改善化学/电活性材料的方法技术

本申请公开通过提高材料的灵敏度、提高化学／电活性材料电响应特性的稳定性、或提高检测化学／电活性材料电响应特性变化的速度，改善化学／电活性材料的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及采用化学传感器和化学传感器阵列，检测和分析多成分气体体系中包括NOx、烃、一氧化碳、和氧在内的各种气体的装置。传感器和传感器阵列采用化学/电活性材料检测多成分气体体系中各种气体的存在和/或计算它们的浓度。
技术介绍
已经知道应用化学传感器件检测某些气体。为了寻找对特定气体具有选择性和灵敏性的材料进行过许多尝试。例如US-4,535,316公开测定氧的电阻传感器。参见H.Meixner等人，传感器和执行机构(Sensors andActuators)，B 33，198-202(1996)。显然对被检测的每一种气体必须使用不同的材料。然而，当气体是多成分体系的一部分时，采用一种材料检测特定的气体是困难的，因为该材料对混合物中的各种成分气体具有交叉灵敏性(cross-sensitivities)。多成分气体体系的一个实例是燃烧排放的废气，其中可能包括氧、一氧化碳、氮的氧化物、烃、CO2、H2S、二氧化硫、氢、水蒸汽、卤素、和氨。参见H.Meixner等人，Fresenius分析化学杂志(Fresenius’J.Anal.Chem.)，348，536-541(1994)。在许多燃烧过程中，都需要测定排放的废气是否满足根据联邦和州空气质量条例建立的要求。为了满足这一需要，已经开发了几种类型的气体传感器。参见例如US-5,630,920，其中公开了电化学氧传感器；US-4,770,760，其中公开了测定氧和氮氧化物的传感器；和US-47,535,316，其中公开了测定氧的电阻传感器。能够同时分析燃烧排放的废气等混合物中的二种或多种成分，例如只根据气体与传感器直接接触而不需分离混合物中的任何气体产生的数据计算浓度是很方便的。现有技术的方法目前尚不能满足这一要求。也公开了许多检测从食品中放出的气体的传感器和用于涉及较低温度的其它用途的传感器。参见K.Albert等人，化学评论(Chem.Rev.)，200，2595-2626(2000)。也公开了检测高达450℃的各种燃烧气体使用的几种未掺杂和掺杂锡氧化物的传感器阵列；和研究操作温度对锡氧化物基传感器阵列响应的影响进行到450℃。参见C.Di Natale，传感器和执行机构，B 23，187-191(1995)。然而，在较高的温度和高腐蚀性环境中使用化学传感器监测燃烧气体，可能改变或损害为低温应用开发的传感器阵列的性能。因此高温环境要求本领域先前所不知道的，是化学稳定和热稳定的，和在所要求的这些条件下对所关心的气体保持可测量的响应的材料。满足这一需要容许使用化学传感器测量燃烧排放物例如汽车废气，和测定这些排出物是否能满足实际要求和强制性要求。本专利技术的装置适合分析汽车排放物等高温气体，此外，意外地发现，采用本专利技术的装置分析低温气体也同样有效。专利技术概述本专利技术的一个实施方案是，就对多成分气体混合物具有电响应特性的化学/电活性材料而言，将化学/电活性材料的温度提高到第二温度，提高在第一温度下具有第一灵敏度的化学/电活性材料灵敏度的方法，化学/电活性材料的灵敏度在第二温度下提高到高于第一灵敏度的第二灵敏度；其中化学/电活性材料的灵敏度是ΔR/ΔC的比例，其中ΔR是化学/电活性材料在所择选的温度下由于多成分气体混合物中成分气体或气体亚组(subgroup of gases)浓度的变化，引起的电阻变化或与电阻成比例的信号幅度的变化，ΔC是成分气体或气体亚组浓度的变化。本专利技术的另一个实施方案是，就对多成分气体混合物具有电响应特性的化学/电活性材料而言，将化学/电活性材料的温度提高到第二温度，提高在第一温度下具有第一稳定性的化学/电活性材料电响应特性稳定性的方法，化学/电活性材料的稳定性在第二温度下提高到高于第一稳定性的第二稳定性；其中化学/电活性材料电响应特性的稳定性是ΔE/T的比例，其中ΔE是由于在所选择的时段内暴露在多成分气体混合物中所产生的电响应特性定量值的变化或与电响应特性成比例的信号幅度的变化，T是所选择的时段。本专利技术的另一个实施方案是，就对多成分气体混合物具有电响应特性的化学/电活性材料而言，在第一速度和第一温度下检测电响应特性变化时，将化学/电活性材料的温度提高到第二温度，提高检测电响应特性变化的速度的方法，检测化学/电活性材料电响应特性的速度在第二温度下提高到高于第一速度的第二速度。本专利技术的另一个实施方案是，就对多成分气体混合物包含的气体成分具有电响应特性的化学/电活性材料而言，将气体成分的浓度降低到第二浓度，提高在气体成分第一浓度下具有第一灵敏度的化学/电活性材料灵敏度的方法，化学/电活性材料的灵敏度在第二浓度下提高到高于第一灵敏度的第二灵敏度；其中化学/电活性材料的灵敏度是ΔR/ΔC的比例，其中ΔR是化学/电活性材料在所选择的温度下由于多成分气体混合物中成分气体或气体亚组浓度的变化，引起的电阻变化或与电阻成比例的信号幅度的变化，ΔC是成分气体或气体亚组浓度的变化。采用这种方法也可以提高电响应特性的稳定性和/或速度。附图简述附图说明图1绘出化学/电活性材料的阵列。图2是用介电材料覆盖层覆盖的交指型电极(interdigitatedelectrodes)图案的示意图，在化学/电活性材料阵列中制成16个空的凹槽。图3绘出在化学/电活性材料阵列中的电极图案、介电材料图案、和传感器材料图案专利技术详述本专利技术是在变化的温度条件下，直接检测多成分气体体系中一种或多种被分析气体的方法和装置。所谓“直接检测”，系指气敏材料阵列暴露在组成多成分气体体系的气体混合物中，例如暴露在流动的气流中。如果需要，该阵列可以位于气体混合物中，更具体而言，位于气体混合物的气源中。另一种方法，该阵列可以存在于室内，将气体混合物从另一个地点的气源引到该室中。当将气体引到阵列所在的室内时，可以利用管道、风道、或任何其它适合气体输送的设备，将气体混合物加入该室和从该室中排出。当气敏材料暴露在多成分气体混合物中时可以获得响应，这种响应是气体混合物中一种或多种被分析气体本身浓度的函数。传感器材料同时(或基本上同时)暴露在每一种被分析的气体中，被分析的气体不必与多成分气体混合物进行物理分离，就能进行混合物和/或其中的一种或多种被分析成分的分析。可以采用本专利技术例如在变化的温度下对燃烧气体的浓度获得响应，从而检测和/或测量燃烧气体的浓度，例如在汽车排放物等气体混合物中的氧、一氧化碳、氮的氧化物、烃例如丁烷、CO2、H2S、二氧化硫、卤素、氢、水蒸汽、有机磷气体、和氨的浓度。本专利技术利用敏感材料的阵列分析气体混合物和/或其成分，例如对该体系中一种或多种被分析气体成分的浓度获得响应，检测它们的存在和/或计算它们的浓度。所谓“阵列”，系指在空间上隔开的至少二种不同的材料，例如如图1所示。该阵列可以包含例如3、4、5、6、8、10、或12种气敏材料，或当需要时，也可包含较多或较少种数的其它气敏材料。优选对混合物中每种个别被分析的气体或气体亚组提供至少一种传感器材料。然而，可以要求提供一种以上对混合物中个别的气体成分和/或特定的气体亚组灵敏的传感器材料。例如可以使用一组至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12个传感器检测混合物中一种或多种个别成分气体和/或一个或多个气体亚组的存在和/或计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对多成分气体混合物具有电响应特性的、其在第一温度下具有第一灵敏度的化学／电活性材料的灵敏度提高的方法，包括：将化学／电活性材料的温度升高到第二温度，化学／电活性材料的灵敏度在第二温度下提高到高于第一灵敏度的第二灵敏度，其 中化学／电活性材料的灵敏度是ΔＲ／ΔＣ的比例，其中：ΔＲ是化学／电活性材料在所选择的温度下，由于多成分气体混合物中成分气体或气体亚组浓度的变化而引起的电阻变化或与电阻成比例的信号幅度的变化，和ΔＣ是成分气体或气体亚组浓度的变 化。

【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：帕特莫里斯，约翰卡尔施泰肯，约翰詹姆斯巴恩斯，查尔斯E米勒，尤金M麦卡伦，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]