本文公开了使用化学传感器和化学传感器阵列分析、检测和／或测量与多组分气体系统中各种气体包括ＮＯ↓［ｘ］、氨、烃、一氧化碳和氧气的存在和／或浓度相关的信息的设备。该传感器和传感器阵列使用化学／电－活性材料分析和／或检测气体的存在。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用化学传感器和化学传感器阵列的用于检测和分析多组分气体系统中各种气体包括NOx、烃、一氧化碳和氧的设备。传感器和传感器阵列使用化学/电-活性材料检测多组分气体系统内单独气体的存在和/或计算它的浓度。
技术介绍
使用化学检测设备检测某些气体是已知的。已进行多种尝试来发现对特定气体具有选择性和敏感性的材料。例如，US4535316公开了用于测量氧气的电阻传感器。还参见H.Meixner等人，Sensors andActuators，B33(1996)，198-202。显然，对要被检测的每种气体必须使用不同的材料。但是，当气体为多组分系统的一部分时，使用一种材料检测特定气体是困难的，因为材料对混合物的各种组分气体有交叉灵敏度。多组分气体系统的一个例子是燃烧气体排放物，其可包括氧气、一氧化碳、氮氧化物、烃、CO2、H2S、二氧化硫、氢气、水蒸气、卤和氨。参见H.Meixner等人，Fresenius’J.Anal.Chem.，348(1994)536-541。在许多燃烧工艺中，需要测定气体排放物是否满足联邦和州空气质量规章确定的要求。已发展了几种气体传感器来满足这种需要。参见例如US5630920，其公开了电化学氧传感器；US4770760，其公开了用于检测氧气和氮氧化物的传感器；和US4535316，其公开了用于测量氧气的电阻传感器。能同时分析混合物如燃烧气体排放物的两种或多种组分以例如仅根据通过气体与传感器直接接触产生的数据来计算浓度，而不必分离混合物中的任何气体将是有利的。现有技术方法目前不能满足这种需要。还公开了大量传感器检测从食品中析出的气体，并用于涉及较低温度的其它应用。参见K.Albert等人，Chem.Rev.，200(2000)2595-2626。还公开了几种未掺杂和掺杂氧化锡传感器的阵列用于检测达到450℃的各种燃烧气体；研究操作温度对氧化锡基传感器阵列响应的影响直到450℃。参见C.Di Natale等人，Sensors andActuators B 23(1995)187-191。但是，较高的温度和化学传感器用于监测燃烧气体的强腐蚀环境可改变或损害为低温应用开发的传感器阵列的性能。因此高温环境需要不同于本领域中先前已知那些的材料，这种材料既在化学上稳定又热稳定，并在这种苛刻条件下保持对所关注气体的可测量响应。满足这种需要将允许使用化学传感器测量燃烧排放物，如汽车废气，并确定这些排放物是否满足功能和颁布的要求。另外，惊奇地发现，用于分析高温气体如汽车排放物的本专利技术设备可与分析低温气体具有同等效力地使用。专利技术概述本专利技术提供一种直接检测多组分气体系统中气体组分的方法，包括步骤(i)暴露包括至少两种化学/电-活性材料的阵列的化学传感器于多组分气体系统，检测响应，并直接测量每种化学/电-活性材料的响应。优选化学/电-活性材料为半导体材料，多组分气体系统为燃烧工艺排放物。测量的响应可为电容、电压、电流、AC阻抗或DC电阻的测量值。本专利技术还提供用于直接检测多组分气体系统中气体组分存在的化学传感器，包括基质；在所述基质上的至少两种化学/电-活性材料的阵列；和当暴露于系统中的所述分析物气体组分时用于检测来自所述化学/电-活性材料的响应的装置。优选化学/电-活性材料为半导体材料，多组分气体系统为燃烧工艺排放物。检测的响应可为电性质如电容、电压、电流、AC阻抗或DC电阻。该设备还可包含壳、用于测量检测响应的装置和用于分析测得响应结果以便确定分析物气体组分的存在和/或浓度的装置。本专利技术还提供用于直接检测多组分气体系统中气体组分存在和/或浓度的化学传感器设备，包括基质；沉积在所述基质上的至少两种化学/电-活性材料的阵列；用于检测所述化学/电-活性材料在暴露于所述多组分气体组分时电性质变化的装置；用于分析检测的电性质变化的结果以便确定所述气体组分存在和/或浓度的装置；和壳。化学/电-活性材料可为半导体材料。本专利技术的又一实施方案为用于分析多组分气体混合物的设备，包括(a)至少三种化学/电-活性材料的阵列，在暴露于气体混合物时，每种化学/电-活性材料表现出与其它化学/电-活性材料中的每一种不同的电响应特性；(b)用于在阵列暴露于气体混合物时测定每种化学/电-活性材料电响应的装置；和(c)用于(i)从第一组至少两种化学/电-活性材料的响应检测混合物中气体子组存在和(ii)从第二组至少两种化学/电-活性材料的响应检测混合物中单一组分气体存在的装置。本专利技术的又一实施方案为用于分析多组分气体混合物的设备，包括(a)两种或多种化学/电-活性材料的阵列，当在选定温度下暴露于气体混合物时，每种化学/电-活性材料表现出与其它化学/电-活性材料中的每一种不同的电响应特性；其中该化学/电-活性材料选自(i)包含M1Ox的化学/电-活性材料，(ii)包含M1aM2bOx的化学/电-活性材料，和(iii)包含M1aM2bM3cOx的化学/电-活性材料中的任何一个或多个；其中M1选自Al、Ce、Cr、Cu、Fe、Ga、Mn、Nb、Nd、Ni、Pr、Sb、Sn、Ta、Ti、W和Zn；其中M2和M3各自独立选自Ga、La、Mn、Ni、Sn、Sr、Ti、W、Y、Zn；其中M1和M2在M1aM2bOx中是各自不同的，M1、M2和M3在M1aM2bM3cOx中是各自不同的；其中a、b和c各自独立地为约0.0005至约1；和其中x为足以使存在的氧能平衡化学/电-活性材料中其它元素的电荷的数；和(b)用于在阵列暴露于气体混合物时测定每种化学/电-活性材料电响应的装置。在各种特定实施方案中，如果需要，该设备还可包括连续保持化学/电-活性材料在最小温度为约500℃或以上的加热器；和用于在除了化学/电-活性材料独立电响应以外没有有关气体混合物的信息时获得与气体混合物中组分存在或浓度相关的测定的装置。本专利技术还提供分析气体的方法，如测定气体混合物中一种或多种组分的存在或相对浓度有关的信息；或通过提供和/或使用本专利技术的设备控制工艺或设备操作的方法。附图描述附图说明图1描绘了化学/电-活性材料的阵列。图2为交指型电极图案的示意图，其中电极覆有介电覆层，并在化学/电-活性材料阵列中形成16个空白孔。图3描绘了化学/电-活性材料阵列中的电极图案、电介质图案和传感器材料图案。图4为利用本专利技术设备测定NOx浓度的试运转结果的标绘图。专利技术详述本专利技术为用于在可变温度条件下直接检测多组分气体系统中一种或多种分析物气体的方法和设备。术语“直接检测”是指气体敏感材料的阵列暴露于构成多组分气体系统的气体混合物，如在流动气流中。阵列可位于气体混合物内，更尤其在气体混合物的源内，如果需要的话。或者，阵列可位于从在另一个位置处的气体混合物源将其送往的室中。当气体被送到阵列位于的室中时，气体混合物可通过管道、导管或任何其它合适的气体传输设备被移入和移出室。当气体敏感材料暴露于多组分气体混合物时，可得到响应，并且响应将为气体混合物中一种或多种分析物组分本身浓度的函数。传感器材料将同时(或基本同时)暴露于分析物气体中的每一种，并且分析物气体不必为能进行混合物和/或它的一种或多种分析物气体的分析而从多组分气体混合物中物理分离。本专利技术可用于例如在可变温度下获得响应，并因此检本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于分析多组分气体混合物的设备，包括： （ａ）四种或更多种化学／电－活性材料的阵列，当在选定温度下暴露于气体混合物时，每种化学／电－活性材料表现出与其它化学／电－活性材料中的每一种不同的电响应特性； 其中该化学／电－活性材料选自（ｉ）包含Ｍ↑［１］Ｏ↓［ｘ］的至少一种化学／电－活性材料和（ｉｉ）各自包含Ｍ↑［１］↓［ａ］Ｍ↑［２］↓［ｂ］Ｏ↓［ｘ］的至少三种化学／电－活性材料； 其中Ｍ↑［１］选自Ａｌ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ和Ｚｎ； 其中Ｍ↑［２］选自Ｇａ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ； 其中Ｍ↑［１］和Ｍ↑［２］在Ｍ↑［１］↓［ａ］Ｍ↑［２］↓［ｂ］Ｏ↓［ｘ］中是各自不同的； 其中ａ、ｂ和ｃ各自独立地为约０．０００５至约１；和 其中ｘ为足以使存在的氧能平衡化学／电－活性材料中其它元素的电荷的数；和 （ｂ）用于在该阵列暴露于气体混合物时测定每种化学／电－活性材料电响应的装置。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：PA莫里斯，EM麦卡伦三世，MJ皮奥沃索，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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