性冷却构件440的示意性侧视图。图5为针对实施例1和对比较例A和B的ΔC/Co对蒸汽暴露时间的曲线图。在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开相同或类似的特征或元件。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其它修改形式和实施方案。附图可能未按比例绘制。具体实施方式现参照图1，蒸汽传感器100包括传感器元件110、冷却构件140和操作电路160。传感器元件110包括第一导电电极和第二导电电极、以及设置在第一导电电极和第二导电电极之间并且接触第一导电电极和第二导电电极的介电微孔材料。示出第一电极和第二电极以及介电微孔材料的传感器元件110的两个详细配置在图2和图3中示出。参照图2和图3，第一导电电极(212或312)设置在任选介电基座(270或370)上，该任选介电基座(270或370)设置在第一导电电极(212或312)和冷却构件140之间并且与第一导电电极(212或312)和冷却构件140导热连通。再次参照图1，冷却构件140接触传感器元件110，并且被构造成用于冷却传感器元件110。操作电路160通过导线197、198与传感器元件110的第一平行导电电极和第二平行导电电极电连通。操作电路160在传感器元件110的第一导电电极和第二导电电极之间形成电压差，使得该传感器元件110具有电容相关特性(例如，电容)。任选基板125支撑操作电路160、任选冷却控制电路147和冷却构件140。操作电路160能够操作传感器元件110并且监测电容相关特性。监测可以是相对于时间的离散间隔或连续的。任选温度传感器145设置在介电基座170上邻近冷却构件140。任选温度传感器145和冷却构件140通过相应导线对194、195和161、162与任选冷却控制电路147电连通。如果需要，蒸汽传感器可设置在具有入口开口的保护外壳内，使得蒸汽传感器与外壳之外的分析物蒸汽流体连通，然而这不是必须的。这种任选外壳的设计在本领域的普通技术人员的能力范围内。介电微孔材料是介电的和微孔的。在上下文中，术语“微孔的”和“微孔性”意指材料具有大量内部互连的孔体积，并且平均孔尺寸(用例如吸附等温线方法表征)小于约100纳米(nm)，通常小于约10nm。这样的微孔性使得有机分析物的分子(如果存在)能够渗透材料的内部孔体积，并且驻留在内部孔中。内部孔中的这样的分析物的存在可改变材料的介电特性，使得可观测到介电常数(或任何其它合适的电特性)的改变。在一些实施方案中，微孔材料包括所谓的固有微孔性聚合物(PIM)。PIM是由于聚合物链的无效填充而具有纳米级孔的聚合物材料。例如，在Chemical Communications,2004,(2),pp.230-231(《化学通讯》，2004年，第2期，第230-231页)中，Budd等人报告了一系列固有微孔材料，该固有微孔材料含有位于刚性和/或扭曲的单体构造嵌段之间的二苯并二噁烷键。这一聚合物家族中的代表性成员包括根据方案1(下文)由如表1所示的组分A(例如A1、A2或A3)与组分B(例如B1、B2或B3)缩合所产生的那些聚合物。方案1表1另外的合适的组分A和B以及所得的固有微孔聚合物是本领域已知的，例如，如以下文献和专利中所报导的：Budd et al.in Journal of Materials Chemistry,2005,Vol.15,pp.1977–1986(Budd等人，《材料化学杂志》，2005年，第15卷，第1977–1986页)；McKeown et al.in Chemistry,A European Journal,2005,Vol.11,pp.2610–2620(McKeown等人，《化学》，一个欧洲杂志，2005年，第11卷，第2610–2620页)；Ghanem et al.in Macromolecules,2008,vol.41,pp.1640-1646(Ghanem等人，《高分子》，2008年，第41卷，第1640-1646页)；Ghanem et al.in Advanced Materials,2008,vol.20,pp.2766-2771(Ghanem等人，《先进材料》，2008年，第20卷，第2766-2771页)；Carta et al.in Organic Letters,2008,vol.10(13),pp.2641-2643(Carta等人，《有机化学通讯》，2008年，第10卷，第13期，第2641-2643页)；PCT公布的专利申请WO 2005/012397 A2(McKeown等人)；以及美国专利申请公布号2006\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蒸汽传感器，包括：传感器元件，所述传感器元件包括：第一导电电极；第二导电电极；以及介电微孔材料，所述介电微孔材料至少部分地设置在所述第一导电电极和所述第二导电电极之间，并且接触所述第一导电电极和所述第二导电电极；冷却构件，所述冷却构件与所述传感器元件接触，其中所述冷却构件被构造成用于冷却所述传感器元件；操作电路，所述操作电路与所述传感器元件的所述第一导电电极和所述第二导电电极电连通，所述操作电路在所述第一导电电极与所述第二导电电极之间形成电压差，使得所述传感器元件具有电容相关特性，并且其中所述操作电路能够监测所述传感器元件的电容相关特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.27 US 61/945,5831.一种蒸汽传感器，包括：传感器元件，所述传感器元件包括：第一导电电极；第二导电电极；以及介电微孔材料，所述介电微孔材料至少部分地设置在所述第一导电电极和所述第二导电电极之间，并且接触所述第一导电电极和所述第二导电电极；冷却构件，所述冷却构件与所述传感器元件接触，其中所述冷却构件被构造成用于冷却所述传感器元件；操作电路，所述操作电路与所述传感器元件的所述第一导电电极和所述第二导电电极电连通，所述操作电路在所述第一导电电极与所述第二导电电极之间形成电压差，使得所述传感器元件具有电容相关特性，并且其中所述操作电路能够监测所述传感器元件的电容相关特性。2.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其还包括至少支撑所述冷却构件和所述操作电路的基板。3.根据权利要求1或2所述的蒸汽传感器，其还包括设置在所述第一导电电极与所述冷却构件之间的介电基座，其中所述介电基座与所述第一导电电极和所述冷却构件导热连通。4.根据权利要求1或2所述的蒸汽传感器，其中所述第一导电电极接触所述冷却构件。5.根据权利要求1至4中任一项所述的蒸汽传感器，其中所述冷却构件包括热电冷却器。6.根据权利要求5所述的蒸汽传感器，其中所述热电冷却器包括：散热器；第一陶瓷构件，所述第一陶瓷构件设置在所述散热器上并与所述散热器热连通；第二陶瓷构件；电互连的交替n型半导体和p型半导体，所述电互连的交替n型半导体和p型半导体串联电连接和并联热连接，并且夹在所述第一陶瓷构件与所述第二陶瓷构件之间；以及直流电源，其中所述直流电源被取向成使得当电流穿过所述电互连的交替n型半导体和p型半导体时，所述第一陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·H·格里斯卡，M·C·帕拉佐托，J·藤格琼雅萨姆，姜明灿，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US