本发明专利技术公开了一种传感器元件(100)，其包括：第一导电电极(120)，其具有与之电连接的第一导电构件(122)；吸收性电介质层(130)，其包括固有微孔性聚合物；和第二导电电极(140)，其具有与之电连接的第二导电构件(142)。所述第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的。所述吸收性电介质层被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。本发明专利技术还公开了一种制备所述传感器元件的方法，以及含有所述传感器元件的传感器装置(200)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器元件及其制备方法和包括所述传感器元件的传感器装置
技术介绍
检测化学蒸汽，尤其是挥发性有机化合物(VOC)的能力在包括环境监测等的许多应用中是重要的。这种对有机蒸汽的检测和/或监测尤其可用于(例如)所谓的“使用寿命结束指示器”中，该指示器是个人防护设备(例如呼吸器)所需的。已经开发出许多用于检测化学被分析物的方法，包括例如光学、重量分析和微电子机械(MEMS)方法。具体地讲，已经开发出监测电气特性(例如电容、阻抗、电阻等)的传感器。这类传感器常常依赖于被分析物被吸附到材料上或吸收到其中时材料电气特性发生的变化。在一个蒸汽传感器设计中，一层固有微孔性聚合物(PIM)被夹在保持在偏压的蒸汽不可渗透的电极之间，从而形成电容器。PIM在分子水平包络不足，因此易于被有机小分子渗透。随着有机蒸汽在PIM层中积聚(例如，通过吸收和/或吸附)，它们积聚在孔中，并且电极之间的材料的介电常数增大，导致可被测量到的电容的变化。然而，如果电极是有机蒸汽不可渗透的，则可发生蒸汽吸收的PIM层的暴露表面可为有限的。为了克服这个问题，使用了具有贯穿其中的开口的不连续电极和插指电极构形。然而，仍然希望具有适用于传感器装置中的以良好灵敏度快速检测有机蒸汽的传感器元件。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种传感器元件，其包括:第一导电电极；包括固有微孔性聚合物的吸收性电介质层；和第二导电电极，其中第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的，并且吸收性电介质层至少部分地设置在第一导电电极和第二导电电极之间。在另一方面，本专利技术提供了一种方法，其包括以下步骤:将包括固有微孔性聚合物的吸收性电介质层设置在第一导电电极上；和将第二导电电极设置为靠近吸收性电介质层的至少一部分，其中第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的，并且吸收性电介质层至少部分地设置在第一导电电极和第二导电电极之间。所述方法可还包括:将第一导电构件设置在第一导电电极上；以及将第二导电构件设置在第二导电电极上。有利的是，根据本专利技术的传感器元件可在化学蒸汽的种类之间进行区分，这是迄今为止对设计相似但使用不同的多孔导电电极材料的电容式传感器元件而言未知的。根据本专利技术的传感器元件是有用的；例如，用于制备传感器装置。因此，在另一方面，本专利技术提供了一种传感器装置，其包括:传感器室，所述传感器室具有入口开口，具有电容的传感器元件，所述传感器元件被设置在所述传感器室中，并与所述入口开口流体连通，其中所述传感器元件包括:第一导电电极，所述第一导电电极具有与之电连接的第一导电构件；包括固有微孔性聚合物的吸收性电介质层；和第二导电电极，所述第二导电电极具有与之电连接的第二导电构件，其中第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的，并且吸收性电介质层至少部分地设置在第一导电电极和第二导电电极之间；操作电路，所述操作电路与所述传感器元件电气连通，这样，如果传感器元件连接至电能源，则所述操作电路测量所述传感器元件的电容。如本文所用:术语“有机化合物”指包括碳和氢原子的化合物；和当关于一层材料时，术语“可渗透的”意指在其中存在所述层的一区域内，所述层是充分多孔的，从而至少一种有机化合物可非反应性地渗透穿过其厚度(例如，在25°C时)。上述方面和实施例能够以其任何组合来实施，除非根据本专利技术的教示，清楚地表明此类组合是错误的。在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本专利技术的特征和优点。附图说明图1是根据本专利技术的示例性传感器元件100的示意性侧视图；和图2是根据本专利技术的示例性传感器装置200的示意图。应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其他修改形式和实施例，这些修改形式和实施例也在本专利技术的原理的范围和精神内。这些图可能未按比例绘制。具体实施例方式现在参照图1，传感器元件100包括电介质基底110，其支承第一导电电极120，所述第一导电电极120具有与其电连接的可选的第一导电构件122。吸收性电介质层130包括固有微孔性聚合物，并且被设置在第一导电电极120和第二导电电极140之间。第二导电电极140包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的。可选的超薄贵金属层180设置在吸收性电介质层130和第二导电电极140之间。可选的第二导电构件142电连接至第二导电电极140。可选的覆盖层150设置在第二导电电极140上。在图1中示出的实施例中，第一和第二电极是总体平面的、平行的并且设置在吸收性电介质层的相对的侧面上，但应该认识到其它构形也是可能的。传感器元件被构造为使得吸收性电介质层足够靠近第一导电电极和第二导电电极，以至于在该层中含有的吸收性电介质材料能够与电极建立的电场发生相互作用。在传感器元件的操作中，吸收性电介质层在吸收一种或多种被分析物(例如，一种或多种有机蒸汽)时表现出电气特性的变化。在一个实施例中，电气特性为如下述电容或与电容有关的特性。通过在第一导电电极和第二导电电极之间赋予电荷差(例如，向该电极赋予电压差)并监测传感器元件响应于被分析物的存在的特性，可测量这种与电容有关的特性的变化。如本文随后所述，使用操作电路可完成这种监测。术语“电容”和“与电容有关的特性”涵盖任何电气特性及其测定过程，这种测定过程通常与赋予电荷(无论是静电荷还是时变电荷)和在赋予电荷期间和/或之后监测电气特性相关。例如，这种特性不仅包括电容，还包括阻抗、电感、导纳、电流、电阻和电导系数，并且可根据本领域熟知的多种方法测量到。吸收性电介质层(术语“层”在一般意义上使用，并涵盖任何物理构型)至少部分地包括吸收性电介质材料。在上下文中，术语“吸收性电介质材料”意指这样一种材料:能够吸收有机化学被分析物，并且在将有机被分析物吸收到该材料中时在所述材料的一些电气性质方面可表现出可测量的变化。虽然图1描绘了平行板式构型，但是其它构形也是可以的。例如，其中第一和第二电极互相交叉的构型也是可以的并且落入本专利技术的范围内。在一个实施例中，吸收性电介质材料选自包括所谓的“固有微孔性聚合物”(下文称之为PIM)的这类材料中。这种聚合物包括(但不限于)在“固有微孔性聚合物(PIM):稳固、可溶液处理的有机微孔材料”(Budd等人《化学通讯》，2004年，第230-231页)中公开的那些；在“固有微孔性聚合物(PM) ” (McKeown等人《欧洲化学》，2005年，第11卷，第9期，2610-2620页)中公开的那些；在McKeown等人的美国专利申请公开第2006/0246273号中公开的那些；以及在McKeown等人的已公开的PCT申请第WO 2005/012397A2号中公开的那些。PM可通过使用符合以下要求的任何单体组合来配制:这些组合可形成刚性非常强的聚合物，在其中存在足够的结构特征，以引起扭曲的结构。在多个实施例中，PIM可含有由刚性连接基连接的大致平面的物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由该刚性连接基连接的两个相邻的平面的物种保持非共面取向。在另外的实施例中，这种材料可含有由刚性连接基主要连接至最多两个其他所述第一物种的大致平面的第一物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由所述刚性连接基连接的两个相邻的第一平面的物种保持本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.30 US 61/388,1301.一种传感器元件，包括: 第一导电电极； 包括固有微孔性聚合物的吸收性电介质层；和 第二导电电极， 其中所述第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的，并且所述吸收性电介质层被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。2.根据权利要求1所述的传感器元件，还包括支承所述第一导电电极的电介质基底。3.根据权利要求2所述的传感器元件，其中所述电介质基底包括聚合物膜。4.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述碳纳米管包括所述第二导电电极的至少99重量％。5.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述碳纳米管包括多壁碳纳米管。6.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述固有微孔性聚合物包括由通过刚性连接基连接的大致平面的物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得通过所述刚性连接基之一连接的两个相邻的平面的物种保持非共面取向。7.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述第一导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的。8.根据权利要求1所述的传感器元件，其中所述第二导电电极与所述吸收性电介质层的主表面共延。9.一种方法，包括以下步骤: 将包括固有微孔性聚合物的吸收性电介质层布置在第一导电电极上；和 将第二导电电极布置为靠近所述吸收性电介质层的至少一部分，其中所述第二导电电极包括碳纳米管并且对至少一种有机蒸汽而言为可渗透的，并且所述吸收性电介质层被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。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一导电电极被支承在电介质基底上。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电介质基底包括聚合物膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·C·帕拉佐托，S·H·格里斯卡，李子成，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：
国别省市：
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